农业非点源污染的管理及控制对策研究

第33卷河北省永定河流域农业非点源污染分布研究丁晓雯1，齐珺2（1.华北电力大学能源与环境研究院，北京102206；2.北京市环境保护科学研究院，北京100037）摘要：为探究河北省永定河流域农业非点源污染的时空分布规律，研究在RS 和GIS 的基础上，利用输出系数模型对河北省永定河流域的农业非点源污染进行了来源分析、负荷计算、分布模拟和规律研究。

结果表明：该区农业非点源污染在时间分布上主要集中于丰水年及丰水期，在空间分布上主要集中在平原区、耕地（尤其是坡耕地）、经济作物种植区、化肥农药强施用区、农村人口集聚区。

因此，优化农业用地结构、调整作物种植结构、改善农业耕作方式、集中处理农村生活/养殖污水和加强农村固废管理等措施是流域农业非点源污染控制的重要途径。

关键词：永定河流域；农业非点源污染；分布规律中图分类号：X522文献标志码：Adoi ：10.3969/j.issn.1003-6504.2010.6E.135文章编号：1003-6504(2010)6E-0522-03Spatio-temporal Distribution of Agricultural Non-point SourcePollution in Yongdinghe Basin in Hebei ProvinceDing Xiao-wen 1,Qi Jun 2（1．Research Academy of Energy and Environmental Studies,North China Electric Power Uinversity,Beijing 102206,China ；2．Beijing municipal Research institute of Environmental protection,Beijing 100037,China ）Abstract ：In order to reveal spatio-temporal distribution of agricultural non-point source (NPS)pollution in Yongdinghe basin in Hebei province,the resource,loading and distribution of agricultural NPS pollution is analyzed in the paper based on remoting sense and geographic information system by export coefficient model.The result indicates that,temporal distribution of agricultural NPS pollution is concentrates on high flow seasos/years.As far as the spaceial distribution of agricultural NPS pollution load is concerned,it is concentrates on plain,infield (sloping land especially),economic crop plantations,high fertilizer distribution area and villages.In the conclusion,it is suggested that the methods of agricultural land use,crop plantation should be improved and the treatment efficiency of waster water and solid waste should be increased.Key words ：Yongdinghe Basin;Agricultural Non-point Source Pollution;Spatio-temporal Distribution收稿日期：2010-06-21；修回2010－06－30基金项目：河北省自然科学基金课题（D2009001375）；华北电力大学校内科研基金（200822018）作者简介：丁晓雯（1981-），女，讲师，博士，研究方向为水资源与水环境，（电子信箱）binger2000dxw@ 。

农业面源污染的现状及控制途径摘要农业面源污染是导致目前流域水环境质量恶化的主要原因，本文主要介绍了农业面源污染的现状，产生原因，并着重介绍生态修复方法和新技术处理方法。

关键词农业、面源污染、控制措施、人工湿地技术、STCC技术随着集约化农业在我国经济中的不断深入与进步，随之而来的环境污染问题也日益严重。

农村面源污染已成为我国农业发展中的突出问题。

本文主要介绍农业面源污染的现状，探讨其来源，并提出相关控制途径和修复措施。

1.面源污染概述污染物的发生源通常可分为点源、线源、面源、内源，其中，面源污染是指污染物从非特定的地点，在降雨或融雪冲刷的作用下，通过径流过程而汇入受纳水体（包括河流、湖泊、水库、海湾等），并造成水体的富营养化或其他形式的污染。

美国《清洁水法修正案》对面源污染的定义为：污染物以广义的、分散的、微量的形式进入地表或地下水体。

“微量”是指污染物浓度较点源低，但由于面源污染面积范围较大，其造成的污染往往较为严重。

其中，由于农业生产活动的多样性，实践中的农业面源污染包括土壤侵蚀、农田农药化肥流失、畜禽养殖污染、农村生活污染等。

2. 我国农业面源污染的现状我国农业面源污染的现状比较严重。

第一次全国污染源普查公告显示，2007年通过农业面源污染排放的总氮为270.46万t,总磷为28.47万t，分别占同期全国排放的57.19%和67.27%。

调查表明，农业面源污染即将成为我国流域污染的主要因素，我国七大水系水质总体为中度污染，湖泊（水库）富营养化问题突出。

同时，在农业集约化程度高、氮肥用量大的地区，面临着严重的地下水硝酸盐污染问题。

城乡结合部地区是产生面源污染的主要区域，而农村畜禽养殖业污染是面源污染的主要来源。

3.农业面源污染的来源1）种植业污染：包括化肥、农药、农膜等。

化肥污染是在农业生产中因施用大量化学肥料而引起土壤、水体和大气的污染。

研究表明，氮肥的利用率为30%~40%，磷肥的利用率仅10%~15%，钾肥的利用率为40%~60%。

环境保护·ENVIRONMENTAL PROTECTION关于农村非点源污染对环境污染所面临问题的调查报告初　扬摘要：非点源污染是当前我国农村面临的主要污染形式，其中因为农药所造成的非典源污染在实际生产生活中发挥的影响也越来越大。

这类污染会对人们的正常生活造成直接影响。

在人们环保意识日益增强的背景下对农村因为农药所造成的非点源污染进行深入调查分析就显得非常重要。

通过对此分析将能够使得人们对此能够有更加深刻地认识。

关键词：非点源污染；农药；施肥；空间所谓非点源污染其本身又可以称作是面源污染，通常情况下主要指的是因为农药、肥料以及冲击物等分散污染源引起的污染。

本文主要探讨由于使用农药所导致的非点源污染问题。

随着经济社会的快速发展，这一问题所造成的影响也越来越大。

因此对此就需要进行深入分析。

这样才能够满足需要。

一、农药使用情况从当前我国农药使用情况来看，每年用量已经达到了５０万－６０万吨，有８０％的农药进入到农村使用，从使用农药的面积来看已经达到了２．８亿ｈｍ２以上。

从区域分布情况来看，江苏、上海、山东、广东以及浙江是主要的农药使用区域。

从农作物类型来看，那些以小麦为主的农作物入北方干旱地区用药量是要远远小于南方水稻产区的。

此外蔬菜、水果的用药量也要明显高于其他农作物。

近些年来我国农村农药使用量在不断增加，尤其值得关注的是上海和浙江的用药量是最高的，分别达到了１０．８和１０．４１ｋｇ／ｈｍ２．在农药使用量快速增加的背景下，害虫的天敌和其他益虫却显著减少，长此以往就形成了不断增加农药使用量的恶性循环。

二、农药非点源污染现状调查为了能够对此我国农村农药非点源污染现状能够有更加深刻地认识，在实际工作中就需要进行严格调查，通过调查来掌握一手数据。

本文将从农药非点源所造成的不同污染形式入手来分析当前实际现状：（一）对地表水体的污染。

农药非点源污染对地表水产生了深刻影响，对人们日常生产生活将会造成直接干扰。

我国农业非点源污染研究现状及控制措施
张鑫;史奕;赵天宏;王美玉;张巍巍
【期刊名称】《安徽农业科学》
【年(卷),期】2006(034)020
【摘要】论述了我国农业非点源污染研究现状,提出农业非点源污染控制的2个方面:一是对污染扩散源的控制;二是减少污染物向受纳水体的运移.农业非点源污染的治理,不仅需要技术支持,还需要科学的管理方法和政策法规支持.
【总页数】3页(P5303-5305)
【作者】张鑫;史奕;赵天宏;王美玉;张巍巍
【作者单位】沈阳农业大学,辽宁,沈阳,110161;中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室,辽宁,沈阳,110016;沈阳农业大学,辽宁,沈阳,110161;沈阳农业大学,辽宁,沈阳,110161;沈阳农业大学,辽宁,沈阳,110161
【正文语种】中文
【中图分类】X501
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中国农业非点源污染现状及研究概况李辉耀;周建红【期刊名称】《世界环境》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】2页(P64-65)【作者】李辉耀;周建红【作者单位】日本滋贺县立大学环境科学系;茅台学院【正文语种】中文水源污染负荷主要由点源污染（Point Pollution）与非点源污染（Non-Point Pollution）两部分构成，其中点源污染主要来源于生活污染、工业污染、商业污染、畜产污染；非点源污染主要来源于城市内街道路面、乡镇内农用耕地、自然环境内山林原野等。

随着党的十八大“生态文明”建设方针的提出和公众环保意识的逐步增强，近年来中国点源污染的排放情况严格控制在了相应的指标范围内，湖泊河流等水体的主要污染负荷也由点源污染逐渐转变为农业非点源污染。

一、中国农业非点源污染现状与控制措施根据第一次中国污染源普查公报的结果，中国农业化学需氧量排放量为1324.09万吨，占化学需氧量排放总量的43.7%。

农业总氮、总磷排放量分别为270.46万吨和28.47万吨，各占总排放量的57.2%和67.4%。

2018年中国的粮食总产量为6.579亿吨，约占世界粮食总产量的16%，而化肥的使用量却占全球的31%，相当于每公顷化肥用量是其他国家平均用量的4倍；此外中国每年农药使用量高达180万吨，超出发达国家近一倍，而农药利用率尚不足30%。

农业生产中施放大量的化肥或农药，会造成土壤中的氮、磷化合物含量过剩，通过地表的“降水径流”过程，转移到周边水体或是渗透至地下水中，从而造成对水源的污染。

可见，随着农业现代化的飞速发展和生产规模的不断扩大，农业非点源污染对农区环境的影响也日益增加。

为更好地解决农业非点源污染的问题，需建立相关制度体系与行之有效的科学手段，并对污染源进行相应的管控。

首先在法律法规方面，应设立相关监管条例，从而有效地杜绝人为因素造成的农业污染；同时加大环境保护的宣传力度，呼吁公众积极主动地配合当地有关部门的污染管控工作。

流域农业非点源污染的控制对策研究
张水龙;庄季屏
【期刊名称】《水土保持研究》
【年(卷),期】2002(9)4
【摘要】农业非点源污染是一种分布广泛的非点源污染类型。

以下河套小流域为例 ,从宏观管理的角度出发 ,提出了控制农业非点源污染的对策及建议 ,包括强调流域生态系统的整体功能 ,加强流域范围内的水、大气、土壤和其它生态资源的综合管理 ;根据流域生态环境的特点 ,包括受污染和破坏的程度 ,编制流域保护规划 ;【总页数】3页(P38-40)
【关键词】农业非点源污染;流域综合管理;流域保护规划;生态环境建设;生态工程【作者】张水龙;庄季屏
【作者单位】天津理工学院环境科学与安全工程学院;中国科学院沈阳应用生态研究所
【正文语种】中文
【中图分类】S157;X592
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１我国目前农业面源污染的现状目前我国由农业面源污染引起的水质恶化问题日益严峻，一些地区的农业面源污染已成为水环境恶化的主要原因。

农业面源起因于土壤的扰动而引起农田中的土粒、氮磷、农药及其他有机或无机污染物质，在降雨或灌溉过程中，借助农田地表径流、农田排水和地下渗漏等途径而大量地进入水体，或因畜禽养殖业的任意排污直接造成水体污染。

目前，我国化肥年使用量达４１２４万ｔ，按播种面积计算，化肥使用量达４００ｋｇ・ｈｍ－２，远远超过发达国家为防止化肥对水体造成污染而设置的２２５ｋｇ・ｈｍ－２的安全上限。

化肥的平均利用率仅４０％左右。

江苏、浙江、上海环太湖的一些县市，化肥的大量施用，使氮素过剩，流入太湖，加剧富营养化［８］。

全国每年农药施用量达３０多万ｔ，除３０％～４０％被作物吸收外，大部分进入了水体、土壤及农产品中，使全国９３３．３万ｈｍ２耕地遭受了不同程度的污染。

部分地区生产的蔬菜、水果中的硝酸盐、农药和重金属等有害物质残留量超标，威胁了人们的身体健康。

此外我国农业生产残留物如秸秆、畜禽粪便等不合理利用造成的污染也不容忽视。

我国每年产出秸秆６．５亿多ｔ，畜禽养殖场排放的粪便及粪水超过１７亿ｔ［１］。

由于综合利用水平不高，农村剩余秸秆被随意焚烧，不但浪费了生物资源，还造成了严重的空气污染，给人们生活和交通带来了不良影响。

未经处理、利用的粪便和冲洗粪水，污染了养殖场周围空气，也污染了土壤和地下水。

由于农业面源污染同点源污染相比，具有随机性、广泛性、滞后性、模糊性和潜伏性的特点［２］，因此对农业面源污染的监测和治理都相对比较困难。

从目前国内外的研究可以得出最佳管理措施（ＢＭＰｓ）是防治和减少农业面源污染最实际、最有效的措施。

２最佳管理措施（ＢｅｓｔＭａｎａｇｅｍｅｎｔＰｒａｃｔｉｃｅｓ）２．１由来国外关于农业面源污染的控制和管理始于２０世纪７０年代后期，发展于２０世纪８０年代初，成形于２０世纪８０年代中后期，２０世纪９０年代后有了较大发展，并以美国的“最佳管理措施”最具代表性。

第34卷第22期2014年11月生态学报ACTA ECOLOGICA SINICAVol.34,No.22Nov.,2014基金项目:国家自然科学基金项目(40971258,41271495,41201534);高等学校博士学科点专项科研基金联合资助项目(20121108110006)收稿日期:2013⁃12⁃31; 修订日期:2014⁃06⁃16*通讯作者Corresponding author.E⁃mail:cnuwxy@DOI :10.5846/stxb201312313081耿润哲,王晓燕,赵雪松,陈永娟.基于模型的农业非点源污染最佳管理措施效率评估研究进展.生态学报,2014,34(22):6397⁃6408.Geng R Z,Wang X Y,Zhao X S,Chen Y J.A review:model estimations on effectiveness of best management practices for agricultural non⁃point sourcepollution control.Acta Ecologica Sinica,2014,34(22):6397⁃6408.基于模型的农业非点源污染最佳管理措施效率评估研究进展耿润哲1,王晓燕1,2,*,赵雪松3,陈永娟1(1.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京　100048;2.首都圈水环境研究中心,北京　100048;3.河北省丰宁满族自治县统计局,丰宁　068350)摘要:随着点源污染的逐步控制,农业非点源污染已成为世界范围内关注的热点,由于其特有的时空异质性特点导致对其进行有效控制较为困难,最佳管理措施(BMPs,Best Management Practices)是实现流域农业非点源污染控制的有效手段,对拟实施的BMPs 效率进行评估是实施流域非点源污染BMPs 配置的前提㊂通过模型模拟的方法可对拟采用的不同措施的削减效率及经济成本进行评估以获取最具成本⁃效益的BMPs 空间配置方案,为措施有效选择提供依据㊂通过对多种模型在工程型和管理型BMPs 评估方面的研究进行论述表明,通常概念化模型多用于对污染源控制类措施进行评估,而机制类模型则可用于对不同时空尺度下的过程控制类BMPs 进行评估;措施效率发挥的时间滞后性及模型模拟不确定性是模型模拟过程中需要重点考虑的问题,可通过增加野外监测点数量㊁监测频率㊁优化监测点位置并选择合适的评估指标以降低模型评估BMPs 过程中滞后效应的影响;此外BMPs 实施时间与空间位置的不匹配㊁时空尺度异质性㊁污染物形态及生态系统服务功能转换风险均需在BMPs 评估过程中加以考虑㊂模型模拟是BMPs 效率评估(包括非点源污染关键源区的时空识别)㊁污染物迁移转化以及成本效益分析的有效工具,同时对于流域非点源污染管理控制及BMPs 实施利益相关者有效参与问题的分析也具有重要意义㊂关键词:最佳管理措施(BMPs);削减效率;模型;非点源污染A review :model estimations on effectiveness of best management practices for agricultural non⁃point source pollution controlGENG Runzhe 1,WANG Xiaoyan 1,2,*,ZHAO Xuesong 3,CHEN Yongjuan 11College of Resources ,Environment &Tourism ,Capital Normal University ,Beijing 100048,China 2Research Center of Aquatic Eovironment in the Capital Region ,Beijing 100048,China 3Bureau of Statistics of Fengning Manchu Autonomous County ,Fengning 068350,ChinaAbstract :With the development of point source pollution control,Agricultural Non⁃point Source Pollution (AGNPS)issues have become increasingly prominent worldwide.Non⁃point source pollution is difficult to control because it comes from the everyday activities of many different people,such as fertilizing a lawn,using a pesticide,or constructing a road or building.Recently,the agricultural non⁃point source pollution control has become a hotspot in the water research.As a common tool used to reduce non⁃point source pollution,Best management practices (BMPs)have been widely adopted to improve water quality problems associated with agricultural nonpoint source pollution,however,there have been few realistic efforts to assess their effectiveness in reducing AGNPS pollution.The effectiveness of BMPs must be evaluated at various spatial and temporal scales before adoption.Models are more comprehensive that can reflect choice of mitigation at a widely range of scales and then to achieve the best cost⁃effectiveness selection and placement of BMPs for non⁃point sourcepollution control.In this paper,we review some models used to assess the effectiveness of BMPs for agricultural non⁃point source pollution control,including non⁃structure practices and structure practices.The conceptual models mostly used to evaluate the impact of source control measures,while the physically⁃based models used to evaluate the BMPs that through control the timing and location,the response time and the transport and transformation of pollutants.The lag time between adoption of management changes and the detection of measurable improvement in water quality in the target water body are extremely important for the BMPs estimation as well as the model evaluation and validation.Models can be served as an effective tool to identify timing and critical non⁃point source pollution areas for target actions at different spatial scales.Other issues of critical importance include minimizing pollution swapping and assessing the cost⁃effectiveness of the measures within multi⁃objectives,as well as the acceptance of the these measures by the stakeholders involved before performing an integrated assessment of BMPs implementation.These issues are all relevant and challenging for the implementation of water and environmental policies.For future research,approaches to deal with the inevitable lag time between implementation of management practices and water quality response lies in appropriately characterizing the watershed,considering lag time in selection,location,and monitoring of management measures including the selection of appropriate indicators and designing an effective monitoring programs to detect water quality response.Understanding of NPS model uncertainty has become a front edge topic,and future studies should focus on improvement of parameter calibration,optimization of data acquisition solutions,and uncertainty analysis.Regarding to the timing and location of measures,pollution and ecosystem service swapping,and optimization and placement of BMPs in watershed,the integration of NPS models with3S technology(GPS, RS,GIS)should be proposed.Stakeholders may play important role in developing the mitigation plan and enhancing the communication,reciprocal understanding,trust and acceptance of modelling results.Key Words:BMPs;effectiveness estimation;models;non⁃point source pollution 在中国㊁欧盟以及美国的大部分水体中均存在藻类的过量繁殖和溶解氧含量过低等问题[1⁃3],其中农业非点源污染的贡献量达到了污染负荷总量的半数以上[4⁃5]㊂虽然已采取大量的控制措施,但受限于普遍存在的措施可执行性㊁效率滞后性[6⁃7]㊁配置方案和实施时间的合理性以及时空尺度转换等因素的影响导致河流水体的整体水质状况并未达到预期的治理目标[4]㊂BMPs的有效实施能够提高其污染物削减效率及经济效益,同时还可减少土地占用㊂因此BMPs 削减效率的准确评估是决定措施是否适用的关键步骤[8]㊂美国农业部自20世纪80年代起提出采用BMPs对全国范围内的农业非点源污染进行控制,并制定了相应的评估方案,如切萨皮克海湾BMPs控制计划(Chesapeake Bay Program)就采用了小尺度代表流域监测与大尺度模型模拟相结合的方式来对该流域内的BMPs效率进行评估,并以此为实施蓝本在美国其他流域内进行评估方法的推广;在欧洲, BMPs也得到了广泛的应用,如希腊Arachtos河流域保护规划中的BMPs模型评估工作㊁德国Ems河流域所采用的与GIS技术相结合的基于可视化评估平台的BMPs配置及效果评估工作等;在我国,随着政府对农业非点源污染控制逐步重视,在BMPs研究方面也逐步深入,代表性工作如长江三峡流域的BMPs评估及优化方案的提出㊁长春石头口门水库流域的BMPs配置方案的实地监测及模型评估以及北京密云水库流域BMPs空间配置方案的优选以及BMPs评估工具箱的构建㊂目前流域BMPs的配置研究已经发展到采用多尺度控制技术同优化模拟算法相结合的综合控制阶段,但是BMPs效率评估作为流域整体配置的基础仍具有不可忽视的重要作用,以上这些研究均可对BMPs评估工作提供一定的借鉴意义㊂BMPs在所实施区域的本地化效应可以通过地块尺度的实验监测工作来实现,但是对大尺度流域内BMPs的评估工作却很难以通过有效实地监测实验来完成㊂目前来看模型模拟是应用最为广泛的非点源污染最佳管理措施的评估技术,在流域综合管理方案的设计执行过程中扮演着非常重要角色,尤其是对于拟实施措施的选择和本地化应用㊁环境效益以及实现河流水质物理化学及生态质量明显提升所需的时间等预测方面具有重要的用途㊂如:欧盟8936　生　态　学　报 34卷　WFD计划的初始阶段,就将模型模拟技术作为拟实施BMPs潜在效率评估的首选方法㊂Cherry等基于不同的评估目标和研究尺度对不同的BMPs评估方法进行划分,建议采用实地监测㊁模型模拟㊁风险评估以及养分平衡法相结合的耦合模型系统来对拟实施的BMPs进行评估,且在措施的设计和配置阶段也多通过模型模拟与实地监测网络构建相结合的方式来进行必要的决策支持[9]㊂但是受限于多模型数据采集以及模型操作人员技术程度等因素的限制,耦合模型在实际操作方面还存在一定的困难㊂本文通过对国内外BMPs模型评估方面的相关研究进行总结,分析不同模型在BMPs评估方面的适用性,及存在的问题,以对流域综合管理中模型评估BMPs工作研究提供理论支持和建议㊂1　BMPs模型评估按照模型运行复杂程度㊁适用的时空尺度,可将BMPs削减效率评估模型划分为经验模型㊁概念化模型及机制型模型[9]㊂在本文中按照以下两种不同层次对模型进行划分;1)根据模型运行机制的不同将模型分为经验模型㊁概念化模型以及物理机制模型,包括不同复杂程度的实际模拟过程;2)根据可模拟BMPs运行机制的不同将模型划分为源头控制类措施模型和过程控制类措施模型㊂具体划分情况见图1㊂1.1　经验⁃概念化模型经验模型又称为 黑箱模型”,其不涉及复杂函数运算过程(即不考虑污染物的迁移转化过程),仅以污染物输入输出间的量化关系为基础进行模拟㊂具有工作原理及操作简单且所需数据量少的特点㊂但经验模型对异常值和极端事件的预测可能会产生较大的误差㊂概念化模型相对而言要比经验模型复杂一些,能够对部分简单的污染物传输过程进行表征,因此所需的数据量相比经验模型也更多㊂目前在BMPs评估方面应用较为广泛的经验⁃概念化模型主要有输出系数模型(ECM,Export Coefficient Model)[10]㊁GREEN模型(Geospatial Regression Equation for European Nutrient losses)[11]㊁MONERIS模型(Modelling Nutrient Emissions in River Systems)[7]㊁磷指数法(Phosphorus Index,PI)[12⁃13]以及MITERRA 模型(A tool for integrated assessment of Nemissions图1　BMPs(Best Management Practices)评估模型分级图Fig.1　Classification map of models SWAT:Soil and Water Assessment Tool;HSPF:Hydrological Simulation Program⁃Fortran;AGNPS:Annualized Agricultural Non⁃Point Source Pollution;HBV⁃N/HYPE:Hydrological Predictions for the Environment;STICS⁃MODCOU:Simulateur Multidiscplinaire pour les Cultures Standard;EPICgird:Erosion Productivity Impact Calculator;MONERIS:Modelling Nutrient Emissions in River Systems;GREEN:Geospatial Regression Equation for European Nutrient losses;MITERRA:A tool for integrated assessment of N emissions from agriculture at regional;ECM:Export Coefficient Model;PI:Phosphorus Indexfrom agriculture at regional)[14]等㊂1.2　机制模型机制模型能够对污染物的产生机理㊁迁移转化过程以及较为复杂的时空传输过程进行详尽的模拟,因此这类模型一般较为复杂,能够对非点源污染 源 汇”过程及与之相关的控制措施进行模拟㊂在BMPs评估研究中有两类机制模型应用较为广泛㊂第一类由一维营养物循环模型㊁水文模型以及河道过程模拟模块组合所构成的综合模型;第二类为耦合的流域尺度模型,在这类模型中营养物质陆地循环与河道循环过程均可通过水文模拟模块形成反馈回路流动系统㊂常见的BMPs评估机制型模型包括HYPE(Hydrological Predictions for the Environment)[15⁃16]㊁SWAT(Soil and Water Assessment Tool)[17]㊁AGNPS (Annualized Agricultural Non⁃Point Source Pollution)[18]㊁SUSTAIN(System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration Model)[19]㊁HSPF(Hydrological Simulation Program⁃Fortran)[20]等㊂相关模型模拟BMPs削减效率的研究案例及模型适用性和局限性分析见表1㊂9936　22期 耿润哲　等:基于模型的农业非点源污染最佳管理措施效率评估研究进展　表1　模型及B M P s 评估工作案例分析T a b l e 1　C a s e s t u d y o f m o d e l s a n d B M P s t o r e d u c e n o n ⁃p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n模型M o d e l s类别T y p eB M P s 类型B M P s T y p e 空间尺度S p a t i a l s c a l e 时间尺度T i m e S c a l e 适用区域A p p l i c a t i o n a r e a优势A d v a n t a g e s 局限性l i m i t a t i o nE C M ,E x p o r t C o e f f i c i e n t M o d e l ,输出系数模型[10]经验型土地利用及化肥施用量变化流域尺度年农业流域所需数据资料少,计算简便模拟精度不高,仅仅局限于部分管理类措施如化肥减施以及削减畜禽养殖数量等管理类措施,不能对工程型B M P s 进行评估G R E E N ,G e o s p a t i a l R e g r e s s i o n E q u a t i o n f o r E u r o p e a n N u t r i e n t l o s s e s [21⁃22]概念化改变营养物输入量㊁畜禽粪便管理子流域㊁流域尺度年农业流域可对点源和非点源污染同时进行模拟,考虑上下游子流域之间的空间拓扑关系无法对污染物过程控制类B M P s 进行评估,对于年内降水量变化对措施效率的影响表征不足,同时无法评估措施实施后对农作物产量的影响,限制了其在B M P 的成本效益分析方面的应用M O N E R I S ,M o d e l l i n g N u t r i e n t E m i s s i o n s i n R i v e r S y s t e m s [23⁃24]概念化化肥使用及畜禽粪便管理㊁削减耕地营养元素供应量流域或区域尺度一年至五年农业流域和城市区域能够对包括泥沙㊁地表径流㊁地下水以及排水管道等产生的非点源污染物流失进行模拟不能够对营养物质的循环进行模拟,且局限于农田管理类措施的评估,对于部分畜禽控制类措施及工程类措施(如河道护栏灯)的模拟能力不足,模型校准较为困难M I T E R R A [14],A t o o l f o r i n t e g r a t e d a s s e s s m e n t o f N e m i s s i o n s f r o m a g r i c u l t u r e a t r e g i o n a l ,c o u n t r y ,a n d E U ⁃27l e v e l s概念化化肥及畜禽粪便管理㊁缓冲带㊁冬季作物区域或国家尺度年农业流域可对大气沉降㊁地表径流㊁根层淋溶等营养物质流失过程进行模拟对小尺度内措施的模拟精度不高,适用于区域尺度B M P s 的整体配置,实用性较低,且不能对过程控制类工程型B M P s 进行评估P I ,P h o s p h o r u s I n d e x ,磷指数模型[12⁃13]概念化源因子及迁移因子控制类措施地块或子流域尺度年农业流域操作简便,所需数据资料少无法提供较为有效的B M P s 量化评估结果,且对工程型措施的评估能力较低,同时对水文传输路径的表征能力不足H Y P E ,H y d r o l o g i c a l P r e d i c t i o n s f o r t h e E n v i r o n m e n t [25⁃26]机制型平衡施肥㊁耕地及畜禽粪便管理㊁填闲作物㊁缓冲带㊁人工湿地子流域日农业流域通过地表径流㊁下渗以及含水层补给过程进行计算的水文循环模拟效果较好对农田耕作管理类措施模拟不够全面,同时对于传输过程控制类措施模拟效果较低,并且对极端降水事件下B M P s 效率表征能力不足A G N P S ,A n n u a l i z e d A g r i c u l t u r a l N o n ⁃P o i n t S o u r c e P o l l u t i o n [27⁃28]机制型源头控制非工程型B M P s子流域日农业流域可对不同子流域的土壤侵蚀空间分布及其对水质的影响进行模拟,且计算速度较快对于地块尺度B M P s 模拟精度较低,同时对河道水文过程模拟的不足导致对部分河道型B M P s 的表征能力不足H S P F[29⁃30]机制型工程型B M P s子流域或流域尺度日农业流域和城市区域对径流的模拟效果较好且对农田管理类及畜禽养殖控制类措施的模拟不够全面,且对实测基础数据要求较高,模型稳定性较低046　生　态　学　报 34卷　续表模型M o d e l s 类别T y p eB M P s 类型B M P s T y p e空间尺度S p a t i a l s c a l e 时间尺度T i m e S c a l e 适用区域A p p l i c a t i o n a r e a优势A d v a n t a g e s 局限性l i m i t a t i o nS T I C S ⁃M O D C O U ,S i m u l a t e u r M u l t i d i s c p l i n a i r e p o u r l e s C u l t u r e s S t a n d a r d[31]机制型削减化肥施用量㊁填闲作物地块尺度日农业流域可与多种空间分布式水文模型进行耦合,数据接口适用性较强对畜禽养殖控制类措施及工程型措施的模拟能力不足,在单独使用时对河道控制型措施的模拟能力较差E P I C g r i d ,E r o s i o n P r o d u c t i v i t y I m p a c t C a l c u l a t o r [32]机制型化肥使用及畜禽粪便管理㊁改变有机肥施用时间㊁填闲作物地块尺度日农业流域可同时对地块尺度下的水文㊁泥沙㊁作物生长及营养物质循环进行模拟,同时还可估算B M P s 实施后的环境响应时间可模拟的措施类型较少基本集中于农田耕作管理方面,对于部分畜禽养殖控制措施(如削减养殖量及改变农场放牧期等)以及相关的工程型控制措施评估能力较低S W A T ,S o i l a n d W a t e r A s s e s s m e n t T o o l [33⁃37]机制型削减施肥量㊁填闲作物㊁免耕㊁缓冲带㊁作物轮作㊁耕作管理㊁降低放牧密度地块至流域尺度日农业流域考虑了汇流和泥沙汇合过程;结合G I S 开发了水土保持模块;易于使用㊂对于营养物质的河道传输过程模拟不足,且通过参数调整来模拟B M P s 具有一定的主观性,且对部分工程型措施的表征能力不足,如河道护栏㊁构建拦砂坝㊁湿地修复等I N C A ,I n t e g r a t e d N u t r i e n t s i n C a t c h m e n t s [38⁃39]机制型缓冲带㊁化肥施用量管理㊁畜禽管理㊁土地利用变化㊁人工湿地子流域日农业流域能够对壤中流㊁地表径流及地下水中的水文循环及营养物质迁移转化过程进行模拟缺乏子流域内部污染物的水文传输过程的模拟,各个河段的负荷量,仅仅为所辖子流域负荷量的简单加和,在B M P s 评估方面,仅对较为传统的管理措施及部分工程措施具有较好的评估效果1046　22期 耿润哲　等:基于模型的农业非点源污染最佳管理措施效率评估研究进展2　BMPs效率模型评估中存在的问题2.1　污染物滞留及流域响应时间BMPs实施后水质显著改善的响应时间主要受到措施类型㊁配置时间㊁空间位置㊁气候条件以及当地的自然地理状况等因素的共同影响㊂农业流域内营养物质主要通过地表径流㊁壤中流以及地下水传输等过程到达受纳水体㊂而壤中流和地下水流动传输受不同空间土壤亚层性质差异㊁含水层复杂动态效应的影响,措施作用的发挥可能需要一定的时间㊂另外,在营养物质的传输过程中可能还会受到反硝化作用(氮)㊁土壤吸附所导致的临时储存效应植物和微生物的吸附作用等的影响而延迟到达受纳水体时间[40]㊂如河岸带和湿地系统对于氮㊁磷等营养物质均具有较高的储存效率,但是却很难在流域尺度上对其效应进行评估㊂气候条件㊁水动力环境(水土比㊁水力停留时间)以及化学物理特性(如:水体㊁沉积物以及水土界面中溶解氧浓度和光照等)均会使其对流域尺度营养物质的滞留效应产生较大的不确定性和复杂性㊂通过实地监测对流域尺度营养物质传输和滞留效应进行研究具有一定难度,而模型模拟和养分平衡法更适用于这类研究㊂Meals等研究发现时间滞后性主要由3部分组成[41]:1)措施效用发挥所需的时间,如植被缓冲带需要在措施完全设置完毕3a后才能够发挥效用;2)BMPs所发挥的效用转变为对水质的改善效用也需要一定时间;3)河流水体生态系统对于BMPs效用的响应所需要的时间㊂因此,在模型校准的过程中需考虑时间滞后性影响,在对模型校准时一定要明确所测得数据可能是措施实施后多年营养物浓度的混合值,并且长期的监测数据相比于临时监测数据受时间滞后性的影响更大[41]㊂有学者采用模型模拟的方法对流域水质状况对措施实施后效应的响应时间进行了评估㊂Behrendt等应用MONERIS模型对德国境内所实施的河岸带非点源污染管理措施的评估结果表明,流域水质改善对措施效益的响应时间为10 30a不等[7]㊂Sohier等应用EPICgrid模型发现比利时Walloon流域在实施改善地下水水质的BMPs后由于受到蓄水层水力传输时间滞后性的影响,流域水质对BMPs效应的响应时间达到了15a之久[32]㊂Fenton等所进行的研究表明措施实施后的流域响应时间最多可达到21a[42]㊂以上这些研究成果均表明应用模型对BMPs效率进行评估时应当考虑较长的河流水质响应滞后期,同时也可采用短期稳态模型以弱化时间滞后性的影响㊂2.2　模型模拟的不确定性很多学者在应用模型方法对流域BMPs进行评估时发现措施效率会受到特定区域气候条件的影响,因此,没有任何一种模型能够具有普适性㊂各种不同的模型在特定区域使用时由于研究目的不同均会体现出一定的优势和不足,同时不同的区域特征及数据的可获取性也会对模型的不确定性产生影响,如欧盟WFD计划中各成员国所采用的BMPs评估模型在欧洲南部区域使用时的不确定性要高于其他区域[40]㊂欧洲多国的研究表明由于模型模拟主要是以流域出口的实测数据为基准,而不是以营养物滞留过程及非点源污染物的排放为基准,因此在目标流域内建立合适的营养物滞留与排放过程模拟模型是较为困难的㊂实际上,在模型模拟过程中如果对营养物滞留与排放过程同时出现高估或低估的现象,那么模拟结果也可能是合理的㊂模型模拟过程中不同参数的组合也可能会出现相同的模拟结果,也即 异参同效”效应[9]㊂对模型的校准和营养物传输模拟过程的调整会对模型有效评估起到重要的控制作用㊂通过对基础情景模拟结果和措施实施后模拟值之间均方根误差进行比较,将有助于识别和降低措施实施后模型评估校准和验证过程导致的污染物负荷量的变化队评估结果的影响[43]㊂2.3　措施实施的时间和位置在BMPs的实际配置工作中首先需要采用模型模拟或风险评估的方法来对目标流域内非点源污染的关键源区(CSAs,Critical Source Areas)进行识别,这有助于提高措施配置目的性并获得较高的成本效益比[9]㊂Vagstad等分别采用7种复杂程度不同的模型对恩扎河流域(意大利)和Zelivka河(捷克)流域内的BMPs评估结果的一致性及对流域出口水质状况的影响进行评估㊂结果表明,不同类型措施对于不同模型工具的反映存在一定的差异,但是在两个流域内组合实施的BMPs却产生了相似的削减效果[44]㊂究其原因可能是由不同模型对不同类型措施进行模拟时内部参数设置差异所致㊂另外其研究2046　生　态　学　报 34卷　结果还表明措施空间配置不同也会产生不同的效果(如土地利用变化措施中所需实施变化的土地利用的位置不同)㊂因此,在运用模型对措施进行评估时(如增加林地覆盖面积或改变农作物种植类型),模型的参数化㊁对时空变化的敏感性等都会对措施效果的模拟结果产生影响[44]㊂部分学者还针对BMPs 配置前进行CSAs识别的必要性以及哪些模型适用于CSAs识别进行了讨论[45⁃47]㊂Panagopoulos等就如何在有限的实测数据条件下运用SWAT模型进行流域非点源污染CSAs识别进而配置合适的BMPs 问题进行了讨论[36]㊂现有关于模型的研究大多仅关注单一措施实施后的效果的评估,但实际监测发现流域非点源污染治理目标的实现只有通过在合理的时空节点上进行BMPs的组合配置才能够实现㊂2.4　模型模拟的时空尺度目前多数学者都对BMPs评估中的空间(如地块㊁景观㊁流域㊁区域)及时间尺度问题进行了讨论[48⁃50]㊂有研究表明措施设置的空间尺度(地块尺度)与水质评价(河道水质状况)之间本身就存在一定的尺度差异性[51]㊂通常情况下措施是在地块尺度上实施,但却以流域整体的水质状况是否达标作为评价标准,同时在不同的空间尺度内还可能涉及不同的利益相关者㊂正如2.1节中所提到响应的时间滞后性,气候变化等因素均会对不同时空尺度内的措施效果产生影响㊂空间尺度的差异也会对措施实施后所导致的污染物转换风险产生影响[52⁃53]㊂通常根据研究区的空间尺度大小来选择合适的BMPs评估模型,机制型模型适用于小尺度到大中尺度流域BMPs的评估,而区域尺度BMPs的评估则主要通过经验型模型来完成,如GREEN㊁MONERIS㊁MITERRA㊁PI以及输出系数模型等㊂随着近年来全球环境基础数据库构建的不断完善,也有部分学者采用机制型模型对区域或国家尺度上的非点源污染进行研究[54]㊂适用于大尺度农业系统中作物生长㊁土壤侵蚀以及营养物流失过程模拟的机制型模型(如EPIC㊁MITERRA模型等)也逐渐受到了较多的关注,但是这些模型对地下水及汇水区污染物对河流营养物负荷总量贡献率的相关研究在大尺度区域内却仍然存在一定的限制㊂不同空间尺度流域内实测/调查数据(如:BMPs 相关信息㊁基础情景下营养物质输入量㊁气候环境特征以及用于模型校准的水质流量数据的时间序列)的可用性也会对模型模拟结果产生较大的影响㊂非点源污染模型可以对BMPs实施后对目标流域内污染物的迁移㊁转化㊁缓冲以及滞留等过程进行模拟,但其模拟精度却受到实测数据的可用性的影响而产生较大的差异㊂因此,精确模拟结果的获取应当以构建完善的监测网络及数据库为基础㊂然而,目前来看世界各地均存在多尺度水质监测网络不足以支撑各类BMPs评估的问题[6],同时监测数据的可靠性还受到采样频率及实验计算方法不同的影响[55]㊂即使是在监测数据缺乏的条件下,模型法在BMPs 评估工作中仍然会发挥较大的作用,如Panagopoulos 等和Maringanti等的研究中就是在有限的监测数据条件下实现了对CSAs的识别以及污染物不同季节变化趋势的合理解释,但是这些研究也仅仅是对措施实施后污染物负荷量及关键源区的整体变化趋势进行了评估,并没有获得较为可靠的量化环境评估结果[35,36]㊂2.5　污染物形态及生态系统服务功能转换风险流域水环境治理目标的实现需要对不同形态或类型的污染物同时进行有效控制,但是目前还没有任何一种BMP能够实现多种污染物的同时有效调控[52]㊂反而在BMPs的配置过程中可能会使得一种BMPs的实施可能会对某一种污染物起到控制削减作用,但同时可能会使得另一种或多种的污染物浓度或负荷量得到增加,或者是在对某种污染物的一种形态进行削减,但是导致污染物其他形态之间出现化学成分转换或增加[52]㊂例如,在流域内设置以提高氮的反硝化作用为工作机制的BMPs后可能会使得水体中的硝酸盐氮负荷量降低,但同时会使得排入大气层中的亚硝态氮的负荷量增加,这会使得温室气体的效应风险得到增加㊂应用模型对BMPs进行评估时的污染物形态转换风险可以通过多模型耦合的方法来解决㊂这对于BMPs配置过程中的多目标优化决策问题具有重要的意义㊂然而,由于污染物形态转换风险所涉及的多种污染物或同种污染物多种形态所导致对其进行准确模拟具有一定的复杂性和难度,目前关于BMPs 配置过程中的污染物形态转换风险的研究案例还不多[56]㊂仅有的研究来自Velthof等应用MITERRA 模型对欧盟27国所采用的BMPs对氮的排放对地下3046　22期 耿润哲　等:基于模型的农业非点源污染最佳管理措施效率评估研究进展　。