（环境工程专业论文）基于gis杭嘉湖地区农田氮磷径流流失研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 杭嘉湖平原水网作为浙江省最大的产粮区，随着工业化、城市化和农业现代 化的发展，水环境日益恶化，其中农田面源污染是其主要的污染源，大量化肥流 失及其对环境的影响日益严重并受到人们的关注。因此，开展杭嘉湖地区农田氮 磷流失及其影响因素的研究，科学估算氮磷流失负荷，对制定科学合理的水肥管 理制度、提高粮食作物产量、保护农业水环境都具有十分重要的意义。 本研究针对杭嘉湖地区典型稻早轮作模式，对淹水稻季和旱作油菜种植 期分别进行了氮磷径流流失负荷估算。对于淹水稻季，利用实测数据、定点观测 和面上调查等方式，来获取其流失模型及参数和化肥施用资料，同时结合已搜集 基础地理数据，在g i s 环境中对其进行估算：对于油菜旱季，利用已掌握的数 据，参考相仿区域的研究成果，分别采用两种不同的方法估算流失负荷。 关于淹水稻田径流量的估算，本研究通过定点记录天然降雨所产径流的试 验，对已有长三角地区的修正s c s 模型进行验证，发现经过扣除排水堰因素影 响之后，该模型基本符合实际产流情况，误差在1 9 9 一1 8 0 之间：而对于油菜 田产流情况，通过对比和实测，发现已有的修正s c s 模型和实际情况出入较大， 为此进行了人工模拟降雨实验，对s c s 模型参数进行了重新率定，并用实测数 据进行检验，发现当l a = 1 2 8 r a m = 0 2s ：c n = 8 0 时，该模型能较好地模拟实际产 流过程。 根据大田试验结果，径流中各形态氮和降雨强度及施肥量呈明显的相关关 系，其中总氮径流浓度和降雨强度、施肥两者的相关关系可以用 y = 0 4 8 3 x l + o 0 2 9 7 9 x 2 1 0 4 3 3 表示，式中y 为总氮径流浓度( m g 1 ) ，x 1 为降雨强度 ( m m ) ，x 2 为施氮量( k gn b i n 2 ) ，此模型的相关系数r 为0 9 4 8 ，此方程作为氮素 输出模型。 根据氮素输出模型和降雨径流模型，利用已搜集的施氮和降雨资料，通过 g i s 技术对淹水稻季的氮素径流流失负荷进行估算，结果表明，杭嘉湖地区淹水 稻f ；f ；l 氮素径流流失负荷较大，平均为3 5 2 6 虹n l m a 2 ，约占当季水稻施肥量的 1 2 6 9 ，流失现象较为严重。靠近西部山区的水田氮索径流流失负荷明显高于东 部平原地区，其中安吉的流失负荷最高，为4 8 4 l k gn l u n 2 ；而在东部平原水网 地区，海宁的流失负荷高于海盐、平湖等沿海地区；而巾北部地区流失负荷明显 浙江大学硕士学位论文 小于其它地区。流失率的空间变化趋势和流失负荷基本一致，西部地区明显高于 东部地区。 对于油菜旱田氮素径流流失负荷的估算分别采用两种方法：基于产流量和 平均浓度；基于通用土壤流失方程0 - j s l e ) 和土壤养分含量。方法结果表明， 整个杭嘉湖平原地区油菜季氮、磷平均径流流失负荷为1 2 9 7k gn h r n 2 、1 8 7k g p h m 2 ；嘉兴地区油菜田氮、磷平均径流流失负荷为1 2 4 8k gn h m 2 、1 8 0k g p h m 2 ；方法结果表明，嘉兴地区油菜田土壤、氮、磷的平均流失负荷分别为 8 3 6 2 2k g h m 2 、7 6 9 k g n h m 2 、1 5 0 k g p h m 2 。由此可以看出，方法结果要明 显小于方法，不过磷素的差异要小于氨素。两种方法关于磷素的计算结果表明， u s l e 方程可以用于嘉兴地区土壤流失及磷素径流流失的计算。 对比水早农田氮素的径流流失负荷，可知淹水稻季要高于旱季油菜田，这跟 稻季降雨强度大、降雨量大以及土壤水分含量高易产流等有着密切的关系。 关键词：氮磷，径流，流失负荷，淹水稻田，油菜田，s c s ，u s l e ，杭嘉湖地 区 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h el a r g e s tb r e a db a s k e ti nz h e j i a n gp r o v i n c e ，h a n g j i a h up l a i ni sf a c i n g m o r ea n dm o r es e r i o u sw a t e rp o l l u t i o np r o b l e mw h i c hi s m a i n l y c a u s e db y a 鲥c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n r e s e a r c ho nn ，pl o s sf r o mf a r m l a n da n di t s i n f l u e n tf a c t o r sa r ev e r ym e a n i n g f u lb o t hf o rt h ei n c r e a s eo fc r o py i e l da n d i m p r o v e m e n to fw a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no f h a n g j i a h up l a i n ，t h i sp a p e rf o c u s e so nr u n o f fl o s sl o a dr a t h e rt h a no t h e rl o s sw a y so f n ，p l i k el e a c h i n g ，l a t e r a ls e e p a g e ，a n ds oo n t h ep a p e re s t i m a t e st h enr u n o f fl o s sl o a df r o ms u b m e r s e dp a d d yf i e l da n dd r y c o l ef i e l d r e s p e c t i v e l y , b e c a u s et h ef a r m l a n d i nh a n g j i a h np l a i np r a c t i c e sc r o p r o t a t i o no fr i c ea n dc o l e f o rs u b m e r s e dp a d d yf i e l d ，f i e l de x p e r i m e n t ，p o i n t i n g o b s e r v a t i o n ，a n dr e g i o n a ls u r v e yw e r ec a r r i e do u tt os i m u l a t et h el o s sr u l eo fn i n r u n o f fa n dc o l l e c tu s e f u lnf e r t i l i z e rm a t e r i a l s a n df o rt h ed r yc o l ef i e l d ，a v a i l a b l e r e s u l t si ns i m i l a rp l a c et oh a n g j i a h up l a i nf r o mo t h e rr e s e a r c h e r sw e r ec i t e d i m m e d i a t e l yt oe s t i m a t et h el o s sl o a d ，b e c a u s eo ft h el a c ko fa c t u a lm e a s u r e m e n t i n t h ee n d ，b o t hp a d d ya n dc o l ef i e l d sl o s sl o a dw e r ec a l c u l a t e di ng i se n v i r o n m e n t b a s e do nb a s i cg e o g r a p h i c a ld a t a i nt h i sp a p e r , s c sm o d e lw a su s e dt oc a l c u l a t et h er u n o f fv o l u m eb o t hi n s u b m e r s e da n dd r yp e r i o d s f o rs u b m e r s e dp a d d yf i e l d ，t h ep a r a m e t e r si nt h em o d e l a r et h es a m et oh ebg sr e s e a r c ha f t e rc o n s i d e r i n gt h ef i e l do v e r f l o wm o u t h a n df o r d r yc o l ef i e l d p a r a m e t e r sw e r em o d i f i e dl i k et h i s ：a 2 1 2 8 m m 2 0 2 s ：c n = 8 0 p o i n t i n go b s e r v a t i o na n dr a i n f a l ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w e dt h et w on e wm o d e l s b a s i c a l l ya c c o r d e dw i t hf a c tw i t he r r o r so f 一1 9 9 - + 1 8 o f o r p a d d yf i e l da n d5 f o r c o l ef i e l d a c c o r d i n gt o t h ef i e l de x p e r i m e n t ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft n ，n h 4 + _ n ，a n d n 0 3 - _ nw e r ea l ls t r o n g l yr e l a t e dw i t hr a i n f a l li n t e n s i t ya n da p p l i e dn f e r t i l i z e r a m o u n t t h e r e b y , t h er e l a t i o na m o n gt n ，r a i n f a l li n t e n s i t ya n dna m o u n tc o u l db e e x p r e s s e da sy = 0 4 8 3 x 1 + 0 0 2 9 7 9 x 2 1 0 4 3 3 ，w h i c hh a sac o e f f i c i e n t ( r ) o f0 9 4 8 i n t h ef o r m u l a ，弘x i ，x 2m e a n sc o n c e n t r a t i o n ( r a g 1 ) ，r a i n f a l li n t e n s i t y ( m m ) ，a n da p p l i e d na m o u n tr e s p e c t i v e l y t h i sf o r m u l aw a su s e da st h ep o l l u t i o n ( v oe x p o rm o d e l i i i 浙江大学硕士学位论文 b a s e do nn e ws c sa n dn e x p o r tm o d e l s ，a n dt h ec o l l e c t e dm a t e r i a l s ，t h en r u n o f fl o s sl o a df r o ms u b m e r s e dp a d d yf i e l dw a se s t i m a t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h ea v e r a g enl o s sl o a d i n gr e a c h e d3 5 2 6 k gn h m 2 ，a c c o u n t i n gf o r1 2 6 9 o ft h e a p p l i e dna m o u n t ，a n dw a sa l s od i f f e r e n tf r o mp l a c et op l a c e t h el o s sl o a di nw e s t r e g i o nw a so b v i o u s l yh i 曲e rt h a ne a s ta n dn o a hr e g i o n ，a n da n j ic o u n t yi nw e s t ， w h i c hh a sal o s sl o a do f 4 8 4 1k gn h m 2 ，i st h em o s ts e r o u sr e g i o ni nh a n g j i a h up l a i n t h ed i s t r i b u t i o no f l o s sr a t ew a ss i m i l a rt ot h ei o s sl o a d t h ep a p e ru s e dt w od i f f e r e n tm e t h o d st oc a l c u l a t et h en pr u n o f fl o s sl o a d f r o md r yc o l ef i e l d ；o n ew a sb a s e do nr u n o f fv o l u m ea n da v e r a g ec o n c e n t r a t i o n ，a n d t h eo t h e rw a sb a s e do nu s l ea n dn u t r i e n t si ns o i l m e t h o do n es h o w e dt h a tt h e a v e r a g el o s sl o a do f n ，pw a s1 2 9 7 k gn h m 2 ，1 8 7k gp h r n 2i nh a n g j i a h up l a i na n d 1 2 4 8 k gn h m 2 ，1 ，8 0 k gp h m 2i nj i a x i n gr e g i o n ，m e t h o dt w os h o w e dt h a tt h ea v e r a g e l o s sl o a do fs o i l ，na n dpw a s8 3 6 2 2 k g h m 2 ，7 6 9 k gn h m 2 ，1 5 0 k gp h m 2i nj i a x i n g r e g i o n c o m p a r i n gt h er e s u l t so f t h e s et w om e t h o d s ，t h el o s sl o a db o t ho f n a n dpb y m e t h o dt w ow e r el o w e rt h a nm e t h o do n e ，a n dt h eg a po fpb e t w e e nm e t h o do n ea n d t w oi ss i l l a l l ，w h i c hm e a n su s l ea n db eu s e di nt h er e s e a r c ho fpr n n o f fl o s s1 0 a di n h a n g j i a h up l a i nd r yf a r m l a n d t h enr u n o f fl o s sl o a df r o ms u b m e r s e dp a d d yf i e l dw a so b v i o u s l yh i g h e rt h a n d r yc o l ef i e l d ，w h i c hw a sp r o b a b l yr e l a t e dw i t ht h es t r o n gr a i n f a l la n dh i g hw a t e r c a p a c i t yi ns o l l i nr i c es e a s o n k e yw o r d s ：n i t r o g e n ，p h o s p h o r u s ，r u n o i f , l o s sl o a d ，s u b m e r s e dp a d d yf i e l d ， c o l ef i e l d ，s c s ，u s l e ，h a n g j i a h up l a i n v 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 人类活动导致的水体加速富营养化现象是当今世界水污染的一个特殊难题， 已成为世人关注的主要环境问题之一，为解决这一难题，各国都在控制营养物质 的来源( 主要是氮磷) 上投入了大量的人财物力。大量的研究结果表明，农业非点 源氮磷污染对水环境的恶化有着十分显著的贡献，富营养化现象的发生与农田土 壤的氮、磷素流失有着密切的关系。在我国，农业非点源氮磷大量流失的一个重 要方面是由化肥的过量施用及不合理的水肥管理方式导致肥料的利用率不高引 起的。 杭嘉湖地区是浙江省最大的产粮区，水网密布，但随着工业化、城市化和农 业现代化的发展，水环境质量日益恶化。在工业点源污染得到基本控制的同时， 该地区农业面源污染问题普遍比较突出，除中小规模的各种养殖废弃物和农村分 散的生活污水的排放原因外，农田化肥流失及其对环境的影响日益严重并受到人 们的关注。据浙江省农业农村污染调查表明，杭嘉湖地区的化肥施用量为平均每 公顷4 4 3 2 6 公斤，高于3 7 5 公斤公顷的全国水平，按照氮素利用率的数据计算 得到的纯氮的流失量4 9 7 5 万吨年，平均流失率2 3 。在降雨条件下大量氮磷 肥特别容易通过降雨径流和渗滤淋溶作用损失，污染地表和浅层地下水。化肥的 不合理施用及氮磷的大量流失不仅在经济上造成巨大损失，还对水体环境构成了 很大的危害。 然而这种估计缺乏一定的科学性，氮磷流失不仅有多种途径，包括径流、淋 失以及气态损失等，而且影响因素也非常复杂，施肥、降雨、土壤性质、耕作方 式等，这些因素在空间上都存在分异性，导致各个地方的流失情况都大不相同。 因此在考虑空间分异性的前提下，开展杭嘉湖地区农田氮磷流失及其影响因素的 研究，科学估算氮磷流失负荷，对制定科学合理的水肥管理制度、提高粮食作物 产量、保护和改善水网平原的水环境都具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 农业非点源污染概述 非点源污染，是相对点源而言，一般被理解为它是由一种分散的污染源造成 浙江大学硕士学位论文 的，其污染物来自大范围或大面积。- 9 点源污染相比，它具有许多显著不同的特 点，对此不少文献都有所描述( n o v o t n y , e ta l ，1 9 8 1 ；b a o ，e ta l ，1 9 9 7 ；贺缠生等， 1 9 9 8 ) 。它的主要特征可概括为：发生上具有随机性，排放途径及排放污染物具 有不确定性，污染负荷的时空差异性大。这些特点给非点源污染的研究和治理工 作带来许多困难。在非点源污染引起的各种水环境问题中，不同的地区起主导作 用的污染源类型不同。根据产生污染物的非点源污染体的不同，可分为农业非点 源污染，采矿引起的非点源污染，城市非点源污染，施工引起的非点源污染，林 业活动引起的非点源污染及其它类型的非点源污染。从给水质带来污染的普遍性 来看，农业非点源污染是最普遍的非点源污染，因而受到了普遍关注，各国纷纷 开展了对农业非点源污染的研究和控制工作。 农业非点源污染主要是指农业生产活动中，农田中的土粒、氮素、磷、农药 及其它有机或无机污染物质，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、农田排 水和地下渗漏，使大量污染物质进入水体，造成了污染。由于农业生产活动的多 样性，实践中的农业非点源污染包括土壤侵蚀、农田化肥农药的流失、农村家畜 粪便与垃圾的冲失、草牧场的家畜生产、农田污水灌溉排水等。 农业非点源污染会给水体环境造成的影响是多方面的。氮磷等营养元素、农 药、重金属及有机、无机污染物、盐类、病原菌等，通过地表径流和淋失，造成 水环境污染，致使很多地表水或地下水源各种污染物质含量超标，水质恶化。 非点源污染是富营养化的重要因素之一，据统计我国7 5 的湖泊、5 3 的近 海海域遭受污染，水体蓝藻爆发和赤潮发生频率日益增加；我国五大湖中，巢湖 已进入富营养化阶段，太湖和洪泽湖正向富营养化阶段过渡，鄱阳湖已趋于中营 养化阶段，洞庭湖也向中营养化阶段发展。滇池更是富营养化的典型水体。就连 被誉为“天下第一秀水”的千岛湖也在9 7 、9 8 年后发生蓝藻爆发。据对太湖污染 源的调查，来自农村非点源的总氮排放量达2 7 6 7 9 4 t ，占该地区总氮排放量的 3 6 1 ( 张从，2 0 0 1 ) 。在云南滇池的氮、磷污染中，来自农田地表径流的氮、磷 分别占总量的5 3 和4 2 ，造成严重的非点源污染。 来自肥料和农药的氮、磷、钾及其化合物以及各种重金属元素，由于溶解度 低，活动性差，因而在土壤和非饱和带中逐渐积累，成为地下水的潜在威胁。而 大量的土壤中氮的淋失和下渗，使地下水中硝态氮含量严重超标。近几年来，许 2 浙扛大学硕士学位论文 多地区地下水和地表水体不同程度地受到了硝酸盐污染的问题，硝酸盐在水体中 容易转化为致癌物亚硝胺的前体物质亚硝酸盐，人体长期摄入还极易引起高铁血 红蛋白血症( m e t h e m o g l o b i n e m a ) ，威胁人类健康( c h e r t ，e ta l ，2 0 0 3 ；王超，1 9 9 7 ；马 立珊，1 9 8 8 ) 。另外，灌区农药的大量使用也使其随水迁移到地下水的危险增大。 据统计我国5 0 的地下水被污染，4 0 的水源水已不能饮用。苏、浙、沪二省一 市1 6 个县内饮用井水硝态氮和亚硝态氮的超标率已达3 8 2 和5 7 9 。 另外，由于水土流失，大量泥沙进入水体，一方面河床、湖泊水面升高，降 低了水体的容纳水量。同时由于径流携带的大量泥沙及其有害物质，将会对水体 的水质产生严重的影响，破坏水生生物的生存环境。在我国，由于水土流失导致 湖泊面积缩小的例子不胜枚举，如洞庭湖、太湖、白洋淀和青海湖等，由于水体 面积和体积的减小，大大降低了水体防洪、自调节和抗旱的能力，改变了水生生 物的生存环境( 张从，2 0 0 1 ；朱铁群，2 0 0 0 ) 。 1 2 2 农田氮磷流失研究 农田尺度氮、磷等营养物质的流失研究是农业非点源污染关注的主要焦点之 1 2 2 1 氮素流失研究 氮素流失形态主要是n h 4 + n 和n o s - - n 。n h 4 + 的迁移主要机理是扩散，朱兆 良等( 1 9 9 2 ) 对不同扩散时间、不同距离n h 4 + 浓度变化的数据进行处理，结 果表明n h 4 h c 0 3 粒肥施入土体中，其离子呈球形扩散。n n o s - - n 主要以质流方 式迁移。因土壤带负电荷，对n 0 3 - - n 的吸附甚微，故n 0 3 易遭受雨水或灌溉水淋 洗而进入地下水或通过径流、侵蚀等汇入地表水中，造成水体污染。而土壤颗粒 和土壤胶体对n h 。+ 具有很强的吸附作用，使得大部分可交换态铵得以保存在土 壤中，但在特定的条件下，也可能存在质流或在土壤剖面中随水下渗而迁移。 氮素的流失途径主要有3 种，一是通过淋失进入地下水体，二是通过地表径 流或排水的方式进入地表水体，还有就是以n 2 或n i t 3 等形态挥发到大气中，最 后通过酸沉降又回到地面。 径流流失中一部分氮是溶解于径流的矿质氮，另一部分则是吸附于泥沙颗粒 表面的无机和有机态氮。彭琳等( 1 9 9 4 ) 在陕西安塞径流区的观测表明，因水土 流失而损失的氮为9 1 9 k g ( h m z a 1 ，其中以土壤颗粒氮占流失总量的9 5 以上， 浙江大学硕士学位论文 于兴修等( 2 0 0 2 ) 通过模拟天然降雨试验，发现径流中氮的流失以颗粒氮为主， 有效态氮中以硝态氮和氨态氨为主。而另有研究表明，施肥后如遇暴雨，以水溶 态形式流失的氮可占总流失氮的5 0 - - - 6 0 ( 黄丽等，1 9 9 9 ) 。s m i t h 等( 2 0 0 1 ) 将 有机肥施于耕地以研究氮素的径流，发现施牛粪浆增加了土壤固体颗粒与 n h 4 + - n 在地表水中的流失，而对n 0 3 - - n 的流失几乎无影响。袁东海等( 2 0 0 2 ) 对红壤坡耕地不同农作利用方式下氮素流失的研究表明，等高耕种、休闲地等控 制土壤氮素流失优于水平沟和水平草带，坡耕地土壤氮素流失主要途径为径流流 失，其中径流流失的氮素又以水溶态为主。 氮淋失是指土壤中的氮随水向下移动至根系活动层以下，从而不能被作物根 系吸收所造成的氮素损失，它是一种累进过程。土壤中大量的硝酸盐溶解于土壤 溶液，随着水分发生迁移淋失。土壤性质对硝态氮的淋失有着重要的影响，土壤 中的粘粒、粉粒和有机质越多，硝态氮就越不易淋失( g a i n e s 等，1 9 9 4 ) 。氮肥 的种类和施肥水平也将影响其淋失，土壤中硝态氮含量随施肥量增加而增加，但 并不是线形增加，有机肥的施用增加土壤粒径及团聚体含量，从而增加对n 0 3 一一n 的固持，阻碍了n 0 3 - - n l 旬下迁移( b e r g s t r o m 等，1 9 8 6 ；w e b b 等，2 0 0 1 ) 。耕作增 加硝态氮淋失( c o s s ，1 9 9 3 ) 。农田系统中，轮作明显减少淋失，连种作物则硝 态氮淋失很大，间作系统比单作系统可减少淋失量的一半，套种也会减少淋失。 此外，氮素淋失取决于土壤含水量、土壤持水力、土壤水传性和土壤溶液浓度差 的影响( 张兴昌，2 0 0 0 ) 。 有研究表明，稻田中氮肥在施用当季的淋失损失很低，主要的损失途径是氨 挥发和硝化一反硝化( 朱兆良，1 9 9 2 ) 。氮肥施用后其损失迅速达到最大值。氨挥 发决定于田面水( 氨和铵) 态氮的浓度、p h 和温度，以及植株的生长状况和施 肥后的气象条件( 蔡贵信，1 9 9 1 ) 。在河南封丘石灰性潮土上，由于土壤和灌溉 水的p h 都超过8 ，加之水稻生长期间光照强烈，日间田面水的p h 最高值达9 0 1 0 6 ，因此，氨挥发强烈，挥发损失占施氨量3 0 ，占氮素总损失的4 8 ，损 失重要性与硝化反硝化相当；而在江苏丹阳和浙江富阳非石灰性水稻土上进行 的试验中，由于土壤p h 在5 3 “0 之间，加之施肥是在光照弱的季节中进行，田 面水n p h ? 始终低于8 或8 左右，尿素的咱勺氨挥发只有9 一1 1 ，占总损失的1 9 2 1 ， 主要的损失途径是硝化一反硝化。 4 浙扛大学硕士学位论文 1 2 2 2 磷素流失研究 磷肥施入土壤后，只有小部分在土壤中呈离子态的磷酸盐才能被作物吸收， 其余大部分很快与土壤组分作用。土壤对磷有强烈的吸附固定作用，依据土壤的 性质和组分不同，有的磷被吸附在土壤中带正电荷的铁、铝氧化物胶体表面，有 的被土壤粘粒局部带正电荷的边缘吸附，有的与铁、铝或钙盐发生化学作用形成 不溶性磷酸盐化台物，有的与土壤有机质结合成有机结合磷，降低了磷在土壤中 的移动性。有研究表明，磷在土壤剖面中向下移动的速度每年不超过o 1 0 2 m m 。 由于土壤的这种强烈吸附作用，磷对作物的有效性很低，也因而不易被雨水、 灌溉水淋洗。尽管如此，土壤长期或大量地接受磷肥将导致土壤磷素的富集，这 种富集程度越高意味着土壤磷素向非土壤环境迁移的能力就越强，这种能力也即 土壤磷素流失潜能。但土壤磷素流失潜能是一个非定量的概念，只有当水分运动 存在的前提下，这种潜能才能转化为实际流失( h a y g a r t h e t a l ，1 9 9 9 ) 。因此，当 使用大量磷肥后，紧接着一场大雨或者随即灌水，还是有相当数量的磷随水流失。 径流流失是磷素最主要的流失途径。磷随地表径流流失的形态分为颗粒态和 溶解态两部分，其中颗粒态有不同粒径的团聚体组成，磷在土壤团聚体即径流中 沉积物中具有富集效应，因而其浓度要高于径流产生前土壤中磷的浓度。径流对 林的这种富集作用可用富集系数( e n r i c h m e n t r a t i o ，e r ) 来表示：e r = 沉积物含 磷量土壤含磷量，研究表明，富集系数与沉积物的累积流失量有关( 晏维金等， 2 0 0 0 ；黄满湘等，2 0 0 3 ) 。径流中溶解态主要以正磷酸盐形式存在，可为藻类直接 吸收利用；而颗粒态磷包括矿物磷、有机磷铋及吸附在土壤表面的磷，可成为溶 解态的潜在补给源。一般来说，草地和林地径流中的磷以溶解态磷为主，而农田 土壤流失总磷中颗粒态磷占7 5 9 5 ( s h a r p l e y , e ta l ，1 9 9 4 ) 。梁涛等( 2 0 0 3 ) 在 杭嘉湖地区西苕溪流域选取了5 种不同的土地里用类型进行模拟降雨试验，发现 在相同的降雨条件下，地表径流水相中总磷的流失量以桑林最大，高出水田和松 林5 倍，地表径流水相中悬浮颗粒态磷占总磷的绝大部分，而径流沉积相总磷的 流失速率高达7 2 8 2 1 3 5 9 6 m g ( j m i n ) ，远远高出水相总磷0 4 5 4 1 1m g ( m 2 r a i n ) 的流失速率。影响磷素径流流失的因素很多，如土壤质地、土壤性质、磷肥施用 量及施用方式等，但农业输入给水体的磷几乎都和水土流失分不开的，并且植被 类型土地利用类型在很大程度上左右了氮、磷营养元素的流失量。 浙江大学硕士学位论文 国外在磷素径流流失方面，通过较长时间的动态监测，得到不同土地利用下， 主要通过地表径流的土壤磷素的流失浓度及其负荷( 表l - 1 ) 。从表1 - 1 可以看出， 在土地利用强度大的土壤中，如在生产集约化、施肥量大的牧场草地，地表径流 磷素浓度与负荷相应较高。 表1 - 1 不同土地利用下的土壤磷素流失浓度与负荷( n a s he ta l ，1 9 9 9 ) t a b l e l 1 c o n c e n t r a t i o n t o l da m o u n t o f l o s sp f r o m d i f f e r e n t l a n du s e c o u n t r y p a t h w a y sp h o s p h o r u sl o s s t pr a n g ep r o d u c t i o n ( k g p h m 。a 1 ) ( m g l ”) a u s t r a l i as u r f a c er u n o f f0 2 20 4 5 - 2 0s h e e pg r a z i n g a u s t r a l i a e n g l a n d e n g l a n d a u s t r a l i a e n g l a n d s u r f a c er u t n o f f s u r f a c er u l l o f f s u r f a c er u n o f f s l r e a mm o n i t o r i n g s t r e a mm o n i t o r i n g s u r f a c er u n e f f s i m u l a t i o n s s u r f a c er a n n f f s u r f a c er u n o f f u n d r a i n e ds u r f a c e f a n o f f d r a i n e ds u r f a c e r t l l q o f f d r a i n a g e o 0 2 0 4 5 4 0 o 4 2 0 1 o 1 1 1 3 1 8 1 3 5 3 1 9 9 5 1 9 9 5 03 6 6 7 6 m o w np a s t u r e 1 3 2 1 2 i r r i g a t e d p a s t u r e o 0 9 5 0 2 9 5 i n t e n s i v eg r a s s l a n d s h e e pg r a z i n g 0 5 0 9 5 0 4 9 4 c a t t l eg r a z i n g d a i r yg r a z i n g h e a v i l yg r a z e dp a s t u r e 3 8 - 2 23g r a z e d ，f e r t i l ep a s t u r e 0 0 2 6 1 7 7 3 i n t e n s i v ep a s t u r e 淋失是土壤磷素损失的另外一个途径，长期以来，研究者认为相比于径流来 讲，其流失负荷非常小，甚至可以忽略不计( s h a r p l e y , e ta l ，1 9 8 7 ) 。但英国洛桑 试验站的研究表明，当土壤中的有效磷( o l s e n - p ) 超过某一临界值时，从土体排出 水的磷浓度迅速增加，尽管不同的土壤有差异，但所排出的水足以引起水体富营 养化( b l a k e ，e ta l ，2 0 0 2 ) 。他l f j 认为表层土壤的磷素能够沿着由于根系和蚯蚓等 所形成的大孔隙淋移，并排出土体，成为水体磷素不可忽略的重要来源。不论磷 素淋失的浓度和负荷是否足以引起水体富营养化，其淋失的过程主要是通过灌溉 水或者径流，沿着土壤孔隙进行迁移淋失。杨学云等( 2 0 0 4 ) 用石膏标记的方法 研究了娄土中磷素淋移的机理，结果表明，娄土中广泛存在的大孔隙可能是淋移 的主要途径。h a y g a r t h 等( 1 9 9 8 ) 通过地下暗管测得，土壤剖面8 5 c m 处的地下 a a a a a n a叫咄幽咖 a a a 浙江大学硕士学位论文 排水总磷浓度可以达到0 0 1 0 6 0 5m gp l ，溶解磷水平为0 0 1 - 0 3 0 4m gp l ，相 应的全年磷素淋失负荷为o 4 2 1 7 7k gp h a 。在施磷后遇到较大降雨时，田间地 下暗管总磷浓度可达9 m g p l ( j o h n e s ，e t a l ，1 9 9 8 ) 。通过暗管排水的磷素流失率 一般小于施磷量的1 ( s m i t h ，e ta l ，1 9 9 8 ) 。磷素的淋失和很多因素有关，如上 所述，土壤孔隙物理性质，降雨等将影响其淋失浓度和负荷，除此之外，施肥和 灌溉等人为管理方式对其影响也很大( 张水铭等，1 9 9 3 ) 。 1 2 3 非点源污染模型发展及其应用 非点源污染在近3 0 多年间收到了广泛关注，而污染模型的研究是其中的主 要领域之一。非点源污染模型对整个流域系统计其内部发生的复杂污染过程进行 定量描述，帮助我们分析非点源污染产生的时间和空间特征，识别其主要来源和 迁移路径，预报污染的产生负荷及其对水体的影响，并评估土地利用的变化以及 不同的管理与技术措施对非点源污染负荷和水质的影响，为流域规划和管理提供 决策依据。 1 2 3 1 非点源污染模型的发展 早期的非点源研究始于土地利用对于河流水质产生影响的认识，其方法往往 依据因果分析和统计分析的方法建立统计模型，并以此建立污染负荷与流域土地 利用或径流量之间的统计关系( h a i t h ，1 9 7 6 ；r a s t ，e ta l ，1 9 8 3 ；w h i p p l e ，e ta l ， 1 9 7 7 ) 。这类统计模型对数据的需求比较低，能够简便地计算出流域出口处的污 染负荷，表现了较强的实用性和准确性，因而在早期得到了较为广泛的应用。但 是由于它们难以描述污染物迁移的路径与机理，使得这类模型的进一步应用受到 了较大的限制。 自2 0 世纪7 0 年代中后期以来，随着对非点源污染物理、化学过程研究的深 入和广泛监测，机理模型逐渐成为非点源污染模型的主要发展方向。在这期间， 开发出了一大批著名的模型( 表1 - 2 ) ，这些尺度和功能各异的模型极大地丰富了 枕理非点源模型的内含。 7 浙江大学硕士学位论文 表1 - 2 常见非点源污染模型对比( 胡雪涛等，2 0 0 2 ) t a b l e1 - 2c o m p a r eo f s e v e r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e l s 模型名称 ：；： 参数形式空间尺度时间尺度 时：步 模型结构 9 7 6集中参数流域长期琏续 开始为单次 a n s w e r s1 9 7 7 分散参数流域暴雨。后发展 为长期连续 n n m 到1 d 暴雨期 为6 0 s ， 非暴雨 期为l d c r e a m s1 9 7 9集q j 参数农刚小区长期连续l d g l e a m s】9 8 6集中参数农田小区长期莲续 c n s1 9 8 1集中参数农m d , 区长期连续 e p i c1 9 8 3集中参数农田小区长期连续 s e d d “o t 1 9 8 4 集中参数流域单次暴雨 1 d 水文l d 污染物 1 r n o n 1 d s w r r b 9 8 4 集l l 参数流域妊期连续 1 d a g n p s1 9 8 7 分散参数 流域 r o t o 1 9 9 0 集中参数大流域 开始为单次 暴雨后发展 为长期连续 长年连续 d 1 d c n p s1 9 9 6分散参数流域长期连续1 d s w a t1 9 9 6 集中参数流域长期连续 l o a s1 9 9 6 分散参数流域长期连续 斯坦福水文模型；侵蚀模型考虑雨滴溅 蚀、径流冲刷侵蚀和沉积作用：污染物 包括氨、磷和农药等，考虑复杂的污染 物平衡 水文模型考虑降雨初损、 渗、坡面流 和蒸发：侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀和沉 积；早期并不考虑污染物迁移，后补充 了氮、磷子模型，复杂污染平衡 s c s 水文模型，g r e e n a m p t 入涪模型， 蒸发：侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀、河道 侵蚀和沉积；氮、磷负荷，简单污染物 平衡 水文和侵蚀子模型与c r e a m s 相同；污 染物更多考虑农药地下迁移过程 s c s 水文模型，入渗、蒸发，融雪；改 进通用土壤流失方程；氮、磷负荷简 单污染物平衡 s c s 水文模型，入洛，蒸茇，融雪；改 进通用土壤流失方程：氮、磷负荷复 杂污染物平衡 s c s 水文模型，坡面流，河道流：侵蚀 部分有两个模型，m u s l e 和s l o s s ；无 污染物迁移子模型 s c s 水文模型，入渗，蒸发融雪；改 避通用土壤流失方程：茬【、磷负荷，复 杂污染物平衡 s c s 水文模型；通用土壤流失方程：氨、 磷和c o d 负荷，不考虑污染物平衡 河流水文和泥沙演算，水库水文和泥沙 演算 s c s 水文模型，入渗、蒸发；改进通用 十壤流失方程；氮、磷负荷，简单污染 物平衡 s c s 水文模型 溘，蒸发，融霄；改进 通用土壤流失方程；氮、磷负荷，复杂 污染物平衡 产流系数法计算径流量；无侵蚀模型 d 统计模型计算b o d 、r n 、t p 负荷 到了2 0 世纪9 0 年代后期，随着计算机技术的飞速发展和3 s 技术在流域研 究中的广泛应用，一些功能强大的超大型流域模型被开发出来，这些模型已经不 在是单纯的数学运算程序，而是集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视 8 浙江大学硕士学位论文 化表达等功能于一身的大型专业软件，其中比较著名的有美国国家环保局开发的 b a s i n s ( w h i t t e m o r e ，1 9 9 8 ) 和美国农业部农业研究所开发的a g n p s9 8 ( a g n p s 9 8 网站) 。 1 2 - 3 2 非点源污染模型的结构特点 非点源模型一般由水文子模型、土壤侵蚀模型和污染物迁移转化子模型构成 ( 图1 - 1 ) ，这3 个子模型分别对应于降雨径流过程( 水文过程) 、侵蚀过程和污 染物的迁移转化过程，这些过程是决定非点源污染特征的主要因素。 污染负荷 图1 - 1 典型非点源模型结构图 f i g1 - 1s t r u c t u r eo f t y p i c a ln p sm o d e l s ( 1 ) 水文子模型 水文过程是描述非点源污染的基础，水文路径是污染物迁移的路径，其描述 的合理性和准确性直接影响到非点源污染模型的模拟结果。多数非点源模型的水 文子模型一般模拟地表径流，如c r e a m s 、c n p s 、a n s w e r s 和早期的a g n p s 模型等，它们都采用美国农业部水土保持局开发的s c s 水文模型( n o v o t n y , e ta l ， 1 9 8 1 ；m c c u e n 1 9 8 2 ) 来计算暴雨径流。还有一些模型则在模拟地表径流的基础 上，增加了对其它径流过程，如壤中流、浅层地下水等的模拟( a r n o l d ，e ta l ，1 9 9 8 ； b i c k n e l l ，e ta l ，1 9 9 6 ) 。 ( 2 ) 土壤侵蚀子模型 非点