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

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。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。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、监测频率、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、时空尺度异质性、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。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)、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。     

面源污染最佳管理措施多目标协同优化配置研究进展

随着点源污染逐渐得到有效控制,面源污染逐渐成为我国多数地区影响水环境质量安全的主要因素。推广实施最佳管理措施(Best Management Practices, BMPs)被认为是控制面源污染的有效途径。受到区域种植制度、耕作方式、政策以及经济成本等因素的影响,导致流域尺度配置BMPs存在一定的困难,特别是随着流域空间尺度的变化,会进一步加大BMPs配置难度,使得BMPs的配置工作变为了一项多目标决策优化问题,即如何在有限的成本投入下,实现水环境质量改善的目标。需要在不同空间尺度下对流域BMPs进行多目标协同优化配置。从面源污染关键源区识别、BMPs削减效率评估以及BMPs多目标协同优化模拟3个方面对面源污染BMPs多目标协同优化配置研究进行了综述。结果表明:1)包含地块尺度和流域尺度的多尺度模型耦合系统的构建,将是实现关键源区精准识别的有效途径;2)BMPs削减效率对水质改善响应的滞后性、不确定性、时空异质性、污染物形态转换风险等均是今后BMPs削减效率评估中需要重点解决的关键问题;3)建立流域污染物负荷削减量与水质改善之间的非线性响应关系,并以此为基础将BMPs组合数据库、成本数据库以及基于进化算法的的优化配置方案进行耦合,进而构建多目标决策支持系统,以获取BMPs空间优化配置方案以及多目标成本-效益最优曲线。     

最佳管理措施评估方法研究进展

针对流域非点源污染的关键源区,进行最佳管理措施(BMPs)的配置,是非点源污染控制的有效途径.污染削减效率的准确识别对于BMPs在目标流域内的有效实施具有非常重要的意义.通过综合对比和分析实地监测、养分平衡、风险评估以及模型模拟等四类最佳管理措施评估方法的有效性、特点、适用条件及其局限性,得出以下结论:养分平衡法较为简便且易于使用,相较于其他方法,所需时间短且又可以消除评估效果的滞后效应,但对污染物削减的时间效应和传输过程影响考虑较少.风险评估和模型模拟方法可以更好地应对不同时空尺度下削减措施效率的评估,但需要大量实测数据的支持,同时模型模拟中普遍存在的时空不确定性影响很难消除.由于各种评估方法都有一定的适用条件,单一方法难以有效地完成评估目标,需要综合应用各类方法,才能最大程度地发挥这些方法的潜在功能和有效性,进而实现BMPs措施使用的成本-效益目标.     

农业政策环境扩展模型在我国农业面源污染研究中的应用

我国的面源污染问题逐渐受到政府和科学界的重视,然而面源污染是一个复杂的系统过程,涉及多种因素和多个过程。面源(NPS)污染模型作为解决面源污染相关问题的研究和管理工具,在进行面源污染总量估算和严重程度评价、污染物流失路径和影响因素分析、治理策略制定等方面都有重要的作用。在我国,虽然针对面源污染模型进行了大量相关研究,既包含对基于国外模型的应用与验证,也包含基于观测数据自主研发的模型,但仍然存在模型应用和验证案例不足、已有的模型应用同中国面源污染特征结合不足、模型发展同面源污染机理研究结合不足等问题,而农业政策环境扩展(APEX)模型在应对这些问题上具有一定的优势。结合我国面源污染模型相关研究存在的问题、APEX模型模块和研究进展进行了介绍,对APEX模型在我国面源污染相关问题的研究中涉及的畜禽养殖、复杂耕作系统、特定BMP和水稻田的模拟等相关问题的应用前景进行了探讨,以期能够促进我国农业面源污染模型的发展。     

海河流域面源污染风险格局识别与模拟优化

面源污染是海河流域面临的主要水生态环境问题,如何通过流域景观格局优化实现对面源污染的控制一直是研究的热点问题。通过最小累积阻力模型,以海河流域为研究对象,将流域景观要素及影响流域景观过程的外部因子相结合,对海河流域面源污染风险格局进行了识别,并将阻力格局与海河流域实测水环境指标进行相关性分析及验证,在此基础上对流域污染风险进行识别与优化模拟。结果表明海河流域有40%以上(130380 km2)区域面临高污染风险,集中分布在中南部平原地区以及山区河谷地带;对此设置河流植被缓冲带进行格局优化模拟分析,通过比较不同措施格局优化阻力值变化趋势表明,对于二级河流水系,加强河流两岸600—1600 m范围的人类活动管控,可以有效降低污染物输出,显著降低流域面源污染发生的风险。在面源污染风险等级较高的平原地区,设置300—400 m植被缓冲带,可将风险等级降低50%,设置700—800 m岸边植被缓冲带即可达到最佳效果;而在山区地区因风险较低,设置400—500 m的植被缓冲带即可达到最佳效果,能够将污染风险在现有基础上降低30%—40%。这一研究结果对海河流域景观格局优化和面源污染风险控制提供科学参考。     

基于径流路径的分布式面源污染模型研发与应用进展

精准刻画地表径流的路径及其所携带的面源污染物随径流的输移过程是准确估算面源污染入水体量、污染关键源区辨识和高效防控的关键,在我国以小农户种植为主、景观特征复杂的地理条件下尤为重要。鉴于目前常用的面源污染模型大都起源于国外,往往对径流路径的空间差异性及污染物陆面输移过程进行概化,介绍了一个基于径流路径的分布式面源污染模型(STEM-NPS)及其研发与应用进展。阐述了该模型的研发背景、模型原理和结构,说明了STEM-NPS模型对地表径流汇流及其所携带的污染物输移过程的精细化表达方法;介绍了该模型在不同地理环境及尺度的应用进展,展示了其在地块尺度的面源污染关键源区辨识,关键过程和关键影响因素解析及面源污染监管决策支持等方面的功能;探讨了STEM-NPS模型与其他常用模型的异同,并结合生态学研究和面源污染精准防控的需求,提出模型的应用前景及进一步发展的方向。     

农业面源氮污染控制措施滞后效应形成机理与评估方法研究进展

推广实施最佳管理措施(BMPs)被认为是防治农业面源污染的有效途径,然而许多流域实施BMPs后通常难以在预测的时间内实现水质改善目标,导致人们对BMPs的有效性提出质疑。受流域内养分遗留效应影响,BMPs实施后的环境质量改善效益可能不会立刻显现(也即“滞后期”),这是由于过去人为活动输入的过量营养物质在流域水文传输和生物地球化学转化过程中的积累所致,当来自外部的污染负荷减少时,这部分营养物质的汇集和释放可能掩盖治理措施对于水质改善的影响。鉴于遗留的营养物质在延迟水质改善方面的关键作用,滞后期的量化评估对于全面分析污染成因,科学配置BMPs,有效治理流域农业面源污染,提升水质改善效率非常重要。以农业面源氮控制措施的滞后效应形成机理和评估方法为主线,概述了流域尺度氮累积和滞后效应产生的主要机理,述评了氮污染滞后效应的量化评估方法,提出目前大多数流域模型尚不能很好的表述滞后效应以及缺乏解决水文和生物地球化学遗留效应的能力,并对未来BMPs优化配置研究提出建议：(1)摸清流域水文传输过程和生物地球化学转化过程对BMPs控氮效益滞后期的影响,分析污染负荷削减的时空响应规律;(2)构建包含土壤、浅...     

稀土元素在植物中的分异及其概念模型

通过添加外源混合稀土、溶液培养等方式, 研究了稀土元素在大豆植株中的分异特征及其机制. 大豆根和叶中分别出现显著的中稀土(MREE)富集和重稀土(HREE)富集, 茎中出现轻、 重稀土(LREE/HREE)的轻微分异, 同时在以上器官观察到四重效应. 通过X射线吸收光谱(XAS)分析和纳米TiO₂吸附技术分析了根及木质部伤流液中稀土离子的存在形态, 结合其他条件实验结果, 推断稀土元素在根中的分异主要由细胞壁吸附及磷沉淀主导的固定机制造成, 而地上部的分异由内源有机配体作用下的转移机制与固定机制共同造成, 并在此基础上提出了稀土元素在植物中分异的概念模型.