平原灌區農田養分非點源污染研究進展

郝韶楠，李敘勇，杜新忠，張汪壽

1. 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085；2. 中國科學院大學，北京 100049

平原灌區農田養分非點源污染研究進展

郝韶楠1, 2，李敘勇1*，杜新忠1, 2，張汪壽1, 2

1. 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085；2. 中國科學院大學，北京 100049

摘要：平原灌區作為農業規模化生產的基地，在農業乃至經濟社會發展中起到了重要作用，但是隨著農業的發展，平原灌區農田非點源污染問題日益嚴重，研究平原灌區農田非點源污染具有重要意義。文章以平原灌區污染物隨水文循環遷移過程為基礎對平原灌區養分非點源污染研究進行綜述。（1）平原灌區農田非點源污染的主要來源是過量的化肥施用，農藥和農膜，秸稈等農作物的降解，牲畜糞便，污水灌溉，灌溉引起的鹽漬化以及大氣的干濕沉降等；產生及影響因素主要有土壤的理化性質，水分的輸入方式和人為管理措施等。（2）降雨徑流及灌溉排水條件下污染物在多級渠系中的遷移規律和灌區地表水與地下水的交互耦合作用決定了平原灌區農田非點源污染的輸送途徑與特征。（3）在監測資料比較缺乏時，采用輸出系數法進行負荷估算；在監測資料充足情況下，采用針對灌區特殊的水文特征而改進的經典水文模型對平原灌區農田非點源污染的負荷進行估算。（4）新型肥料、配方施肥、合理的耕作措施及生態溝渠的設置有利于平原灌區農田非點源污染的控制，TMDL （Total Maximum Daily Loads）為平原灌區農田非點源污染控制提供可靠的依據。針對平原灌區非點源污染研究現狀，提出了中國開展平原灌區農田非點源污染研究的重點，包括養分污染物在多級溝渠中的遷移，灌區地表與地下水水量水質耦合模型的建立，分級控制單元與TMDL的制定以及多模型結合模擬等，可望在控制農業非點源污染方面起到指導作用。

關鍵詞：平原灌區；農田；非點源

引用格式：郝韶楠，李敘勇，杜新忠，張汪壽. 平原灌區農田養分非點源污染研究進展[J]. 生態環境學報, 2015, 24(7): 1235-1244.

HAO Shaonan, LI Xuyong, DU Xinzhong, ZHANG Wangshou. A review on Non-point Source Nutrient Pollution of Irrigation Plain Areas [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1235-1244.

非點源污染（Non-point source pollution，NPSP）與點源（Point source pollution，PSP）污染相對應，是指溶解態或固體污染物從非特定的地點，在降水和徑流沖刷作用下，通過降水、徑流、淋溶、壤中流以及地下水回流等過程而匯入受納水體（如河流、湖泊、水庫、海灣等），引起的水體污染。非點源污染的主要形式包括土壤侵蝕、農田化肥、農藥的使用、農田污水灌溉、城鎮地表徑流污染、礦區和建筑工地地表徑流污染、林區地表徑流污染、大氣干沉降與濕沉降（賀纏生等，1998）。隨著點源污染逐步受到控制，非點源污染逐漸成為研究的重點，農田非點源成為非點源污染的主要污染源（Carpenter et al.，1998；崔鍵等，2006；李強坤等，2010）。

我國的耕地不到世界的1/10，但是近年來氮肥的使用量卻占全世界的近30%。農田的污染物質已經成為水環境污染的主要來源。以東北松花江為例，松花江流域是我國重要的商品糧生產基地，農業生產和農村生活是最主要的水污染源，對松遼流域水環境污染的影響相當大。我國農藥化肥利用率只有30%左右，部分未利用的化肥隨著農田退水進入江河，最終導致水體污染。據中國工程院重大咨詢項目調查數據顯示，2003年第二松花江流域農牧業非點源污染導致的COD排放量已達13萬t，占流域排放總負荷的41%，同時農藥的使用量已經超過0.46萬t，且呈現逐年上升的趨勢。《中國重點流域非點源污染負荷估算研究》結果表明，松花江流域非點源污染氮、磷排放主要來自農用化肥和畜禽養殖業，其中來自農用化肥的氮、磷排放占非點源排氮量、排磷量的58%和55%。由此可見，控制灌區農田非點源污染占有十分重要的地位。本文對平原灌區農田養分非點源污染產生的來源、影響因素、輸送、負荷估算及控制的相關研究進行總結，以期為保護平原灌區農田生態環境提供科學依據。

1　平原灌區農田非點源污染的來源、產生及其影響因素

1.1平原灌區農田非點源污染的來源

平原灌區農田污染物的主要來源是過量的化肥施用，農藥和農膜，秸稈等農作物的降解，牲畜糞便，污水灌溉（陸建紅，2012），灌溉引起的鹽漬化以及大氣的干濕沉降等。過量施肥引起的水體富營養化導致水中動物賴以生存的溶解氧降低，進而影響水中生物；過量氮素污染水體可以直接引起人體健康疾病，而過量磷素對健康的影響則是間接的，它先對水體進行富營養化，進而對人類健康造成威脅（Correll，1999）；農藥的施用是有毒污染物的主要形式，有毒污染物，主要是指重金屬，殺蟲劑和有機化合物等，許多有毒的化合物由于降解系數比較小，進而在食物鏈中形成富集效應，對人類和環境造成影響；農業垃圾，例如塑料制品和泡沫等，會對水體造成危害，在農地系統中，用于覆蓋地表的農膜則是造成水體污染的主要垃圾形式；大氣的干濕沉降是指大氣中的粉塵、煙塵及有毒、有害物質等直接降落到水面或隨同降雨或降雪而落到水體表面，從而造成水環境的非點源污染。

1.2平原灌區農田污染的產生及其影響因素

農田生態系統中，降水、地表水、土壤水和地下水的相互交替、轉化的過程是最基本的水文過程（沈彥俊等，2011），在灌區農田中，需將灌溉因素考慮進去。對農田水分循環與氮磷產出過程造成影響的主要有土壤的理化性質，水分的輸入方式和人為管理措施等。

1.2.1土壤性質的影響

氮磷輸出負荷不僅受到土壤氮磷元素的含量、含水量、機械組成等影響，且施肥量超過農田的需肥量時，化肥的過量施用是非點源污染產生的重要因素。灌區土壤作為基質部分，在農田水分循環中起到調節和分配水量的作用，其理化性質與水文循環影響下的平原灌區農田氮磷的輸出負荷（程艷等，2009）存在一定的相互關系。Withers et al.（2002）通過研究發現農田氮流失量與土壤礦物氮濃度之間存在明顯的正相關關系。Andraski et al.（2003）研究發現土壤磷元素的含量對于可溶性磷鹽的輸出是一個非常有效的指示指標，Davis et al.（2005）通過進一步的研究發現不同機械組成的土壤類型具有不同的土壤磷臨界值，但是土壤氮磷值并不是衡量土壤氮磷流失潛力的唯一指標；歐陽威等通過主成分分析方法在農田區對土壤的速效磷、全磷、全氮、全鉀、銅、鋅、鎘的含量進行分析，選定全磷和鋅作為表層土壤磷流失潛力的指示指標，選定銅和鎘作為亞表層土壤氮磷流失潛力的指示指標（Ouyang et al.，2012），土壤流失潛力還與氣候、地形和農業活動相關（Sharpley et al.，1996）。土壤磷素輸出不僅與磷元素的含量相關，還與土壤的前期含水量，有機質等密切相關。Torbert et al. （1999）通過對粘性土壤干（350 g·kg-1）濕（500 g·kg-1）兩種狀況的對比研究發現，土壤含水量高的土壤具有較高的流失潛力，王曉燕（2011）通過研究發現了相似的結論。Bundy et al.（2001）通過研究發現施肥量超過了農田的需肥量，化肥的過量施用是產生非點源污染的重要源頭。

1.2.2水分輸入方式的影響

灌區的水分輸入分為自然降雨與人為灌溉，其中人為灌溉分為漫灌、噴灌等方式。降雨徑流中氮磷營養物質的非點源排放被認為是造成水體富營養化的主要原因（Han et al.，2010）。降雨量（Sharpley et al.，2008）、降雨強度是影響農田污染物輸出的最主要因素之一，分為濺蝕和沖蝕兩個階段，降雨量和降雨強度決定了濺蝕的動能大小和產流的大小且與農田污染物的輸出成較好的線性關系，但是灌區稻田表面水層保護田面不受雨滴打擊，減弱了降雨對土壤表層的濺蝕作用（曹志洪等，2005）。梁新強等（2005）通過在天然降雨條件下對水稻田氮磷的輸出進行研究發現，降雨徑流中總氮、總磷的流失濃度隨著降雨量和施肥量的增加而增大；可溶解氮是天然徑流中流失氮的主要形式，磷流失以顆粒態為主；降雨和施肥量是影響氮磷素輸出的主要因子。一般情況下，在單位時間內降雨量越大，農田的氮磷輸出就越高。由于河流灌溉和地下水灌溉的引入，不僅改變了灌區下墊面的自然狀態，也影響了區域的徑流、蒸發等水平衡要素的計算及相互間的轉化關系（王康，2012），與旱作農田降雨徑流中的污染物流失情況有所不同（黃滿湘等，2001）。

與降雨徑流不同的是灌溉改變了下墊面的性質從而減弱了雨滴的濺蝕作用，而不同的灌溉方式對氮磷的產生有不同的影響。Spalding et al.（2001）研究發現由漫灌改成噴灌之后，氮的淋失會大大地減少，但是產量的減少量并不大。曾阿妍等（2008）通過對內蒙古農業灌區引黃灌溉的2次主要大規模灌溉（夏澆、秋澆）的跟蹤監測，研究了農業灌區的氮磷流失情況。分析了2次灌溉期的各引水渠和排水渠中總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、總磷（TP）、溶解性無機磷（DIP）、溶解性有機磷（DOP）、顆粒磷（PP）的變化情況。研究表明：夏澆時，由于植物吸收、灌水量小等因素，基本不產生污染。而秋澆期間，由于灌水量大、土地裸露成為非點源污染產生的主要時期，杜軍等（2011）通過河套灌區烏拉特灌域的不同灌期農田氮素遷移研究發現，秋澆期河套灌區土壤中的硝態氮最易發生淋洗，且是灌區產生農業面源污染最嚴重的時期。

灌區對氮磷非點源輸出產生重要影響的是對下墊面覆水性質的改變，農田上覆水減輕了降雨的濺蝕作用，從而減少了氮磷的輸出；在灌溉水量超過農田需水量及土地裸露的情況下，易產生非點源污染；噴灌可以極大的減少非點源污染的產生，但是對作物產量的影響較小。因此，在灌區采用“測土施肥”及噴灌等較為先進的灌溉方式可以極大的較少非點源污染的產生。

1.2.3作物類型的影響

作物對農田氮磷產生的影響主要通過不同的葉面積指數與影響降雨過程，作物生長時期不同的吸收能力以及不同的根系深度對淋溶進行影響。馬東等通過在嶗山水庫流域建立了種植5種代表性作物玉米、大豆、花生、紅薯和黃瓜的徑流小區在大雨或暴雨產流中溶解態氮磷濃度進行了定位觀測，結果顯示，施肥條件和作物類型是造成氨氮、硝氮等水溶性氮的事件平均濃度（event mean concentrations，EMCs）差異的主要原因；氮磷遷移量與次降雨量、小時最大雨強呈現顯著正相關（馬東等，2012），但其沒有考慮到相同葉面積指數下，植被分布對污染物輸出的影響。Liang et al.（2004）等通過人工降雨方法對西笤溪5種不同的土地利用的氮磷輸出進行研究發現，在不同的植被條件下，地表徑流的氮磷輸出存在顯著的差異。張福珠等（1984）通過在水稻幼苗期和旺盛生長期等量施氮，發現前者壤中流氮含量大大高于后者，這是由于根系不同發育程度及其對肥料的吸收能力不同造成的。“淋失”通常以根底層為邊界定義的。Thorup-Kristensen et al.（2003）等通過研究發現，當氮素超過土壤的吸附能力并超過根系達到的最深深度時，營養元素將不再被作物吸收利用而形成淋溶。

作物通過葉面積指數對降雨強度的影響污染物的輸出；不同作物對肥料吸收能力的不同、同一作物不同生長時期對肥料吸收能力的變化及不同作物根系發育的不同進而對灌區農田非點源的輸出造成影響。

1.2.4農田管理措施的影響

不同的農田管理措施對農田污染物的輸出有重要的影響。段永惠等（2005）通過實地調查與模擬實驗相結合的方法，研究了不同肥料品種、不同施肥強度、不同施肥時間與方式對土壤地表徑流N、P流失的影響。結果表明，農田徑流N、P的流失量與施肥量有一定的正相關性，就施肥方式而言，深施或穴施比表施可顯著降低徑流中N、P的流失量。李強坤等（2011）在青銅峽灌區分析了不同灌水量、施肥量和施肥方案下水稻田的田間產污強度。結果表明，灌水量與田間產污強度呈指數增長關系，施肥量與田間產污強度呈正相關；其次，即使在施肥量相同的情況下，不同的施肥方案下，田間產污強度也有較大差別。Munodawafa（2007）通過研究發現保水保肥措施可以極大的減少地表水體的污染。辛艷等（2012）選取大豆作為種植作物，在天然降雨條件下，采用順壟、橫壟、免耕、免耕秸稈覆蓋等耕作模式進行組合試驗，結果表明：傳統耕作順壟+平翻模式下，氮、磷流失濃度最高；免耕和免耕秸稈覆蓋在順壟布置下與傳統平翻耕作相比，總氮總磷的流失量減少；與順壟耕作組合模式相比，橫壟耕作組合有效地減小徑流中各種養分的流失濃度，減少總氮流失35%，減少總磷流失35.4%。Lenzi et al.（1997）通過比較不同的犁形的翻耕方式發現，在雨滴的濺蝕作用下，翻耕方式的土壤遷移量要顯著高于鑿耕和免耕作用。在旱地的條件下，李友軍等通過研究發現深松覆蓋、免耕覆蓋能提高土壤蓄水量，土壤有機質和氮、磷、鉀含量明顯高于傳統耕作，特別是對上層土壤全氮及堿解氮和深層土壤的有效磷及速效鉀的影響更為明顯，并能有效地減少地表產流次數和徑流量，減少土壤養分的流失，提高水分利用效率和養分的生產效率，顯著提高小麥產量。

施肥方式、農田翻耕方式可以極大的影響非點源污染的輸出，因此，采用因地制宜的農田管理措施對非點源污染的控制有極重要的意義。

2　平原灌區農田非點源污染的輸送途徑與特征

灌區水循環作為灌區農業非點源污染物的傳輸介質與載體，對灌區水循環機理的研究對灌區非點源污染的研究具有重要的意義。平原灌區非點源污染既具有非點源污染的一般特征，也有灌區輸出的一般特征。平原特征主要指地貌特征，平原特征導致灌區在分級分類控制單元的劃分上存在一定的難度。灌區特征主要指人為排灌和相互交錯的多級渠系。在平原灌區水循環系統中，灌溉使得下墊面性質由裸地變為水田，減弱了雨滴的濺蝕作用；其次由于多年的連續灌溉，造成地下水位較低，地表水與地下水交互作用明顯，地表的污染物容易通過土壤滲漏到地下水，從而對地下水造成污染；再次通過地表水和地下水多水源灌溉的農田退水從農田通過多級渠系返回到河道中，對河流造成污染，其中多級渠系對污染物的削減作用是灌區非點源污染的重點研究方向之一。因此農田在降雨徑流及灌溉排水條件下污染物在多級渠系中的遷移規律和灌區地表水與地下水的交互耦合作用，平原灌區分級分類控制單元的劃分與TMDL的制定成為平原灌區非點源污染中考慮的關鍵問題。

平原灌區農田污染物的遷移主要依附于水循環（如圖1）過程，，研究灌區農田的水循環特征是灌區的農業非點源污染研究的基礎，灌溉活動和天然水循環過程交織在一起，并相互影響（Ramireddygari et al.，2000；秦大庸等，2003）。灌區水循環運動影響著灌區營養物的運動主要通過4種形式：（1）農田地表徑流（黃滿湘等，2001），主要指農田退水（張愛平等，2008）以及降雨產流過程；（2）壤中流（陳玲等，2012），主要指滲漏（包括田塊面狀垂直滲漏（羅良國等，2000；王云慧等，2010；祝惠等，2010）、溝渠線狀垂直滲漏以及田塊到溝渠的水平滲漏（黃漪平等，2001）；（3）溝渠的運移（李強坤等，2011）；（4）地下水回流等方式進入受納水體造成污染。本文主要對農田地表徑流、溝渠的運移以及地下水回流這3個主要過程進行綜述。

王康（2012）以內蒙古河套灌區為例，系統的總結了灌區水均衡計算理論與方法，灌區地下水資源量分析方法，灌區地下水模擬方法，并在水文循環的基礎上對面源污染遷移、轉化匯集機理及模擬方法，灌區水環境進行了研究。馬軍花等（2004）對冬小麥優化施肥與傳統灌溉、優化施肥與優化灌溉兩小區的土壤水分和氮素運移動態以及干物質產量進行模擬，并對兩小區165 cm處硝態氮的模擬計算結果進行了對比。岳衛峰等（2004）根據義長灌域土地利用的主要特點，建立了以土壤水為中心的非農區/農區水域水均衡模型，該模型可根據歷年實測的引排水量等資料，對義長灌域的非農區、農區、水域以及農區與非農區、農區與水域之間的水分遷移轉化進行分析，徐峰平等（2011）利用相似方法對綠洲的水均衡進行了相關研究。郝芳華等（2008）通過HYDRUS模型模擬了河套灌區不同灌溉時期（作物生長期和秋澆期）葵花根層（0～40 cm）土壤水的動態規律，結果表明，灌區葵花土壤的水含量在生長期呈下降趨勢；在秋澆期呈上升趨勢，土壤水滲漏動態與灌溉或降雨關系密切，生育期、秋澆期土壤水滲漏量分別與相應時期的灌水量顯著相關。張萬順等（2005）根據水量平衡原理和營養物質質量守恒定律，考慮作物生長過程中農田水循環和氮、磷循環特征，建立農田灌溉退水水量水質模型，應用該模型對引江濟漢工程東荊河灌區農田各水期灌溉退水的氮、磷濃度進行估算，建立了適用于研究農田灌溉退水問題的模型。

圖1　河套地區路面水循環路徑（郝芳華等，2008）Fig. 1 The groundwater cycle path in the Inner Mongolia agriculture irrigation area

2.1農田地表徑流

地表徑流作為農田非點源污染物遷移的重要形式，羅春燕（2008）通過研究發現，河道水總磷濃度大小順序為畜禽養殖場>集約化農田>大田，溝渠水總磷濃度和溝渠底泥水溶性磷濃度與河道水總磷濃度一致，河道水總氮存量、溝渠0～5 cm底泥和0～20 cm土層土壤礦質氮存量與非汛期的差異均不大，而溝渠水總氮存量是非汛期的1.7倍。張繼宗（2006）通過研究發現硝態氮和銨態氮是農田氮素流失的主要形態，在總氮中占67%，硝態氮在總氮中所占比重遠大于銨態氮，大21%。農田耕層土壤（0～30 cm）氮素含量直接影響農田氮素流失的強度，也直接影響著農田旁溝渠表層底泥（0～5 cm）的氮素含量，在其它影響因素相同的前提下，農田耕層土壤（0～30 cm）全氮含量越高，農田氮素流失的強度就越高，產生高水溶性總氮濃度的次數就越多，農田耕層土壤（0～30 cm）速效氮含量越高，農田旁溝渠表層底泥（0～5 cm）速效氮含量就越高；而在磷的輸出中以結合態為主要形態（許其功等，2007）。陳會等（2012）對前郭灌區模擬了灌區面源污染水質水量過程，分析了灌區農田面源污染形成機制，得出稻田地表退水主要影響水稻抽穗前的面源污染入河過程，而滲流排水則在抽穗后灌區排水水質中起主要作用。結果表明水稻灌區中地表排水和稻田滲漏排水對面源污染過程起主要作用。

2.2溝渠運移

農田排水溝渠作為平原灌區農業的重要特征且其作為面源污染物尤其是營養性污染物匯入下游水體的通道（Needeman et al.，2007），溝渠的環境效應與生態功能也逐漸引起了人們的重視（陸海明等，2010；陸琦等，2007；張燕等，2012）。人工溝渠的修建加強了流域縱向水文的連通性，使整個流域對水文時間的響應更加的迅速，同時人工溝渠對污染物的輸出負荷也一定的削弱作用（郗敏等，2005）。張喻芳等（1997）進行了排水條件下氮肥運移、轉化規律的研究，在水流、氮素理論和數值模擬研究的基礎上指出了排水條件下氮肥運移、轉化規律。李強坤等（2010）通過對自由排水和控制排水進行對比發現，污染負荷的減少是排水量減少和污染物濃度降低共同作用的結果，其中排水量減少起主要作用，污染物濃度降低是次要因素。李強坤等（2010）提出農業非點源污染物在排水溝渠中的遷移轉化是農業非點源污染控制和管理的重要環節。在簡要分析農田排水溝渠生態結構和生態特征的基礎上，歸納總結了排水溝渠中水生植物、微生物和基質底泥各組分的生態功能以及各組分同氮磷污染物間的相互作用機理。翟麗華等（2008）通過研究發現，溝渠系統中不同斷面對氮、磷的截留轉化作用相似。姜翠玲等（2005）通過對有機質和總氮在溝渠濕地底泥中的垂直和水平分布的研究表明，40 cm以下深度的蘆葦（Phragmitescommunis）和茭草（Zizanialatifolia）濕地底泥對有機質和總氮有顯著的持留和累積作用；茭白對氮的吸收能力高，試驗表明，利用茭白取代野生植物，既能取得很好的凈化效果，又可被農民主動回收，解決植物的二次污染問題。席北斗等（2007）通過研究闡明pH對溝渠沉積物氮、磷截留效應的影響有助于掌握氮、磷在農田排水溝渠中的遷移轉化機理，從而對控制農業面源污染具有重要的意義。

2.3平原灌區農田淋溶及地下水回流

張思聰等（1999）應用LEACHM模型對唐山的農業地區灌溉施肥條件下氮素在土壤中轉化遷移進行了分析。郝芳華（2010）利用土柱法對灌區氮磷元素的遷移進行了模擬發現灌溉導致土壤中總磷向深層的顯著遷移和流失。Riley et al.（2001）通過研究不同的施肥量和灌溉時間對淋溶的影響發現，多于農田需肥量的施肥和施肥后的灌溉，可造成氮磷的大量淋失。馮兆忠等（2005）通過對河套灌區淺層地下水氮濃度和地下水埋深的季節變化規律調查發現，河套灌區淺層地下水主要來源于農田下滲的土壤水。灌區農田土壤硝態氮淋溶損失比較嚴重，因此應采取節水灌溉、平衡施肥、使用緩釋肥以及套種等科學的水肥管理措施加以控制。劉宏斌等（2006）對4種不同深度的地下水研究發現，飲用水深度最深（120～200 m），硝態氮污染相對最輕，超標率和嚴重超標率分別僅為13.8%和6.9%；而淺層地下水深度最淺（3～6 m），硝態氮污染最為嚴重，超標率和嚴重超標率分別高達80.5% 和66.2%。由此可見地下水的埋藏越淺，淋失越容易。王鐵軍等（2006）在山東半島中部通過實地調查和滲水、硝化、吸附、彌散等室內外試驗，建立了萊西地區包氣帶水流-溶質運移模型，通過模擬發現漫灌是造成萊西地區地下水硝酸鹽污染的一個主要原因。張倩等（2010）通過對現有污染物遷移的估算法方法的對比，提出了一種從農田面源污染的源和匯兩方面，在調查計算施肥量、污水回灌量、徑流流失量、作物吸收量等氮負荷的基礎上，利用差減法估算農田面源污染對地下水污染負荷的影響的方法；同時定性地討論了降雨量對地下水面源污染的影響。郝芳華等（2013）定量研究了區域土壤水和地下水的變化規律，揭示了灌區水平衡要素間的相互轉換關系，指出灌區內的水循環過程為灌溉（降雨）-下滲-潛水蒸發，以灌溉水的垂向灌溉入滲和潛水蒸發蒸騰消耗為主。潛水蒸發量占灌區水分消耗的90%以上，灌溉水和降雨的滲漏僅能補充潛水消耗的一部分。灌區排水分地表和地下排水，地表退水量和地下排水量分配比例差別較大。灌區多年平均灌溉水與降雨入滲補給不能滿足灌區地下水的總消耗，灌區地下水埋深呈逐年下降趨勢，而地下水的回流量僅占很少的比例。但是Bouraoui et al.（2008）通過SWAT來確定控制營養物質流失的主要過程和途徑，結果表明，地下水是流域中總硝態氮負荷的主要貢獻者。通過比較兩者的研究區域發現，兩者的地下水文情況不盡相同，郝芳華等（2013）的研究區域是地勢西高東低，含水層顆粒細，潛水徑流不暢，地下水無水平排泄出路的灌區，Bouraoui et al.（2008）的研究區域是在豐富的地下水條件下，據此在基于地下水回流量的污染物定量估算過程中，研究區域水文地質條件是需要進行考慮的重要因素。

3　平原灌區農田氮磷輸出負荷的監測與估算

非點源污染負荷估算主要通過兩步來完成：一，農田氮磷輸出負荷監測；二，負荷估算。非點源污染監測方案是非點源污染研究和控制的基礎（吳喜軍等，2013），張麗等（2013）針對目前水質常規監測頻率較低，易造成低估了流域非點源污染物輸出負荷低估的情況，利用流域次降雨過程的連續水質水量同步監測資料，研究分析次降雨過程與流域非點源磷素輸出負荷之間的因果關系，并建立次降雨總量與磷素輸出負荷的定量相關關系；單元特征是平原灌區非點源污染的一個重要特征（賴斯蕓等，2004），李強坤等（2011）根據目前多數灌區的灌排模式，選擇具有封閉排水域并受其他點源、非點源污染相對較少的干級排水溝控制區域作為研究單元。在對特定灌區進行監測時，需要依據實際情況，繪制水系簡圖，劃分溝渠等級，確定匯水邊界，進而劃分控制單元，為下一步污染負荷的估算提供基礎。

農業非點源污染負荷估算主要分為3類：描述農業非點源污染預測的模型可大致分為3大類：經驗性模型、確定性（機理）模型和隨機模型。按照模擬尺度的不同又可分為農田尺度模型（CREAMS，GLEAMS，DRAINMOD-N，LEACHM，RZWQM，EPIC等）和流域尺度模型（AGNPS，SWAT，BASINS等）（王少麗等，2007）。在平原灌區中，對灌區污染負荷進行模型估算的研究并不多。CREAMS（Chemicals，Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems）是由美國農業部提出的一個連續模擬模型，它采用簡單的水量平衡算法，對非點源的水文、侵蝕和非點源污染物的遷移過程進行了綜合（Knisel，1980），王媛等（2012）通過應用美國通用土壤流失量方程（USLE）和美國農業非點源管理與化學徑流模型（CREAMS），結合典型流域單元試驗農田連續監測，估算了吉林省西部地區鹽堿地改水田新增非點源污染物TN、TP和總鹽量年輸出負荷。研究表明：吉林省西部新增水田非點源污染物輸出總負荷：氮素4029.561 t·a-1（26.337 kg·hm-2），磷素1407.982 5 t·a-1（9.242 5 kg·hm-2），總鹽分851537.871 t·a-1（5565.607 kg·hm-2）。GLEAMS（Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems）為農業管理模型CREAMS的改進，用于評價農業管理措施對農藥、營養物質可能的淋洗、田間管理決策對地下水質的影響，以及田間地表徑流和土壤流失動態。DRAINMOD-N模型用于研究農田非飽和區一維垂向土壤水氮運移，及飽和區二維垂向和側向的土壤水氮運移。李強坤等（2011）應用DRAINMOD模型對黃河上游青銅峽灌區的2008年5─9月輸出污染負荷進行估算，估算結果為鹽分470099 t、總磷98.17 t、總氮3593 t、硝態氮2122 t、氨態氮426 t。通過示例驗證，表明所建模型具有較好的模擬效果，可進一步推廣應用。LEACHM（Leaching Estimation and Chemistry Model）用于研究農田非飽和區域水和溶質的運動、傳輸、植物吸收和化學反應。丁森（2010）將描述非飽和帶水分與氮素運移的LEACHM模型與地下水模擬模型MODFLOW相結合，建立了灌區水分與氮素在非飽和帶與飽和帶運移的聯合模擬模型，實現水分與氮素在非飽和帶和飽和帶運動的聯合模擬。RZWQM（Root Zone Water Quality Model）用于模擬農田土壤-作物-大氣系統中主要的物理、化學和生物過程，可以模擬地下水位、暗管排水以及作物系統管理措施對土壤水、營養物質和農藥運移的影響效果。林雪松（2009）通過并用RZWQM模型對灌區單種玉米的生長和灌溉制度進行了模擬與評價，得出節水灌溉的實施對減少河套灌區的硝態氮淋失和地下水污染具有積極的改善作用，特別是由于秋澆水量的減少，地下水位降低對農田硝態氮淋失引起的地下水污染具有非常明顯的減輕作用。EPIC用于評價土壤侵蝕對農業生產力的影響，并且預測田間土壤水、營養物質、農藥運移和他們的組合管理決策對土壤流失、水質和作物產量的影響。隨著新技術的引進和監測手段的進步一步健全，將會有力的推動農田非點源模型的發展。李軍等（2004）詳細介紹了EPIC模型中描述農田降水、徑流、滲透、蒸散、吸收和脅迫等水分運移和利用過程的主要數學方程，可供農田水分動態管理與定量評價研究借鑒。

流域尺度經驗模型結構明確，非點源負荷的計算多依賴于小流域實驗參數和經驗參數；與模型相比，參數較少，適用于農業非點源研究初期以及資料缺乏地區，具有較強的實用性與準確性，研究尺度和數據方面的限制較少（黃國如等，2011），被廣泛的應用于非點源污染負荷的估算，但是經驗模型沒有考慮到污染物運移的路徑與機理，因此他們的進一步應用受到了較大的限制。楊淑靜等（2009）應用增加灌溉因子的Johnes輸出系數法對灌區的農業氮、磷流失進行估算。經計算，改進模型計算得到的2006年寧夏灌區TN負荷為19395.33 t，TP為958.30 t。與傳統模型計算結果相比，改進模型TN負荷的相對誤差減小了5%，TP減小了13%。李強坤等（2007）采用負荷貢獻率的方法對青銅峽灌區的非點源污染負荷進行估算，并對估算結果與平均濃度法進行比較；其用類似方法對對灌區年氮素流失總氮、硝氮和銨氮流失3種形態進行了估算（李強坤等，2008）。但是此方法沒有考慮到在輸移距離上的污染物的衰減過程。Ramireddygari et al. （2000）通過研究確定了污染負荷輸出的損失系數，對輸出系數法進行了改進，獲得了較好的效果。

流域尺度機理模型往往結構復雜，參數眾多，流域非點源污染模型的不確定性是單一模型模擬污染負荷面臨的重大問題。按照驅動作用力分析，降雨徑流與農田排水共同驅動水田氮素流失，降雨徑流是磷流失主要驅動力，田間排水是總鹽分流失主要驅動力。鄭捷等（2011）針對平原型灌區人工自然復合的水文循環特點，基于SWAT模型構建了山前平原灌區分布式水文模型。考慮平原灌區灌溉渠道、排水溝和河道等人工干擾，在溝渠河網的提取方法、子流域與水文響應單元的劃分以及作物耗水量計算模塊等方面對SWAT模型進行了改進。以汾河灌區為例，對模型進行驗證，證明改進后的SWAT模型適用于汾河灌區的水量平衡模擬。Dechmi et al.（2012）通過改進的SWAT模型對灌區進行了水量與水質的模擬取得了較好的結果。SWAT模型可以對農業管理措施、翻耕、灌溉、施肥、殺蟲劑和除草措施進行模擬，但是SWAT模型是基于DEM的水文模型，在平原灌區從DEM進行子流域的劃分并不實際，需要進行人工輔助進行。

在平原灌區非點源污染的監測與估算過程中，選擇哪種監測與估算方法是非常重要的，在監測數據較少的情況，采用輸出系數法是較為合適的辦法；在監測資料滿足的模型的機理與數據需求的情況下，針對灌區特殊的水文特征對經典的模型進行改進并對灌區的非點源污染負荷進行估算。

4　平原灌區非點源污染控制措施與技術

從清潔生產技術的角度來講，新型肥料的使用有助于農田產污的減少（廖義善等，2011）；病蟲害的防止采用采用新型低殘留易降解農藥或者農業防治技術、生物防治方法、化學防治方法、物理防治方法、有害生物綜合治理技術以減輕傳統農藥對受納水體的危害；通過配方施肥技術、增施有機肥、農田培肥等方式以及根據不同植物不同生長季的養分需求量進行對應施肥。

從耕作措施上來說，耕作越深越有利于土壤固肥作用的發揮從而導致稻田田面水中養分濃度降低且翻耕土壤中微生物環境利于硝化反應進而使土壤吸收更多的氮素只有不易被土壤吸附的NO-N才得以迅速向田面水中釋放（馮國祿等，2011）；從灌溉方式上來講，噴灌比溝灌、淹灌大大降低了徑流的產生，由此降低農業非點源污染物的輸出；從作物類型上來講，實行適當的作物套種、輪作等；控制排水，增加水力停留時間，可以減少氮磷流失。

從生態工程技術的角度來講，設置生態溝渠（Moore et al.，2011），提高溝渠的吸收降解速率；及時的溝渠清淤；增加排灌水的調解措施，改變溝渠水的水力特征；增加人工濕地（何元慶等，2012），提高非點源污染物的吸收與降解；毛戰坡等（2004）通過研究發現，鮑家塘子流域中農田-渠道-水塘系統影響非點源污染物的產生、運移過程，同時多水塘系統截留降雨徑流，減少流域非點源污染物的輸出。

現行研究中非點源控制的最具影響的是美國國家環保局提出的最佳管理實踐（Best Management Practices，BMPs），將其定義為“任何能夠減少或預防水資源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作維護程序”（李強坤，2010）。非工程性的BMPs主要以源頭控制為基本策略，強調政策部門和公眾的作用，政府根據法律規定制定各種行政法規和管理制度。通過污染源管理，農業用地管理，城市土地規劃管理等措施控制或減少污染源。工程型BMPs以徑流過程中的污染控制為主要途徑，通過延長徑流時間、減緩流速、向地下滲透、物理沉淀過濾和生物凈化等技術去除污染物。

TMDL（Total Maximum Daily Loads）作為非工程措施里的政策管理措施，為實施非點源污染總量控制提供了可靠的依據（USEPA，1999），污染控制單元劃分是TMDL實施的前提，平原灌區自然地理特征中的突出特點是地勢平坦，匯水單元界限不明顯，主要以田塊為單元進行污染物的輸出，馬月華（2009）通過對贛撫平原灌區水環境容量研究，初步按照各個溝渠對應的流域控制面積對其灌區進行了控制單元的劃分，但是相關的研究并不多，且控制單元劃分是TMDL管理的基本問題，因此，平原灌區農田尺度的污染物輸出和平原灌區污染控制流域分級分類控制單元的劃分是研究中的關鍵問題。

5　展望

（1）污染物在多級溝渠中的運移

溝渠作為連接“源”與“匯”的重要通道，多級溝渠的水文功能與生態效應逐漸得到重視，而多級溝渠對污染物的削減作用需要進一步的研究。

（2）灌區地表與地下水水量水質耦合模型的建立

現有的模型并不完全適用于灌區的水文與污染物的傳輸特征，灌區水循環的研究作為非點源污染研究的基礎，徑流和泥沙的輸出是污染物遷移的載體，具有舉足輕重的作用，需要加強灌區水循環的研究，對模型進行改進以適合灌區的特點與需求。并且結合地下水模型模擬的少之又少，需要進一步的研究以填補該方面的空白。

（3）分級控制單元劃分與TMDL的制定

溝渠具有分級控制的功能，在污染物的削減指標制定的過程中，分級控制單元的劃分顯得尤為重要，但是相關研究并不多，在中國特殊的耕作制度下，建立適合中國平原灌區的TMDL削減標準是一項迫在眉睫的任務。

（4）多模型結合模擬

王慧亮等（2011）通過多模型的組合研究發現，多模型在降低模型確定性方面有重要的作用。多模型結合的方法可成為灌區污染負荷估算的發展方向之一。

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A review on Non-point Source Nutrient Pollution of Irrigation Plain Areas

HAO Shaonan1, 2, LI Xuyong1?, DU Xinzhong1, 2, ZHANG Wangshou1, 2
1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environment Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100875 China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Abstract:Plain irrigation areas as the basis of agricultural large-scale production played an important role in agricultural, economic and social development. However, the seriousness of non-point source pollution in plain irrigation areas is increasing with the development of agriculture, and the research of this problem has important significance. This paper reviews the research of the plain irrigation non-point source pollution based on the process of pollution transport with water cycling: (1) The main sources of non-point source pollution are fertilizer, pesticide and agricultural films, waste material dropped by farm animals, soil salinization and atmospheric deposition (dry and wet); the occurrence of plain irrigated farmland non-point sources pollution was affected by the physical and chemical properties of soil, water input pattern and artificial management measures. (2) The rainfall-runoff, pollution migration in multi-level irrigation and drainage system and the coupling interaction between ground water and surface water were the main characteristics of plain irrigated farmland non-point source pollution transport mechanism. (3) In order to estimate the load of plain irrigated farmland non-point source pollution, export coefficient model was used when there is a data shortage, whereas improved classical hydrological model was used when the data is adequate. And (4) the usage of preferred fertilizer compositions for special plant, reasonable soil and water conservation farming measures and ecology ditches were beneficial to the control of non-point source pollution in plain irrigated area. TMDL (Total Maximum Daily Load) plan can provide reliable basis for non-point source control in plain irrigated area. This paper has analyzed the problems that exist in the plain irrigated farmland non-point pollution at present, put forward suggestions for research priorities on this basis, including nutrient pollutants migration in the multi-stage ditches, irrigation water quantity and quality of surface and groundwater coupled model, hierarchical control unit and TMDL plan development and so on, which will be helpful for making a decision on sustainable agricultural development.

Key words:plain irrigation areas; field; non-point source pollution

收稿日期：2015-04-07

*通信作者：李敘勇（1965年生），男，研究方向為流域水環境。E-mail: xyli@rcees.ac.cn

作者簡介：郝韶楠（1986年生），男，博士研究生，主要從事非點源污染及水污染負荷優化分配。E-mail: shaonan@mail.bnu.edu.cn

基金項目：中國科學院重點部署項目課題（KZZD-EW-10-02）；國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07203003；2012ZX07029002）

中圖分類號：X50

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）07-1235-10

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.024