农业非点源氮磷流失风险评估的研究

叶宏萌，袁旭音，林 皓

（武夷学院 生态与资源工程学院，福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建 武夷山 354300）

随着经济发展和人口增加，全球范围内的水污染问题日益加剧。其中，水体氮、磷的超标导致的富营养化问题最为严重和普遍[1]，已成为制约社会经济发展的重大环境问题。例如，欧洲、北美洲、南美洲和亚太地区发生富营养化水域的比例分别是53%、48%、41%和54%；而我国的700多条河流（包括长江、黄河和珠江等）中，就有70.6%的河流面临富营养化的风险[2]。通常而言，氮、磷是控制湖泊或河流中藻类生长的关键因子[3]。随着点源污染的控制，非点源污染成为了全球水体氮、磷超标的主要来源[4-7]，被国际社会公认为人类饮用水源的最大威胁[8]，近几十年来受到越来越多的关注[9]。

据2010年《第一次全国污染源普查公报》显示，我国农业非点源污染排放的氮、磷的负荷量依次为270.46万t和28.47万t，分别占氮、磷排放总负荷量的53.1%和67.3%[7]。因此可以认为，农业非点源是我国水体富营养化的最主要来源。同时，氮磷流失过程是一个综合气候、地形、土壤、降雨、土地利用和管理方式等多种因素的复杂过程，具有显著的时空差异性[10-11]。但是，当前对农业非点源氮磷及综合流失的研究多集中于空间差异的研究，对时间分布差异的关注尚薄弱。因此，文中较为系统的介绍了农业非点源污染的定义、产生原因和特点，并针对农业非点源导致的氮磷流失风险进行介绍，包括风险评估方法（辨识空间差异）和时间差异性的研究，指出已有研究的不足，以期更好的了解农业非点源污染，对农业非点源氮磷流失风险的时空差异评估和针对性治理研究提供参考依据。

1 农业非点源污染概述

1.1 定义

非点源污染通常是在降水和径流冲刷的作用下，溶解态或颗粒态的污染物从非特定范围的地域通过径流过程汇入受纳水体而引起的污染[12]。其污染源范围的界定就直接影响污染排放负荷量的计算，但由于污染管理水平的差异，不同国家或者地区，对其界定范围往往存在差异[5]。

其中，农业非点源污染是最为普遍和严重的非点源污染，长期以来受人们所关注。农业非点源污染（又称农业面源污染）在学术界主要有两种理解[13]，狭义的含义专指种植业农田污染，而广义上则涵盖了农村生活与农业生产（包括种植业、畜禽和水产养殖业）两个方面。

1.2 产生原因

导致农业非点源污染的主要原因包括以下几个方面：（1）农药、化肥的施用；（2）水土流失污染。其中，土壤侵蚀是规模最大、危害程度最严重的一种农业非点源污染；（3）农村生活污水的未处理或未达标排放；（4）畜禽或水产养殖的粪便排放及剩余饵料等；（5）农村生活垃圾的随意堆放或处理；（6）灌溉污水和（7）大气的干湿沉降等[5,12]。

1.3 污染特点

由于非点源污染主要由降雨径流、土壤侵蚀、地表溶质溶出和土壤溶质渗漏4个过程形成，不同过程之间相互联系、相互作用，导致了农业非点源污染具有来源模糊性、发生随机性、分布广泛性、机理复杂性、时间潜伏性、污染隐蔽性和难监测、难治理等特点[12-13]。

2 农业非点源氮磷流失风险评估的研究综述

2.1 主要氮磷流失风险评估方法

截止目前，非点源氮磷流失风险计算的主要方法有野外实测法、输出系数法、物理模型法和污染指数法[14]。其中，野外实测法需要结合气象条件，长期连续的同步监测降雨量、径流量及水质的过程变化，准确度较高，但兼具监测工作量大、持续时间长且费用消耗高等缺点，不便于该法的普及运用。输出系数法属于经验模型，以实地观察或实验数据为基础，具有结构简单和数据获取容易等特点[15]，但忽略了非点源污染复杂的迁移转化过程[16]，测算精度通常较低，更适用于大范围的污染普查，尤其适用于农业非点源研究初期以及资料缺乏地区，具有较强的实用性。物理模型法考虑了污染物的产生和迁移过程，并定量模拟不同污染物的组分含量，计算结果准确可靠，但模型所需数据资料繁多、机理相对复杂、运行周期长，计算效率低、对尺度较为敏感，更适合于中小流域[14,17]。污染指数法又称概念模型，是一种半定量化评估指标体系，该法包括源因子和迁移因子两个子体系进行评估氮、磷元素从各污染源流失至水体的风险程度。与传统物理模型法的定量化评估不同，氮磷污染指数法的数据需求量少且容易获得、机理简单、操作简便、运行周期短、推广实用性强，并可准确评价区域内氮磷流失的风险高低，便于筛选关键源区和对应的采取针对性治理措施，在大尺度范围的风险评估与关键源区识别方面比其他方法有着显著的优势，近年来在我国得到了广泛的应用[18-19]。以下针对氮磷污染指数法进行阐述。

氮磷污染指数法（氮磷指标体系法）从评价元素的角度可以分为磷指标体系法、氮指标体系法及氮磷综合评估体系[13]。

2.1.1 磷指标体系法

最早的磷指标体系（PI，Phosphorus Index）法来源于1993年，Lemunyon和Gilbert两位学者以土壤本底养分含量、化肥施用量、土壤侵蚀及地表径流为基本指标构建了土壤磷流失的敏感性评价体系，但只对基本指标的影响因子进行统一计算[20]。20世纪90年代末，人们开始将影响因子区分为源因子与迁移因子两类，并以两类因子指标的乘法运算得到最终的磷流失风险[21]，同时发现了磷流失严重的区域主要分布在两类因子的高风险重叠区域，从此，开始了PI法对磷流失的关键源区识别的运用[22]。2000年，Gburek和Sharpley对PI法进行了第二次修正，引入了距河道有效距离因子（农业区距离河道距离）[22]，进一步提高了该法的准确度和可操作性，利于普及运用[23-26]。

国内的学者也对PI法进行了较为广泛的改进与应用。最先引入的是，张淑荣等（2003）应用该法估算了于桥水库流域农业非点源的磷流失风险[27]。后来，王丽华等（2006）根据我国的实际情况，增设了最佳管理措施因子和冰雪冻融因子，修正了磷肥施用量的计算，加强了PI法在我国的适用性[28]；李琪等（2008）基于PI分级方案[29]，也提出了修正的磷分级方案[30]；周惠平等（2008）以巢湖流域为例，引入了土壤磷吸持指数和磷饱和指标，提高了风险评估的准确性[31]。李文超等（2014）以洱海源头典型小流域凤羽河流域为例，根据中国高原特征对PI法进行了简化和修正，建立了中国高原农业流域磷指数评价体系，并应用于研究区农业非点源磷（溶解态磷和颗粒态磷）流失风险的评价及关键源区的识别[32]。

2.1.2 氮指标体系法

随着PI法的发展，氮指标体系（NLIs，Nitrogen Loss Index System）法也于20世纪九十年代中期得到了研究和发展[33]。根据指标体系构建重点的差异，NLIs法可以分为三类：源因子型[34-37]、迁移因子型[38-39]与综合型指标[33]。其中，源因子型的NLIs法的研究集中于对氮源（以氮素平衡指标体系最为典型，即研究氮的输入输出平衡来得到氮的流失量）的分析构建而成，应用最为广泛[35-37]。

就NLIs法在国内的研究发展而言，单独采用该法进行氮流失风险评估的研究很少，主要集中于农田、林地氮流失负荷的估算和氮形态组分流失模型的构建[13]。例如，侯彦林等（2008）等监测了农田的氮素流失，并提出了农田氮淋失过程的“物质、动力和因素”三环节的概念模型，制定了微观或小区域非点源氮污染评价的若干标准与方法[40]。

2.1.3 氮磷综合评估体系

随着氮、磷污染指数体系法的发展，学者们逐步认识到氮磷流失的差异性及分别单独治理的矛盾性。例如，某些减少氮流失的管理措施可能会增加土壤中磷的含量，进而加剧了土壤磷流失；而免耕措施虽然减少了土壤磷流失，却可能促进氮的淋溶，提高氮的流失风险[41]。因此，结合氮、磷两元素进行的氮磷综合评估体系近年来受到了学者们的关注和研究[42]。

最早于2000年，Heathwaite基于对氮、磷单独指标体系的综合分析，开始了构建氮磷综合评估体系的初探，首次提出了综合源因子与迁移因子的农田氮磷流失指标体系的概念模型[43]。随后，该模型体系得到了很快的发展，较具有影响力的代表学者有McDowell[44]、Bechmaim等[45]和Drewry等[18]研究者都相继构建了各种类型的综合评估体系。

随着氮磷综合评估体系的建立和发展，该法近几年在国内也得到了较广泛的应用。张平等（2011）以密云水库沿湖集约化农区东庄小流域为例，发现该流域氮、磷不同元素流失风险的空间分布差异较大，进一步说明了氮磷综合指标的重要性[46]。张汪寿等（2013）以土地利用、径流量和距离因子等为参评指标，利用改进的理想解法确定指标权重，最终建立了多准则分析评价体系，应用于北京怀柔区北宅小流域的农业非点源氮磷流失风险评估与关键源区识别[47]。孙作雷（2015）以土壤侵蚀、地表径流、土壤质地、土壤渗透性及距离河道有效距离为参评指标对苕溪流域农业非点源氮磷污染风险进行了氮、磷及氮磷综合指标的流失风险评价[13]。樊慧慧（2016）对合肥城郊二十辟河流域的某农业汇水区进行氮磷流失风险指数模型计算，表明氮磷流失的高风险区主要分布在距离河流较近的区域，表明迁移因子中距河道距离的重要性[48]。耿若楠（2017）则对淮北地区蚌埠市怀远县某一人工林地土壤的氮磷流失风险进行指数模型计算，结果表明该区人工林氮流失以中等风险为主，磷流失以低风险为主[49]。Ye et al.（2017）对苕溪流域进行了氮、磷及综合指标评价，并筛选关键源区，提出对应非点源污染防治对策[10]。

综上所述，国内学者对污染指数法的应用越来越注重氮磷综合风险的评估。但其应用多数局限于农田、林地等局部区域或者小流域农业非点源氮磷综合流失风险的研究，结合不同水文期的迁移因子进行农业非点源氮磷及综合流失风险的时空分布特征的有关报道仍属鲜见[10,18]。

2.2 氮磷流失的时间差异性

氮、磷流失过程是一个涉及土壤类型、水文条件、地形地貌、土地利用类型等多种因素的复杂非点源污染过程。与空间上的关键源区相似，农业非点源污染负荷在时间上也存在一定的变化规律，与降雨径流是农业非点源污染输出、迁移的最主要动力紧密相关。研究表明，年际或年内水文过程的差异对氮磷流失的影响显著[10]，其污染负荷输出可能会集中于某一水文年或年内某一水文时期或某一季节表现得更为严重[50]。

高超等（2005）表明旱地和水稻田用地在极端降水事件（高强度降水）期间随地表径流发生流失的养分含量占全年流失总量的50%以上[51]。张继宗等（2009）对太湖平原农田区域径流氮磷污染监测结果表明，降雨量越大，历时越长，农田氮磷流失浓度和流失量越大，因此，汛期的径流氮磷流失几率和流失强度均大于非汛期[52]。张皓天（2010）[53]、刘博等（2011）[14]、Francesconi,et al.（2016）[54]、Lee,et al.（2018）[55]利用SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型进行不同流域非点源氮磷污染评估，结果都表明了，氮磷污染负荷量与降雨量呈正相关关系，汛期是氮磷负荷输出的关键期。施练东等（2011）通过应用SWAT模型，模拟出汤浦水库流域农业非点源氮磷污染负荷的季节变化规律呈不规则的“W”形态变化，雨季前期（5到6月）和作物收获后（10月），流域内氮磷的流失量会达到全年的最大值[56]。张桂轲（2016）以SWAT模型对长江流域非点源氮磷流失风险进行模拟的结果表明，氮磷输出负荷在年内分布差异显著，丰水期总氮和总磷的负荷强度远远高于枯水期，5月至9月总氮、总磷负荷量占全年总负荷量的比例分别为74%和85%。其中，氮素的输出受到降雨、径流动力传输过程和氮素供给量的共同控制：农业流域氮素供给充足，降雨、径流过程的控制作用更加凸显，因此，汛期的氮素浓度高于非汛期；而在非农业流域，受氮素供给量的控制，汛期氮素浓度可能还低于非汛期[57]。

3 小结

综上所述，在不同区域内，各因素随时空尺度及局部环境的变化对非点源氮磷流失产生的影响力亦随之变化，因此，如何有效地模拟和估算全球各流域氮磷流失风险状况仍是困扰研究者的一个现实难题[5]。同时，水文过程的差异对氮磷流失的影响显著[10,18]，通过合理评估研究区域的农业非点源氮磷污染负荷的时空分布差异，识别并筛选氮磷流失发生严重的关键源区和关键期，对于采取时空针对性的非点源污染的防治是极为必要的。但有关非点源氮磷流失关键期筛选的报道多运用物理模型（主要是SWAT模型）进行，尚缺乏氮磷综合流失风险模型的运用。而运用氮磷及综合污染指数法尚局限于关键源区的筛选，并多集中于农业小流域或者局部的林业区，缺乏关键期的筛选[31]。因此，亟待结合不同水文期的差异加强氮磷及综合流失风险的时空差异研究。