農業政策環境擴展模型在我國農業面源污染研究中的應用

馮青郁,陳利頂,*,楊 磊

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

近半個世紀以來,我國面源污染問題變得日益突出,并在近期內不會得到快速緩解[1]。面源污染的來源通常被歸類為三個來源,種植業源、畜牧養殖業源和農村生活源[2]。20世紀80年代以來,我國的農業發展最大的特點就是伴隨著糧食產量提高而急劇增加的化肥使用量。盡管我國經過實施由2015年制定的《到2020年化肥施用量零增長行動方案》已經極大的控制了化肥使用量的增長速度,但現有的化肥使用量仍然很大,占世界化肥使用總量的三分之一左右。調查顯示,我國的化肥利用率很低,只有35%左右[3],因此很大一部分化肥施用之后流失到水體或者空氣中去。此外,人民生活水平的提高所帶來的對動物性蛋白質需求的增加,也導致我國規模化畜牧養殖業的快速發展。盡管規模化養殖具備相關污染物處理設施,分散養殖所帶來的污水、動物糞便等則由于沒有足夠的配套處理措施而大量排放,向水體中排放了大量的氮、磷等污染物。而對于生活源,城市生活污水大部分可以被引入污水處理廠進行處理,農村生活污水則常常不經處理直接排放,此外農村生活垃圾等的隨意堆放也會在降雨等過程發生時進入到水土環境中[4—5]。

面源污染問題的解決是一個長期的、系統的工程。這是由農業面源污染來源廣泛且分散、流失過程復雜、空間異質性大等特點決定的[6]。針對農業面源污染的源頭和過程本身,需要解決的問題可以總結為總量估算、路徑分析、治理措施三個類別。總量估算的研究內容包括主要污染物識別、受納水體最大負荷量估算、污染嚴重程度的估計和判斷標準的定級等方面；而路徑分析則包括主要源頭、流失路徑以及各個流失過程中的影響因素識別和強度大小分析等方面；治理措施則包括源頭、流失過程中以及受納水體中的污染物減少措施的種類選擇、空間布設格局、長短期效應評價、投入產出分析等。除此之外,還需要結合人口變化、經濟發展、氣候變化、政府決策、城鎮化等方面來分析上述三類問題可能受到的影響以及潛在的系統解決方案。

在對面源污染相關問題的分析、解決方案探索和科學研究過程當中,都需要借助于面源污染相關模型來進行[7],這主要是由兩個方面決定的。首先,構建模型是系統結構和行為認知的有效手段。從上面的分析可以看出,面源污染問題的發生無論是從源頭到過程都是一個復雜的系統過程,涉及多個因素和過程,需要借助模型的構建來對該問題進行整體地認知和研究。其次,試驗同模型的結合是快速尋找解決方案的重要途徑。僅僅通過野外或者田間試驗研究,受限于資源和實地條件,無法進行不同解決方案間的效果對比以獲得更高效的方案選擇。面源污染模型的主要任務是通過盡可能準確地模擬面源污染所涉及的生態過程來估算污染物的流失量、判斷流失路徑、確定不同影響因素的敏感程度、評價不同治理措施的效果以及布設位置的變化,最終為合理制定面源污染治理策略提供科學依據。此外,面源污染模型同其他諸如社會經濟、地下水、氣候變化等模型耦合,用于研究這些相關的因素對面源污染源頭和過程的影響。

目前常用的面源污染模型有很多,包括Soil and Water Assessment Tool(SWAT)[8]、Agricultural Policy Environmental Extender(APEX)[9]、Hydrological Simulation Program Fortran(HSPF)、Annual Agricultural Non-Point Source(AnnAGNPS)、Export Coefficient Method(ECM)[10]、Long Term Hydrologic Impact Analysis(L-THIA)、Storm Water Management Model(SWMM)等模型,這些模型都在農業面源污染相關的研究和治理政策制定方面做出了很多的貢獻。不同模型關注的問題相近,但又各有側重。比如SWAT和HSPF模型主要是為在中到大流域上進行模擬應用涉及,這是由于該模型具備相對完整的河道泥沙和化學物質運移模擬模塊,而AnnAGNPS則對細溝和淺溝有更好的模擬,且更側重于小流域的土壤侵蝕污染模擬[11],SWMM模型更加側重于對城市面源污染的模擬[12],而ECM模型則是一個依據經驗獲取輸出系數對面源污染負荷進行評價的經驗性模型[13]。APEX模型則更適用于小流域或者田塊尺度的研究,也很適合我國以小流域為單元進行面源污染治理的政策和傳統[14],然而該模型在我國的應用還非常有限[15]。因此,本文的主要目的是在對中國的面源污染特征以及面源污染模型相關的研究總結的基礎上,結合APEX模型的特點對其在解決中國面源污染問題上的應用前景和需要改進的方向進行探討。

1 中國面源污染特征

我國特有的一些社會、經濟和自然環境特征,造成了我國農業面源污染具備以下三個主要的特征:

1.1 點源面源污染混合排放

在我國,雖然經過嚴格的法律法規的出臺和實施,我國由工業生產產生的點源污染得到了很好的控制,但是點源污染對水體污染的貢獻仍然占有不小的比例,主要是由于一些企業不遵守規定,存在偷排現象。此外,由畜禽養殖、生活污水等產生的點源污染仍然十分普遍。雖然理論上可以識別這些污染源頭,應當歸結為點源,但又由于居民生活和畜禽養殖的分散分布,要準確識別源頭和路徑非常困難。因此可以說這些點源同傳統的種植業面源是混合發生的[6, 16]。

1.2 流失路徑錯綜復雜

我國幅員遼闊,地形、氣候、土壤等基礎條件地理的差異導致了驅動面源污染發生的水文循環的機制和結構都有很大差異。比如徑流包含超滲、蓄滿等兩種主要的產流機制在不同的地區就會有很大差異。在排水系統中包含了大量的人工排水溝渠和城市排水管道,在很大程度上改變了匯流過程。這也是導致點源面源混合排放的一個重要因素。在平原灌區,流失路徑則以淋溶以及地下水遷移為主的運移為主。此外,我國的土地所有制和種植習慣影響,在土地邊界起壟是非常普遍的現象,一方面作為土地所有者之間的分界,更重要的是地壟的存在是為了保水,極大地改變了地塊之間地表的水文和污染物的流失過程[16]。

1.3 農業種植系統復雜多樣

這主要是由各個地區的農業種植傳統、經濟發展水平、飲食生活習慣等也都各不相同。我國種植制度從南到北逐漸由一年三熟向一年一熟過渡,不同的熟制區又會有不同的主要作物類型和輪作方式,如水稻-小麥-蔬菜、小麥-油菜、小麥-玉米等。此外,我國廣泛推廣的間作套種等種植方式,導致其耕作、施肥、收獲等的方式既復雜又多樣化,對面源污染的貢獻也各不相同。加上農業發展程度和人口分布的不同,各地的人均耕地面積和種植規模也有很大差異,這就導致了不同的種植作物集約化的程度不同,有些以機械化為主,而有些則仍然需要以人力來進行農事管理。

2 我國面源污染模型相關研究及其問題總結

我國面源污染模型的相關研究的主要特征是起步較晚,以借鑒和應用國外的模型為主,同時也包含一些自主開發的模型。國外的面源污染模型中,SWAT和ECM兩個模型在我國應用最為廣泛。最初以模型直接應用為主,對太湖、滇池、三峽庫區以及密云水庫等面源污染嚴重地區進行污染負荷總量估算[17—20]、來源解析[21—22]、影響因素剖析[23—26]和治理措施效果評價[27—28]。隨著對模型的特點、不足和在應用中出現的適用性等問題的認識逐漸深入,不少學者開始關注模型的機理改進[29]、不確定性[30—31]、參數和輸入數據敏感性[32—34]、數據缺失[35—36]等方面開展研究,并將應用領域擴展為最優化管理措施的配置[28, 37]、未來氣候變化[38—39]、水功能區劃分[40]、城鎮化[27, 41]、景觀生態[42]等問題進行深入探索。除了這兩個模型之外,文獻中還出現了對其他的模型如AGNPS[43—44]、LTHIA[45]、PLOAD[46—47]、GWLF[48]、SWMM[41]、Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs(INVEST)[49]、HSPF[50]等面源污染模型的驗證和情景預測相關的應用與研究。在面源污染模型自主研發方面,模型構建的方式主要以統計[51—52]和指標體系構建[53—54]兩種方式為主。無論是借鑒國外的模型,還是依據我國的條件和數據進行面源污染模型的自主研發,目前都還存在一些共性的問題需要解決。這些問題主要包括:

2.1 模型的應用和驗證案例研究仍然非常有限

從不同面源污染模型相關文獻當中出現的校正和驗證周期都很短,這一現象反映出來面源污染研究所需的基礎數據缺乏。造成這種現象的原因包括政府相關部門數據不公開、監測網絡不夠健全、研究者之間數據不共享、研究力量分散、支持面源污染相關研究的研究項目周期較短等。在使用國外引進的基于物理機制的模型,往往都需要長期(3到5年左右)的觀測數據作為模型校正和驗證。對于自主開發的模型,同樣需要長期的數據支持才能夠更好地分析面源污染發生的規律。

2.2 模型應用中對我國面源污染特征結合不夠

直接應用國外的面源污染模型的局限性在于這些模型的發展機理大都是基于國外的農業環境條件進行開發的,無法直接應用于我國不同地區的面源污染相關過程。一方面是由于國內的面源污染模型相關教育和培訓嚴重不足,大多是拿來主義,對模型的基本原理、運行機制、預測能力等認識非常有限。盡管近些年來已有些改觀,開始有一些相關不確定性、模型機理改進等相關的研究,但是大多數學者對面源污染現象的系統性和模型所涉及的機理認識不足這一現象沒有實質性的改變,也就導致了部分研究中對模型的應用方法、情景的設置、模擬結果的解釋都存在提升空間。另一方面,當前的模型相關研究主要集中于內陸水體的面源污染,我國海岸線較長,入海河流較多,其面源污染問題對海洋環境的影響也需要引起重視,特別是面源污染所引起的富營養化等問題,對近海漁業和海洋生物的生長都有較大的負面作用,目前國內在這方面的相關研究還非常有限。

2.3 同面源污染發生機理研究的結合不夠

隨著我國學者對面源污染嚴重性的認識,相關的機理研究逐漸增多,但是機理研究和模型研究往往脫節,沒有能夠將機理研究的成果及時總結應用到模型當中去。這方面的主要原因是我國目前的科研評價體制重基礎輕應用。模型的開發與改進對科研人員包含對機理認識、數學、計算機等方面的綜合能力有較高的要求,同時也需要大量的時間投入,但無法產生足夠可量化的科研成果,導致這方面的研究進展非常緩慢,也導致了在現有文獻當中以直接應用模型為主,對模型的開發也往往淺嘗則止,開發出來的模型由于缺乏足夠的驗證,導致模型推廣的潛力低。

3 APEX模型介紹

APEX模型由美國農業部農業研究局于1980年代開發,主要是用于解決農場或者小流域尺度面源污染相關過程無法模擬的問題[55]。在APEX開發之前,在美國農業部農業研究局(United States Department of Agriculture, Agriculture Research Service, USDA-ARS)的模型開發工作中,主要以Environmental Policy Impact Climate(EPIC)和SWAT兩個模型為主。EPIC模型屬于田塊尺度的模型,主要用于模擬田塊尺度上的水文、土壤侵蝕、化學物質遷移轉換、作物生長、耕作管理等過程。在一個針對畜牧業和環境關系的國家先導項目(National Pilot Project for Livestock and the Environment)中,對不同有機肥管理情景在農場和小流域尺度上的模擬需求激發了在EPIC的基礎上進行APEX模型的開發。模型的開發思路是將EIPC模型的田塊模擬結果連接起來,以實現對農場上畜牧養殖的規模和養分管理措施、土地利用等因素在大農場或者小流域上對面源污染相關過程的影響評價。

APEX模型是用Fortran語言編寫的一套計算機程序,它包含了12個主要的模塊,包括氣象、水文、植物生長、管理措施、土壤侵蝕、碳氮循環、磷循環、農藥、土壤溫度、經濟核算、模擬單元間的匯流演算、水庫水塘模塊等。在運行過程中,一個農場或者小流域首先按照土壤、土地利用和地形條件劃分為水文響應單元。模型主要以日為計算步長(也可以進行次降雨的模擬),首先計算各個水文響應單元上各個模塊上水文過程、植物生長、土壤侵蝕、化學物質循環等狀態變化,然后將水文循環按照匯流路徑匯集到農場或者小流域出口,最后計算泥沙、化學物質等在運移過程中和出口的變化情況。在這些過程中,模型還可以加入管理措施、氣候條件等因素對各個狀態變化的影響。在模型構建時,需要輸入的數據包括氣象、土壤、土地利用、地形等數據。

3.1 氣象模塊

氣象是模型在計算各個過程時所需要的主要驅動力。模型運行需要的氣象參數包括降雨量、最高最低氣溫、風速、太陽輻射和相對濕度。以日為主要計算時間步長決定了日尺度的氣象輸入數據。如果用戶沒有所有的參數,則需要輸入月尺度各個參數常年統計值,包括各個氣象參數的平均值、標準差、偏斜系數等參數(詳見模型用戶手冊)。模型將通過內置的基于一階馬爾科夫鏈的算法將月尺度數據降維成日尺度數據。

3.2 水文模塊

該模塊主要基于水文平衡理論,包含了水循環中植被截留、地表徑流、入滲、土壤水分縱向和橫向運動、土壤蒸發、水庫、水、地下水、河道運移等所有重要的水文組分(圖1)。地表徑流的計算包含兩種方法:一種基于經驗的徑流系數法改進版本(Curve Number Method),另外一種是基于物理過程的Green Ampt法。對徑流系數法的改進主要是在模擬過程中,依據土壤水分狀況來確定每日土壤初損參數(soil retention parameter)。峰值流速則包含修正的推理公式法(Modified Rational Formula)和TR-55法(Technical Release No 55)。流域匯流時間的計算包括了地表、淺溝和溝道匯流三個階段的時間,主要都是基于曼寧公式進行計算。對于蒸散發量的計算,模型包括了Penman、Penman-Monteith、Priestley-Taylor、Hargreaves、Baier-Robertson等5個計算公式,這些公式的計算精確度、對數據的需求和適用的條件都有不同,用戶可以依據自己使用場景進行選擇。

圖1 APEX模型水文模塊示意圖

3.3 植物生長模塊

APEX模型的植物生長模塊是基于EPIC模型,也是一個在其他諸如SWAT等水文模型中常用的作物生長模塊。該模塊基于葉面積指數的變化和植物的光合效率,可用于模擬農作物、樹木和其它類型的植物,包括一年生和多年生。模型中也包含了超過150中常見植物的生長參數數據庫供用戶選擇。整個作物的生長是通過積溫來控制的。在計算過程當中會依據水分、溫度、空氣、養分和鋁毒五個方面的脅迫來確定每天實際生物量變化以及植物對氮磷養分的吸收量。并將累積的生物量分為地上和地下兩部分,用于產量估計。此外,模型還會計算植物的高度變化和豆科植物的固氮量。該模塊的一個特點是考慮了間作復種,每個水文響應單元允許多達10種作物同時生長,并以葉面積指數為主要因素來計算作物對光、熱和養分的相互競爭。

3.4 管理措施模塊

作為該模型的一個特色,它還包含了對畜禽養殖和有機肥管理的模擬。在每一個模擬單元中,都可以設置一個業主,每一個業主可以養殖10群以下的牲畜或家禽。模型中提供了包含豬、牛、雞、鴨等常見的畜禽種類,然而,每個模擬單元只允許有一群牲畜或者家禽。這些畜禽可以通過圈養或者散養的方式進行養殖。如果是散養放牧,用戶則可以設定放牧的頻率以及每年的固定放牧時間。對于有機肥的管理,圈養可以設置一個固定大小的蓄糞池,作為有機肥的施用來源,以液態或者固態有機肥的形式按用戶設定的頻率施用到指定水文響應單元中。

3.5 土壤侵蝕模塊

該模塊可模擬水力和風力侵蝕。水力侵蝕的計算主要是基于通用土壤流失方程及其變化版本,提供了包括通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE)、Onstad-Foster對USLE的修改版本、USLE的其他修改版本(包括Modified USLE,MUSLE Theoretical Version-MUST,MUSLE Small watershed version-MUSS,MUSLE using input coefficients-MUSI, Revised USLE, RUSLE),第二代RUSLE(RUSLE2)等在內的8個公式。各個公式中基本都包含了侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長因子、作物因子和控制措施因子。在進行水力侵蝕的計算時,用戶可以從8個公式中選擇一個來進行水力侵蝕量的計算。在進行水力侵蝕計算之外,如果用戶在管理措施中施用了有機肥,則會采用類似于水力侵蝕的公式進行有機肥的侵蝕量計算。風力侵蝕模塊采用的是風力侵蝕連續模擬(Wind Erosion Continuous Simulation, WECS)模型。該模型要求每天的風速分布來計算侵蝕驅動力。首先計算在光滑裸露土壤表面的最大風力侵蝕量,然后結合土壤屬性、地表粗糙度、地表覆蓋和模擬單元的長度來調整最大風力侵蝕量以獲得實際的風力侵蝕量。

3.6 碳氮循環模塊

該模塊是基于Century碳循環模型中的土壤有機質子模塊進行開發。碳氮循環的示意圖詳見圖2和圖3。在該土壤有機質子模塊中,土壤有機質分為包含快速分解的新鮮有機質庫、分解較慢的活性有機質庫和難以分解的惰性有機質庫,并模擬各個庫之間的相互轉化以及向環境中的流失。除此之外,模型還將依據有機質和無機碳氮之間轉化導致的土壤有機質含量的變化,每年對土壤容重進行調整。在氮循環中,模型還考慮了無機形態氮之間的轉化,為作物提供生長所需氮素。模型包含了完整的氮循環過程模擬,包括硝化、氨化、反硝化、被植物吸收利用等過程。當獲得土壤中有機和無機形態的碳氮含量之后,模型將結合水文、土壤侵蝕和作物生長模塊的計算結果來計算它們的流失量和吸收量。

圖2 APEX模型種的碳循環模塊示意圖

圖3 APEX模型種的氮循環模塊示意圖

3.7 磷循環模塊

該模塊是基于受降雨碳氮礦化速率限制的干旱區草地產量模型(Production of Arid Pastures Limited by Rainfall and Nitrogen mineralization model, PAPRAN)進行開發,其示意圖見圖4。在該子模塊中,土壤有機質分為兩個庫,一部分是新鮮有機質庫,包括植物殘差和微生物,另一部分是惰性有機質庫,主要有土壤腐殖質組成。模型首先依據不同的分解速率、新鮮有機物中有機態磷的含量以及同碳氮循環中提到的土壤環境控制因子來計算這兩個部分到快速磷酸鹽的礦化速率。而對于無機態磷,模型考慮三種形態,快速磷酸鹽、慢性磷酸鹽和穩定磷酸鹽,以及它們之間的相互轉化。在獲得穩定的土壤有機和無機態磷含量之后,土壤中的磷主要通過被作物吸收、隨土壤侵蝕、隨地表徑流但中途經被移除。

圖4 APEX模型中的磷循環模塊示意圖

3.8 農藥模塊

該模塊是基于農業管理對地下水流失效應模型(Groundwater loading effects of agricultural Management System, GLEAMS)中的農藥模塊進行開發的,其示意圖詳見圖5。首先,農藥通過葉面施用或根系施用兩種方式來施用。使用葉面施肥方式施用的農藥由于施用效率的不同,一部分在施用過程中便損失到空氣中,另一部分將留在植物葉面或者透過植被直接施用到地表,透過植被直接到達地表部分的量由植物的葉面積指數決定。留在植物葉面的部分在降雨時也會被沖刷到地面。在計算各個部分的量之間的變化之后,計算在土壤中隨土壤水運動的濃度,最終分別計算進入隨縱向流向下進入地下水的流失量和隨橫向流進入河道的流失量。

圖5 APEX模型中的殺蟲劑子模塊示意圖

3.9 土壤溫度模塊

在模型中,對涉及微生物過程的土壤有機質的硝化和氨化過程、融雪過程、以及植物根系生長過程的模擬都受到土壤溫度的影響,因此模型包含了對土壤溫度的計算模塊。在該模塊中,對每一層土壤溫度的計算主要考慮了土壤深度、前一天土壤溫度、區域多年平均溫度、地表溫度和阻尼深度等的影響。其中,對地表溫度的計算考慮了地表空氣溫度、地表覆蓋(枯落物或者積雪)兩方面的影響。每一層的阻尼深度受到土壤容重和水分含量的影響。

3.10 匯流模塊

該模塊主要模擬各個模擬單元模擬結果中包含的徑流、泥沙和養分等在河道中的運移直到農場或者小流域出口的過程。每個模擬單元被假設包含兩條虛擬河道,一條為集流河道,另一條為匯流河道。當集流河道長度等于匯流河道長度時,該模擬單元被認定為集流單元,即該模擬單元沒有上游模擬單元來水；當集水河道長度不等于匯流河道長度時,該模擬單元將被定為匯流單元,即該模擬單元除了獲得自身的徑流之外,還將獲得從上游模擬單元匯集而來的徑流(圖6)。在匯流演算中,首先計算各個河道中的流量和流速。如果流量過大超過了河道容量,河道徑流將溢出,形成河漫灘,并計算河漫灘的徑流流量和流速。模型提供了基于日徑流量進行的匯流演算和基于小時尺度的洪水過程匯流演算兩種方法來進行河道和河漫灘的匯流演算。在河道徑流匯流演算的基礎上,進行泥沙、氮、磷和農藥的運移過程。泥沙的運移采用拜格諾德公式,依據流量大小、不同粒徑的泥沙濃度和徑流挾沙力進行計算。如果泥沙濃度小于挾沙力,模型將考慮河岸侵蝕,反之則產生河道沉積。對于有機態氮磷的運移,模型采用富集比例(Enrichment Ratio)計算,即河道入流泥沙平均粒徑分布同出流泥沙平均粒徑分布的比值。模型中暫不包含對污染物在河道中的轉化過程的模擬。

圖6 APEX模型匯流模塊示意圖

3.11 收支核算模塊

該模塊的主要功能是核算作物種植過程中的資金成本和農產品賣出獲得的收入,供用戶進行效益預估和風險評價。模型將成本分為隨產量變動成本和不隨產量變動成本兩個種類。成本核算從模擬開始到作物收獲為一個周期,收獲之后的耕作成本算入下一個核算周期。收入核算通過農產品產量和價格的乘積來計算。在模擬過程中,模型將對每一種作物種植過程中的每一個管理措施所涉及的成本和收入進行核算。該核算模塊的價值在于通過同作物生長過程狀況和對養分需求模擬的結合,來系統的分析農業政策、氣候變化、市場變動、管理措施和土壤肥力狀況等方面對農業生產的影響。

近年來珠寶首飾價格輪番上漲，琥珀價格也水漲船高，各式各樣的檢測樣品也隨之而來，實驗室也面臨前所未有琥珀檢測大挑戰。琥珀是由松科類或豆科類等植物的樹脂滴落積聚后經地質作用掩埋于地下，經過漫長的地質年代逐漸石化而成。受到地質作用（地質年代、地質環境、產出樹脂的樹種不同）的影響，石化程度不同，琥珀產地鑒定非常困難。通過對不同產地琥珀檢測的情況歸納總結，找出琥珀不同紅外吸收峰特性進行歸納。

3.12 水庫模塊

該模塊主要通過物質平衡的方式模擬水庫的水量、泥沙含量、氮磷養分和農藥含量的變化。在模型中,用戶可以在任何一個模擬單元設置水庫,并可以為每個水庫設置主要和緊急溢洪道。水庫的水量變化主要包括庫容、入流流量、庫區降雨量、水面蒸發量、滲漏速率和出口流量的變化。水庫中泥沙含量的變化則由庫水泥沙含量、庫容變化量、入庫泥沙量、出庫泥沙量、泥沙沉積量的變化決定。水庫中的氮磷養分和農藥含量的變化是依據入庫和出庫水量和泥沙量的變化、氮磷養分和農藥的濃度分別計算的。

4 APEX模型相關研究及其應用簡述

APEX模型最初開發的目的是為了滿足美國關注于畜牧業和環境關系的國家先導項目中對畜牧養殖帶來的水質和其他環境問題進行評價。Gassman等[55]關于APEX模型的綜述中對該項目以及APEX在項目中的應用進行了詳細的介紹,并對APEX模型在不同的田塊、小流域甚至中尺度的流域進行的驗證和應用進行了評述。自發布之日起,模型的開發者就對不斷地進行改進和驗證,主要的改進里程碑包括增加自動管理畜牧養殖區域的有機肥管理模塊以提高模型在區域放牧模擬的適應性、對美國中西部普遍存在的埋管排水現象的模擬驗證、對水庫和林地水文過程的模塊進行改進、加入Century模型的碳循環模塊、完善河道匯流模塊、以及對模型性能的提升來增加對包含多個子流域的區域模擬等。

在已發表文獻中出現的同APEX模型相關的研究可以分為如下幾類:對APEX發展歷史進行總結的綜述性文章[55]、模型界面開發的文章[56—58]、模型理論的改進[59—61]、模型的參數最優化技術[9, 62]和敏感性分析技術[63—64]、以及模型在不同場景的驗證和應用案例[65—69]等幾個方面。近20年來,隨著APEX的不斷發展完善和在不同場景下的應用驗證,其功能、易用性、模擬經度等都得到了大幅度的提升并被應用于養殖場[65]、水稻田[70]、林地[71]等多種景觀類型上進行BMP措施、氣候變化等對農業面源污染的影響評價方面。目前,APEX模型最廣泛的應用是在美國農業部的保護性耕作效果評估項目(Conservation Effect Assessment Project,CEAP)中,對農業部廣泛推行的多種BMP措施效果進行評估,并同SWAT模型一起構成了該項目評價的主要工具。

5 APEX模型在中國面源污染問題的應用前景分析

APEX模型機理介紹和應用研究綜述表明,該模型包含了面源污染主要過程,并且在面源污染研究所涉及的總量估算、路徑分析、治理措施等問題都有充足的應用和驗證。更重要的是,該模型在結合我國面源污染特征方面有先天的優勢。除了包含其他諸如SWAT、HSPF和AnnAGNPS等都有的可以同時模擬點源面源污染之外,還包含有一些其他模型所不具備的特點。主要體現在以下幾個方面:

5.1 模擬單元設置靈活

模型對于研究區的分解方式是將單個的田塊或者子流域通過匯流模塊連接起來構成一個大農場或者小流域,這是由于APEX是在田塊尺度的EPIC模型基礎上耦合河道匯流模塊而形成。這使得該模型除了可以被應用于基于DEM確定的小流域集水單元,也可以被應用于大型農場,甚至由人工排水溝連接的小田塊組成的田塊群。

5.2 對畜禽養殖和有機肥管理的模擬

我國面源污染中一個重要的來源就是畜禽養殖,而對畜禽養殖場的模擬是APEX模型在開發初期重點要解決的問題[65, 72]。模型包含了對養殖場規模、畜禽數量、養分處理和利用方式、有機肥施用和侵蝕等的計算,可以有效地對畜禽養殖產生的面源污染物進行溯源、總量計算、以及不同管理措施進行模擬。需要指出的一點是,該模塊基于美國的畜禽養殖方式進行開發,在應用于我國的畜禽養殖模擬時需要驗證,必要時需要進行模塊功能擴展以適應我國畜禽養殖模式的模擬。

5.3 模擬復雜的耕作系統

APEX模型中的作物生長模塊包含了對不同作物對光和水資源的競爭、耕作方式等的模擬,并且允許同一個模擬單元同時生長10種植物,這可以很好地對我國廣泛存在的間作套種和不同熟制區的輪作制度進行模擬。

5.4 對BMP的模擬

模型中對BMP的模擬大多數是可以基于物理過程而不是簡單的消減系數進行設置,并包含了對多種常見的結構性、非結構性和管理性BMP的模擬功能。文獻中應用APEX模型對多種BMP的效果進行評價[73—76]。

5.5 對水稻田的模擬

APEX模型的耕作措施模擬中包含了對水稻田蓄水和排水等措施的模擬,用戶可以依據實際的田塊管理實際按照日期或者積溫對水稻田的蓄水和排水進行設置,用于模擬水稻的生長。

除了上述模型機理方面的優勢,APEX模型的跨平臺運行(Windows和Linux操作系統平臺)、計算效率高、容易擴展等特點[77]也為該模型適用于大面積的模擬提供了便利。目前,由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主導開發的生態模型云平臺(http://159.226.240.209/rceesecomodelcloud.html),已經將APEX模型的構建和運行包含進來。該平臺共包含運行APEX模型的線上和線下兩個版本,線上版本包含了中國內陸地區構建模型所需的土壤、土地利用、DEM和氣象等數據庫,用戶可以直接通過網頁瀏覽器進行模型的構建和結果預覽。線下版本則為用戶定制模型構建提供了更多的選項。通過該平臺,用戶可以快速的進行模型構建和運行,大大簡化了模型構建的學習時間,為后續的模型應用、機理改進和進一步開發提供了很好的基礎。

6 APEX模型需要改進的方面

正如第3部分所說,當前我國面源污染模型相關的研究還存在諸多問題,APEX模型雖然有很好的基礎,但是仍然有很多方面需要繼續進行深入研究。下面針對我國面源污染模型的需要對APEX模型都要改進的方面進行闡述。

6.1 理論驗證和擴展

無論是APEX,還是其他基于國外條件開發的模型,其理論基礎在中國都存在一定的“水土不服”。這首先體現在作為模型中面源污染發生主要驅動力的水文過程的適用性。目前常用水文模型中關于徑流產生的模擬主要是通過美國農業部土壤保持服務中心(現自然資源保護服務中心)開發的徑流曲線法(Curve Number Method)和Green-Ampt方法。徑流曲線數方法主要描述蓄滿產流機制。Green-Ampt方法則是物理過程模型,所模擬的產流機制由土壤入滲速率決定。在應用過程中,由于各地土壤和地理條件的差別,對于兩種方法所依賴的主要參數和方程的形式可能存在很大的不確定性[78]。目前大家主要是通過使用一些自動參數校驗工具進行參數校正和驗證的方式來確定模型的適用性。這種方式所確定的參數不一定符合研究區域的實際情況,使得模型模擬的結果雖然跟觀測值在統計值和線圖上擬合較好,但是實際的水文循環組分的構成、氮循環過程等有可能并不符合實際情況。

因此,模型研究要結合土壤水文的理論和實驗研究,依據我國各個地方實際的土壤和土地利用狀況下決定的降雨和徑流之間的關系,從機理上對模型采用的公式進行驗證,而不僅僅是參數校驗。除了地表徑流的計算之外,其他的相關理論包括土壤侵蝕預測公式、碳氮磷循環相關的公式、以及中國特有的一些BMP的設置和效果,都應當根據特定過程依據數據和相關領域專家的意見(又稱“軟數據”)對模擬結果進行校正和驗證。在現有的文獻當中,無論是通過自研還是對SWAT等基于國外的模型,已有一些文獻開始對模型機理開始關注。

對于APEX來講,也面臨同樣的問題。APEX的一個優勢是在模型設計中,對于不同的過程通常都提供較多的選項,比如對潛在蒸散量的模擬就包含了常見5個公式,為模型理論的驗證提供了很多的便利。在后續的研究中,我們將針對我國面源污染的特征,尋找土壤、水文、養分循環等方面的同行合作,對APEX模型的理論基礎進行全面的驗證和改進,使其更加適合對我國面源污染的模擬。

6.2 模型應用推廣

一個模型的成功推廣和應用取決于四個方面,模型的理論合理性、模擬結果的準確性、模型參數敏感性和模型的操作易用性。就APEX模型來講,其理論方面相比其他模型具有一定優勢,主要是由于Jimmy R.Williams博士一直專門從事EPIC和APEX模型的開發工作,為模型的理論框架和更新做出了大量的努力。在模擬結果準確性方面,同SWAT模型相比,APEX模型雖然在全世界的驗證方面有些不足,但是在美國也已經有非常多的驗證,對模型的準確性有足夠的支撐。模型參數的敏感性主要是指模型應該包含面源污染各個過程相對全面的影響因素,而這些影響因素是在相應公式中的參數中體現出來。從參數敏感性角度來講,模型模擬結果對同影響較大的因素相關的參數敏感性大,而對同影響較小的因素相關的參數敏感性小。APEX模型中包含超過150個參數,不同過程敏感性較大的參數在20個左右,其余的參數敏感性相對較小。

操作易用性則要求模型的模型支持文檔、用戶界面、數據要求和準備、模型結果處理等都要便于用戶理解和應用模型。在這一點上,目前APEX顯得相對不足。盡管已經翻譯出版了APEX模型用戶手冊和理論手冊[79—80],但用戶手冊和理論手冊的編寫易讀性不足。用戶界面目前主要包含ArcAPEX[56],但到ArcGIS10.3版本之后不再更新,并且在軟件安裝和運行過程當中,經常出現問題,也缺少相應的技術團隊來支持,在近年來ArcGIS不斷更新的情況下,非常不利于APEX模型的推廣應用。在數據要求和準備方面,通過多年的積累,我國的面源污染相關的研究人員已經有一定的數據量來支持特定區域的模型構建和驗證[81—84],然而,進行全國的模型模擬和驗證仍然存在一定的困難。在網絡版模型開發方面,目前我們已經在生態模型云平臺上開發了基于python語言的pyapex軟件,軟件的用戶界面也在不斷完善,并且提供了包含在中國內陸地區構建模型所需要的完整數據庫。然而,對于模型的驗證,仍需要大量的工作。

7 結論

我國的面源污染問題仍然很嚴重,這是在保證我國糧食和生態安全進程中必須要解決的關鍵問題之一。然而,由于我國的社會、經濟和自然環境的多樣性和復雜性,決定了面源污染問題的解決是一個需要考慮多種因素和多個過程的系統工程,對該問題的研究也離不開面源污染模型的開發與應用。目前,我國面源污染模型的研究以借鑒和應用國外的模型為主,同時也包含一些自主開發的模型,雖然開展很多的工作,但也存在模型驗證不足、模型對我國面源污染特征針對性不強和與機理研究結合不夠深入等問題。APEX模型作為一個正在被廣泛應用的模型,其靈活的模擬單元設置、針對面源污染的多元性和種植制度的復雜性的模擬能力,使得該模型在我國面源污染問題研究中具有較好的應用和發展前景。本文通過對APEX模型的模塊和應用驗證歷史的詳細分析,提出了為了提高該模型在我國的適用性所需要進行機理改進和應用推廣需求,以期能夠推動我國面源污染模型的發展。