水田侧渗缓冲带保护模型

程公德　殷国玺　谢崇宝等

摘要： 为减少污染物通过水田侧渗方式对村镇饮用水源地造成污染，在水田边界布置植被缓冲带，研究污染因子在缓冲带下的净化规律。根据试验数据拟合污染因子衰减函数，应用ArcGIS软件的模型构建器“ModelBuilder”工具构建水田缓冲带保护模型，模拟缓冲带内污染因子随距离变化的衰减规律，确定不同去除率对应的缓冲带宽度。选择狗牙根作为植被缓冲带，研究土壤总氮、总磷、硝态氮的衰减规律，拟合衰减曲线，构建植被缓冲带保护模型。

关键词： 水田边界；侧渗；缓冲带；衰减函数；ModelBuilder；模型

中图分类号： X592 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）08-0397-03

我国南方地区水稻田氮肥、磷肥流失已引起毗邻水体污染进一步加剧，尤其是对村镇饮用水源地污染严重，因此最大限度地拦截迁移过程中的污染因子对治理农业面源污染尤为重要 [1-2]。目前，缓冲带是有效降低污染物浓度和防止污染物扩散的重要生态工程措施 [3-5]。王华玲等采用坡地小区试验方法，分析不同植被缓冲带对坡耕地地表径流中氮、磷的拦截效果，得到植被缓冲带对径流中氮、磷表现出较高的去除率 [6]；王磊等研究了缓冲带剖面利用电导率和示踪方法，结果表明湿地缓冲带对氮、磷营养元素有明显的去除效应 [7]；Lee等通过模拟降水和径流，比较了由不同冷季植物组成3、6 m 宽度的缓冲带农田径流中对降低氮、磷元素的效果 [8]。然而这些研究均是关于农田径流流失及其缓冲带的研究，针对水稻田侧渗流失的研究相对较少，缺乏特定流域的侧渗缓冲带净化规律。

水稻田经常需要保持一定的水层，水稻田侧渗是指在水稻田发生的污染物水平迁移流失，可造成大量氮肥、磷肥流失，是农业面源污染物输出的重要途径之一 [9-10]。我国南方地区气候湿润、降水相对丰沛，土壤水分饱和度较高，地下水位接近地表，通过提高水田田埂高度，在施肥期防止发生地表排水，使氮肥、磷肥通过侧渗途径进行迁移传输 [11]。在污染因子侧渗迁移过程中，缓冲带通过截留和净化作用削减氮、磷等元素，从而减少污染因子进入水体，进而污染村镇饮用水源地 [5-6]。本研究以水稻田边界条件下狗牙根缓冲带为研究对象，分析侧渗过程中的主要污染因子衰减规律，拟合污染因子衰减函数，在此基础上运用ArcGIS软件的模型构建器“ModelBuilder”功能构建水田侧渗缓冲带保护模型，以期为水田侧渗缓冲带研究提供借鉴。

1 材料与方法

1 1 试验田概况

试验田为南方地区典型水稻田，位于江苏省句容市后白镇林梅村，属典型的低山丘陵地区，年平均降水量 1 018 6 mm，土壤结构良好，黄土层深厚，pH值5 5～6 5。研究区域属亚热带季风气候，四季分明，光照充足。水稻种植按当地耕作模式进行，5月打浆、插秧，8月下旬排干稻田积水，10月中上旬收割，氮肥40%作基肥，60%作追肥，共施氮肥（以氮计）165 kg。

1 2 试验设计

水稻田周围为水田田埂，田埂宽度0 8 m、高度 0 3 m，田间水面不超过田埂高度，在水田生长期正常施肥。水稻田一侧为常年正常生长的狗牙根缓冲带，用取土套管在狗牙根缓冲带内沿着垂直于水田方向上不同距离处采取地表以下 0 3 m 处的土壤，对土壤进行测试。采用半微量开氏法测定土壤总氮（TN）含量，采用碱熔-钼锑抗分光光度法测定土壤总磷（TP）含量，采用紫外分光光度测定硝态氮（NO-3-N）含量。

1 3 技术方法

缓冲带作为农田和水体之间的过渡带，在控制氮、磷等面源污染物输入方面发挥着重要作用，对治理农业非点源污染问题尤为重要 [5]。本研究探讨在水田田埂边界下狗牙根植被缓冲区对污染因子水平迁移过程中的净化效果，通过数据拟合方法归纳出狗牙根缓冲区的污染因子衰减曲线 [12]。运用ArcGIS软件的模型构建器“ModelBuilder”功能，将衰减曲线放入“模型构建器”中 [13-14]，模拟缓冲带内污染因子随缓冲区距离的衰减过程，确定不同去除率对应的缓冲带宽度 [15]。

2 数据处理

2 1 数据采集

在距离水稻田边界分别为0、1 1、2 1、3 1、4 1、5 1 m处地面下0 3 m处取土样，测定土样总氮、总磷、硝态氮含量。通过去除率反映不同距离处的狗牙根对污染因子的净化能力，得出随狗牙根缓冲带距离变化的总氮、总磷、硝态氮含量去除率 [10]。去除率计算公式为：

V=（C0-Ci）/C0×100%。 （1）

式中：V为去除率，%；C0为稻田边界土壤污染因子含量；Ci为不同距离处污染因子含量。

表1为水稻边界不同距离处的土壤污染因子含量数据，其中0 m土壤污染因子含量为C0数据，其余距离处的土壤污染因子含量为Ci数据。从表1可知，土壤污染因子含量数值随水稻田边界距离的增大而减小。

通过公式（1），利用C0、Ci数据计算狗牙根植被缓冲带不同距离处的土壤因子含量去除率，由表2可见，土壤污染因子去除率随距离的增加而增大。

2 2 拟合衰减函数

由植被缓冲区的土壤污染因子去除率（表2）可知，离水田近的地方土壤污染因子去除率比离水田远的地方变化更大，可采用对数模型拟合有关数据 [12]。对狗牙根植被缓冲区总氮、总磷、硝态氮污染因子去除率变化数据进行拟合，得到总氮、总磷、硝态氮污染因子去除率随距离推移的衰减曲线（图1）。

3 1 构建步骤

ArcGIS软件的“ModelBuilder”模型构建器是一个用来创建、编辑、管理模型的应用程序 [16-18]。水田缓冲区的保护模型是将植被缓冲区污染因子去除率衰减函数通过一系列处理表达出来，便于显示水田边界、缓冲区种类、去除率、缓冲区宽度的联系，确定缓冲区宽度及可视化显示。利用模型构建器构建该保护模型的步骤如下：（1）新建模型。打开“ArcMap”程序，加载水田专题图层（包括水田、水田边界），在“ArcToolbox”中新建工具箱（如“保护模型”），并在工具箱新建模型（如“水稻田侧渗缓冲带保护模型”），设置模型属性；（2）编辑模型。打开“水稻田侧渗缓冲带保护模型”，进入模型“ModelBuilder”编辑窗口，依次添加数据、变量和“ArcToolbox”空间处理工具，进行相应连接；（3）模型参数化。设置模型界面中的“水田边界”“去除率y”“总氮、总磷、硝态氮衰减参数1”“总氮、总磷、硝态氮衰减参数2”为模型参数（P），模型流程见图2；（4）运行模型。验证模型，双击“水稻田侧渗缓冲带保护模型”，输入模型参数，查看运行结果。双击“水稻田侧渗缓冲带保护模型”应用界面为“GUI”界面（图3）。endprint

3 2 模型应用

在水田边界应用狗牙根植被缓冲带硝态氮衰减规律模型，步骤如下：（1）在“Arctoolbox”模块下双击“保护模型”工具箱中的“水稻田侧渗缓冲带保护模型”，打开模型的“GUI”应用界面；（2）在“GUI”应用界面输入狗牙根植被缓冲区的“水田边界”“去除率y”、硝态氮“衰减参数1”、硝态氮“衰减参数2”模型参数，其中去除率y为70%，硝态氮衰减参数1为0 02，硝态氮衰减参数2为0 909 9；（3）运行该模型，得到狗牙根植被缓冲带在硝态氮去除率为70%下的水田缓冲区（图4）。

图4显示，在水田边界初始土壤硝态氮含量为0 138 7 g/kg、 硝态氮去除率70%的情况下，狗牙根植被缓冲区宽度为 3 7 m，缓冲区末端土壤硝态氮含量为0 041 61 g/kg，土壤硝态氮含量明显降低，阻断了水田中的污染因子水平侧渗迁移。

4 结论与讨论

本研究拟合了植被缓冲带污染因子衰减函数，应用 ArcGIS 的“ModelBuilder”工具构建保护模型，通过应用该保护模型，污染因子经过水田边界狗牙根植被缓冲带水平测渗迁移可有效降低，直观地显示缓冲带效果。与其他研究相比，本研究具有定量分析、应用性示范研究、图形可视化等特点。

由于区域性影响，该保护模型可适用于本研究区域水田的侧渗缓冲带设置，由于南方地区自然环境和耕作方式等存在差异，其他地区污染物的侧渗输出规律将有所不同，因此该保护模型可在试验基础上推广应用于其他南方地区的水田侧渗污染因子研究。

植被缓冲区净化效果因组合种类和组合方式不同而不同，衰减规律变化具有复杂性。本研究仅针对单一植被缓冲带效果进行研究，今后研究中可改变组合种类和组合方式以达到植被缓冲区的最佳效果。

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