典型农业小流域氮污染时空分布特征及其削减

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随着人类活动的加剧,水体氮污染日益严重,导致了水质恶化、水体富营养化等一系列环境问题。水体氮污染已逐渐成为全球重视并亟需解决的环境问题之一。尤其在集约化农业占主导地位的农业小流域,受施肥和畜禽养殖等农业活动的影响,流域内通常呈现河流水体氮负荷过高、氮素流失时空变异性大等特点。因此,在保证粮食安全的基础上,使用模型研究农业流域氮污染的时空分布规律及其相关减排措施是保障环境可持续发展的关键前提,对流域氮污染的管理具有重要意义。SWAT模型作为机理模型能够较好地模拟流域氮污染的迁移和转化过程,可作为流域氮污染模拟和评估的有效工具。但SWAT模型的碳氮(C-N)循环模块中忽略了土壤残留物和有机质分解转化的动态变化过程,对农田等残留物较多的土壤氮含量的模拟结果可能产生较大的影响。国外有研究对C-N循环模块进行了优化,优化后的SWAT-M模型充分考虑了残留物和有机质的动态变化,模型在农业流域的氮污染模拟中具有良好的适用性,但该模型目前还尚未在国内得到应用。因此,本研究以集约化农业为主的句容水库农业小流域作为研究区,通过收集和建立模型所需的空间和属性数据库并修改相应源代码以完成SWAT-M模型的初步构建。基于2008年1月—2012年9月和2021年的观测水文和实测氮素负荷量在月尺度上对SWAT-M模型进行了率定和验证,并根据率定验证后的模型模拟结果进一步分析流域氮污染时空分布规律和关键源。在此基础上以2021年为基础情景年,通过设置情景FM(施肥管理)、情景VF(植被过滤带)、情景UB(城镇化)三种情景共8种措施进行模拟,并对各情景措施的削减率和效果进行了评估和分析。全文主要结论如下:(1)2008年1月—2012年9月率定期和验证期的结果中径流、硝态氮(NO3--N)和总氮(TN)的模型评价指标R~2、NSE均在0.77以上,远大于模型所要求的0.6(R~2)和0.5(NSE),模型模拟结果较好;2021年5月—2021年11月的数据对2021年进行验证的结果中三个采样点位的径流、NO3--N和TN验证结果指标R~2、NSE均分别在0.65和0.57以上,均满足模型要求。两者的结果表明SWAT-M模型在句容水库农业小流域均有良好的适用性,可应用于对研究区氮污染的模拟研究。(2)在时间尺度上,流域内的入库氮素负荷量随着径流的变化而变化。2008—2012年流域内年际入库氮素负荷量呈现“M”型波动趋势,在2009年降水量最高时达到最大;2008—2012年和2021年两个时期的年内入库氮素负荷量随降水的集中主要集中在汛期(6-9月),汛期氮素负荷量占到全年的69%以上。在空间尺度上,相对于2008—2012年,2021年径流氮素负荷量整体下降,但两个时期的NO3--N和TN负荷量整体空间分布一致,均呈现“局部集中,临近水体”的分布特征,主要集中在农田占比高的地区。流域入库TN负荷量主要来源是农田施肥,两个时期的贡献率均超过49%。(3)在三个情景模拟中,情景FM中施肥量与TN负荷量之间存在较强的线性关系,施肥量每削减10%,入库TN负荷的削减量增加0.78 t,削减率增长4.37%,该情景措施的适宜值在10%~20%之间。情景VF中植被过滤带设置的宽度与其对应的削减率呈现非线性的增长关系,在前期0.5 m的时候增速最快效果最佳,后期逐渐放缓,综合考虑后建议研究区设置的最佳宽度为0.5 m。情景UB时间周期较长,但TN削减量后期也能达到0.95 t,削减率达到5.30%。本研究通过实测数据验证了改进后的SWAT-M模型在句容水库农业小流域的适用性,并确定了流域内氮污染的时空分布特征和关键源,通过情景模拟筛选出流域内适宜的氮素削减措施。本研究结果可为以集约化农业为主的流域氮污染模拟和监测治理提供理论基础。
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