水田側滲緩沖帶保護模型

程公德　殷國璽　謝崇寶等

摘要： 為減少污染物通過水田側滲方式對村鎮飲用水源地造成污染，在水田邊界布置植被緩沖帶，研究污染因子在緩沖帶下的凈化規律。根據試驗數據擬合污染因子衰減函數，應用ArcGIS軟件的模型構建器“ModelBuilder”工具構建水田緩沖帶保護模型，模擬緩沖帶內污染因子隨距離變化的衰減規律，確定不同去除率對應的緩沖帶寬度。選擇狗牙根作為植被緩沖帶，研究土壤總氮、總磷、硝態氮的衰減規律，擬合衰減曲線，構建植被緩沖帶保護模型。

關鍵詞： 水田邊界；側滲；緩沖帶；衰減函數；ModelBuilder；模型

中圖分類號： X592 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0397-03

我國南方地區水稻田氮肥、磷肥流失已引起毗鄰水體污染進一步加劇，尤其是對村鎮飲用水源地污染嚴重，因此最大限度地攔截遷移過程中的污染因子對治理農業面源污染尤為重要 [1-2]。目前，緩沖帶是有效降低污染物濃度和防止污染物擴散的重要生態工程措施 [3-5]。王華玲等采用坡地小區試驗方法，分析不同植被緩沖帶對坡耕地地表徑流中氮、磷的攔截效果，得到植被緩沖帶對徑流中氮、磷表現出較高的去除率 [6]；王磊等研究了緩沖帶剖面利用電導率和示蹤方法，結果表明濕地緩沖帶對氮、磷營養元素有明顯的去除效應 [7]；Lee等通過模擬降水和徑流，比較了由不同冷季植物組成3、6 m 寬度的緩沖帶農田徑流中對降低氮、磷元素的效果 [8]。然而這些研究均是關于農田徑流流失及其緩沖帶的研究，針對水稻田側滲流失的研究相對較少，缺乏特定流域的側滲緩沖帶凈化規律。

水稻田經常需要保持一定的水層，水稻田側滲是指在水稻田發生的污染物水平遷移流失，可造成大量氮肥、磷肥流失，是農業面源污染物輸出的重要途徑之一 [9-10]。我國南方地區氣候濕潤、降水相對豐沛，土壤水分飽和度較高，地下水位接近地表，通過提高水田田埂高度，在施肥期防止發生地表排水，使氮肥、磷肥通過側滲途徑進行遷移傳輸 [11]。在污染因子側滲遷移過程中，緩沖帶通過截留和凈化作用削減氮、磷等元素，從而減少污染因子進入水體，進而污染村鎮飲用水源地 [5-6]。本研究以水稻田邊界條件下狗牙根緩沖帶為研究對象，分析側滲過程中的主要污染因子衰減規律，擬合污染因子衰減函數，在此基礎上運用ArcGIS軟件的模型構建器“ModelBuilder”功能構建水田側滲緩沖帶保護模型，以期為水田側滲緩沖帶研究提供借鑒。

1 材料與方法

1 1 試驗田概況

試驗田為南方地區典型水稻田，位于江蘇省句容市后白鎮林梅村，屬典型的低山丘陵地區，年平均降水量 1 018 6 mm，土壤結構良好，黃土層深厚，pH值5 5～6 5。研究區域屬亞熱帶季風氣候，四季分明，光照充足。水稻種植按當地耕作模式進行，5月打漿、插秧，8月下旬排干稻田積水，10月中上旬收割，氮肥40%作基肥，60%作追肥，共施氮肥（以氮計）165 kg。

1 2 試驗設計

水稻田周圍為水田田埂，田埂寬度0 8 m、高度 0 3 m，田間水面不超過田埂高度，在水田生長期正常施肥。水稻田一側為常年正常生長的狗牙根緩沖帶，用取土套管在狗牙根緩沖帶內沿著垂直于水田方向上不同距離處采取地表以下 0 3 m 處的土壤，對土壤進行測試。采用半微量開氏法測定土壤總氮（TN）含量，采用堿熔-鉬銻抗分光光度法測定土壤總磷（TP）含量，采用紫外分光光度測定硝態氮（NO-3-N）含量。

1 3 技術方法

緩沖帶作為農田和水體之間的過渡帶，在控制氮、磷等面源污染物輸入方面發揮著重要作用，對治理農業非點源污染問題尤為重要 [5]。本研究探討在水田田埂邊界下狗牙根植被緩沖區對污染因子水平遷移過程中的凈化效果，通過數據擬合方法歸納出狗牙根緩沖區的污染因子衰減曲線 [12]。運用ArcGIS軟件的模型構建器“ModelBuilder”功能，將衰減曲線放入“模型構建器”中 [13-14]，模擬緩沖帶內污染因子隨緩沖區距離的衰減過程，確定不同去除率對應的緩沖帶寬度 [15]。

2 數據處理

2 1 數據采集

在距離水稻田邊界分別為0、1 1、2 1、3 1、4 1、5 1 m處地面下0 3 m處取土樣，測定土樣總氮、總磷、硝態氮含量。通過去除率反映不同距離處的狗牙根對污染因子的凈化能力，得出隨狗牙根緩沖帶距離變化的總氮、總磷、硝態氮含量去除率 [10]。去除率計算公式為：

V=（C0-Ci）/C0×100%。 （1）

式中：V為去除率，%；C0為稻田邊界土壤污染因子含量；Ci為不同距離處污染因子含量。

表1為水稻邊界不同距離處的土壤污染因子含量數據，其中0 m土壤污染因子含量為C0數據，其余距離處的土壤污染因子含量為Ci數據。從表1可知，土壤污染因子含量數值隨水稻田邊界距離的增大而減小。

通過公式（1），利用C0、Ci數據計算狗牙根植被緩沖帶不同距離處的土壤因子含量去除率，由表2可見，土壤污染因子去除率隨距離的增加而增大。

2 2 擬合衰減函數

由植被緩沖區的土壤污染因子去除率（表2）可知，離水田近的地方土壤污染因子去除率比離水田遠的地方變化更大，可采用對數模型擬合有關數據 [12]。對狗牙根植被緩沖區總氮、總磷、硝態氮污染因子去除率變化數據進行擬合，得到總氮、總磷、硝態氮污染因子去除率隨距離推移的衰減曲線（圖1）。

3 1 構建步驟

ArcGIS軟件的“ModelBuilder”模型構建器是一個用來創建、編輯、管理模型的應用程序 [16-18]。水田緩沖區的保護模型是將植被緩沖區污染因子去除率衰減函數通過一系列處理表達出來，便于顯示水田邊界、緩沖區種類、去除率、緩沖區寬度的聯系，確定緩沖區寬度及可視化顯示。利用模型構建器構建該保護模型的步驟如下：（1）新建模型。打開“ArcMap”程序，加載水田專題圖層（包括水田、水田邊界），在“ArcToolbox”中新建工具箱（如“保護模型”），并在工具箱新建模型（如“水稻田側滲緩沖帶保護模型”），設置模型屬性；（2）編輯模型。打開“水稻田側滲緩沖帶保護模型”，進入模型“ModelBuilder”編輯窗口，依次添加數據、變量和“ArcToolbox”空間處理工具，進行相應連接；（3）模型參數化。設置模型界面中的“水田邊界”“去除率y”“總氮、總磷、硝態氮衰減參數1”“總氮、總磷、硝態氮衰減參數2”為模型參數（P），模型流程見圖2；（4）運行模型。驗證模型，雙擊“水稻田側滲緩沖帶保護模型”，輸入模型參數，查看運行結果。雙擊“水稻田側滲緩沖帶保護模型”應用界面為“GUI”界面（圖3）。endprint

3 2 模型應用

在水田邊界應用狗牙根植被緩沖帶硝態氮衰減規律模型，步驟如下：（1）在“Arctoolbox”模塊下雙擊“保護模型”工具箱中的“水稻田側滲緩沖帶保護模型”，打開模型的“GUI”應用界面；（2）在“GUI”應用界面輸入狗牙根植被緩沖區的“水田邊界”“去除率y”、硝態氮“衰減參數1”、硝態氮“衰減參數2”模型參數，其中去除率y為70%，硝態氮衰減參數1為0 02，硝態氮衰減參數2為0 909 9；（3）運行該模型，得到狗牙根植被緩沖帶在硝態氮去除率為70%下的水田緩沖區（圖4）。

圖4顯示，在水田邊界初始土壤硝態氮含量為0 138 7 g/kg、 硝態氮去除率70%的情況下，狗牙根植被緩沖區寬度為 3 7 m，緩沖區末端土壤硝態氮含量為0 041 61 g/kg，土壤硝態氮含量明顯降低，阻斷了水田中的污染因子水平側滲遷移。

4 結論與討論

本研究擬合了植被緩沖帶污染因子衰減函數，應用 ArcGIS 的“ModelBuilder”工具構建保護模型，通過應用該保護模型，污染因子經過水田邊界狗牙根植被緩沖帶水平測滲遷移可有效降低，直觀地顯示緩沖帶效果。與其他研究相比，本研究具有定量分析、應用性示范研究、圖形可視化等特點。

由于區域性影響，該保護模型可適用于本研究區域水田的側滲緩沖帶設置，由于南方地區自然環境和耕作方式等存在差異，其他地區污染物的側滲輸出規律將有所不同，因此該保護模型可在試驗基礎上推廣應用于其他南方地區的水田側滲污染因子研究。

植被緩沖區凈化效果因組合種類和組合方式不同而不同，衰減規律變化具有復雜性。本研究僅針對單一植被緩沖帶效果進行研究，今后研究中可改變組合種類和組合方式以達到植被緩沖區的最佳效果。

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