农田养分管理与面源污染控制模型的研究

孙本发 张雪莲

摘要：本文重点介绍了农田养分管理与面源污染控制模型的研究背景、意义和应用进展，讨论了Wisconsin590（WI590）模型在农田养分管理与面源污染控制中的应用类型、影响因素、过程机理和描述方法。在此基础上，对该模型在土地养分管理、环境预测控制以及农业生产规划的研究前景进行了展望。

关键词：养分管理;面源污染;环境预测;模型

Abstract：This paper focuses on the research background， significance and application progress of farmland nutrient management and non-point source pollution control models. The application type， influencing factors， process mechanism and description method of Wisconsin590 （WI590） model in farmland nutrient management and non-point source pollution control are mainly discussed. On this basis， the research prospects of the model in land nutrient management， environmental prediction control and agricultural production planning are prospected.

Key words：Nutrient management;Non-point source pollution;Environmental prediction;Model

隨着人类对水环境问题的关注，水环境污染问题中非点源污染，正被各国环境保护部门重视起来[1]。据统计，国内131个主要湖泊中，已达富营养化程度的湖泊有67个，占51%。其中氮流失已成为非点源污染的重要形式[2]，磷是促进河流湖泊内藻类与其他水生植物的生长因子[3]。而在非点源污染中，农业污染表现最为突出[4]。在欧美农业高速发展时期，养分流失对水体和大气的污染环境问题日益加剧。在作物施肥过程中，养分过量和不适当的使用，使得氮（N）和磷（P）等养分在土壤中过量盈余，并损失到地下水、地表水和大气环境中，从而给当地以及下游水域的环境带来巨大挑战，经历了先污染后治理的教训。

在与国外学者交流时了解到，其所在州对农田养分管理政策和面源污染控制模型的研究日渐成熟，相关模型已在氮磷肥料管理、养分径流控制以及环境预测方面得到了很好应用，且获得了较为显著效果[5]。本文介绍了该州重点区域的养分管理模型，以及如何根据标准P指数建议来控制农田N、P损失，预测特定区域养分流失与水环境质量的关系。我国已发展了一些养分流失数学控制模型，本文通过借鉴该州较为完善的养分管理成果，为我国农田养分管理与流失控制模型研究和完善提供参考。

1 面源污染控制模型研究历程

1970年前后，农业资源和生态环境保护方面开始走入法制管理的道路。到20世纪末，开始提出养分管理计划，经过不断修正和完善，目前已经在各州开始实施。据统计，标准水系河流中1996年、1998年和2000年主要污染源——农业对河流污染的贡献率分别为25.0%、20.3%和18.4%，下降的趋势明显。

2 模型在农田养分管理中的应用

通过对养分来源、含量、分布、形态与时间管理，将研究结果整合为一个养分管理工具和营养流失风险评估工具。根据当地土壤特性制定田地管理措施，提供一定区域的径流风险，提出基础养分管理规范。特别是把磷指数整合到NRCS590的养分管理标准中，以磷为基础进行的养分管理，即WI590养分管理计划。

2.1 无线WI590养分管理系统

2.1.1 WI590养分应用限制地图

为更好地提供农田养分管理，WI590肥料咨询系统对各县土壤特征都有记录。如想了解某地块详细信息，只需点击对应链接，系统将会为你提供查询所需内容。包括地区土壤主要类型和次要类型，如地形地貌、土壤性质、母质类型、排水条件、地下水深度、易淹地块和旱地区等内容。

系统在运行中使用独特的土壤编码，包括渗透率、基岩深度值、上层滞水面、映射单元有无限制，无限制条件的土壤一般不太可能有NRCS590的限制。土壤编码的坡度边界值为9%和12%，共有5个编码区间范围，地图中以不同颜色体现（如图1）。

2.1.2 互动WI590限制地图

养分的种类、施用量以及应用地点，不仅会造成作物产量差异，还会引起径流污染环境的差异。WI590养分施用限制地图能够根据土壤类型、坡度和距水源距离等条件提供养分管理计划。不论施用的是农家肥还是化学肥料，都可通过该模型了解具体田块经济效益高、淋失量低的最佳施肥量，达到肥料高效利用，控制环境污染问题。

该服务可在线访问“非冬季施肥”“秋季氮限制”及“冬季限制”等不同图层，对于有ESRI桌面软件用户，可在系统中直接应用。

在模型界面图中，可以选取要查询的地区，查看土壤不同性质、肥力状况、径流风险预测及施肥建议等。

2.2 短期径流风险预测

径流风险预测咨询地图能够显示每日的径流风险，它使用国家气象服务（NWS）预报方法，考虑了降水、土壤水分和个体流域特征，能为各种施肥和其他土地管理提供减少径流损失帮助。

2.2.1 预测地图解释

农田养分径流风险评估预测地图上方径流区有3个风险图例（如图3），红色（高风险）-预测流域内大多数农田将产生径流;橘黄色（中等风险）-预测流域内部分农田产生径流;黄色（低风险）-预测流域内无径流风险。模型提供近3天预测结果，超过3天的预报，数据不确定性会相对较高。

2.2.2 关于模型预测结果

该模型假设流域范围内的土壤水分为平均值，如果某块农田特别潮湿，则该农田径流风险会高于地图上显示值，相反亦然。当施液体肥时，土壤含水量会增加，农田径流风险也会较地图显示的高。

3 当前问题及发展趋势

（1）目前，国内外没有任何一种模型是通用的，即使是物理过程模型，也具有区域性。在实际应用中，都不同程度存在参数繁多、率定困难、精度较低、对非点源污染过程的模拟不够全面等问题。因此，需要在充分了解模型的工作原理基础上，对模型进行修正和后期校验处理，研究尺度拓展及不同尺度的模拟转换。

（2）多学科联合，扩展农业非点源污染模型的应用范围，进一步完善模型功能。现在各模型已从单一组分研究转向多组分作用的综合模型开发，在复杂的物理、化学、生物及环境影响下，模型中还有许多因子是以假设条件存在，这就可能导致模拟中出现较大的实际偏差，后期研究需要确定这些假设因子，来提高模型工作的准确性。

4 结束语

综上所述，农业面源污染问题是当下农业生产活动遗留的较为严重的问题，各地要正确认知面源污染问题，认真分析面源污染的原因，利用现有资源对养分管理与控制模拟模型进行继续研发，建立适合我国不同区域特征，并能反映区域时空变异特征的农田管理模型。

参考文献

[1]郑一，王学军.非点源污染研究的进展与展望[J].水科学进展，2002，13（1）：105-110.

[2]闫瑞，闫胜军，等.农业非点源氮污染研究进展分析[J].环境保护科学2014，40（4）：49-55.

[3]徐德兰，雷泽湘，等.东太湖河流水生植物群落对磷及有机质的生态效应[J].海洋湖沼通报2008（4）：27-33.

[4]刘洁，马友华，等.巢湖流域农业面源污染现状分析及防治对策思考[J].农业环境与发展2008（6）：13-16.

收稿日期：2020-06-07

作者简介：孙本发（1986-），男，汉族，硕士研究生，中级工程师，研究方向为环境影响评价和环境工程研究。