农业面源污染管理政策调控仿真模型研究进展

农业面源污染因其分散性、滞后性和不确定性而成为环境治理的难点。面源污染物迁移转化过程的模拟模型发展迅速,而农业面源污染管理政策仿真评估模型研究相对较为滞后。系统梳理与分析了自上而下宏观目标约束、自下而上微观行为传导及宏观与微观上下耦合三类政策仿真模型研究进展,总结了当前模型的基础理论与方法的优势与不足。本文提出了融合流域水系统过程规律认知,构建宏观政策目标自上而下约束与微观主体行为自下而上传导耦合的农业面源污染政策仿真模型,实现政策仿真模拟在国家、区域、流域与栅格跨尺度上的嵌套传导、参数互验与系统预测,以解决因农业面源污染防治主体的多元性与防治对象的广泛性特征所导致的复杂性系统难题,使得政策效应模拟仿真结果空间显性化,进而实现农业面源污染控制的政策管理由粗放型向精准化方向迈进。     

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。     

基于农业面源污染分区的三峡库区生态农业园建设研究

在三峡库区建立生态农业园是解决库区农业、环境和生态问题的有效措施。以农业面源污染分区为基础,探讨三峡库区重庆段生态农业园的建设模式和对策。结果表明:(1)根据地形地貌特征,将生态农业园规划为三大生态农业区,低海拔平坝丘陵生态农业区适宜发展"粮果蔬-猪-沼气-粮果蔬+休闲旅游"复合型高效农业模式,中海拔低山生态农业区可采用"粮-林-畜-沼气-草"的生态农业园建立模式,高海拔高山生态农业区适宜发展林草牧药复合型高效生态农业发展模式。(2)结合农业产业发展,确定了生态种植园、生态养殖园和生态综合园为该区的生态农业园建设方向。划分归并后的五大农业面源污染产污区中,库首外围丘陵山地产污区适宜以生态种植园为主导发展方向;库尾丘陵山地产污区可主营生态养殖园;余下3个产污区的发展核心都宜放在生态综合园建设。(3)三大生态农业区中的中海拔低山生态农业区和五大产污区中的库中平行岭谷产污区是库区生态农业园的建设重点。(4)为保障生态农业园的建设,应积极促进国家、政府、企业和农户之间的合作关系,不断创新和提升农业面源污染防控和农业生产技术。     

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...     

流域水文模型在面源污染模拟与管控中的应用研究进展

面源污染是影响流域水环境和水安全的重要污染来源,对其进行有效防控需要对其负荷以及防控措施效果进行科学高效精准的预测。流域水文模型(Hydrological Simulation Program-FORTRAN,HSPF)具有突出的综合性和灵活性,是面源污染模型的典范。近年来,HSPF模型应用于我国流域面源污染相关的研究和实践有了飞速发展,但同样也面临着模型机理和参数本地化、模型构建精细化、模型结构不确定性较大等方面的挑战。围绕该模型在面源污染模拟与管控中的研究进展,对其在变化环境下的模拟方法和成果,以及应对参数识别、不确定性分析、措施效果评估和总量控制的思路和方法等方面进行了总结,并分析了现代化环境模拟形势下HSPF模型的延伸发展。结合模型相关研究的总结,强调了面向我国流域特色的本地化模型改进、服务河长制精细监管的大尺度精细化模拟、以及模型与大数据统计及人工智能耦合的互馈集合模拟等后续研究是需要重点关注的发展动向。     

基于CLUE-S模型的密云县面源污染控制景观安全格局分析

探讨了基于安全格局分析和"源-汇"生态过程理论,利用土地利用变化模型,研究以面源污染控制为目标的土地利用空间模拟情景分析。基于"源-汇"生态过程理论,利用空间数据库计算了密云县水库周围面源污染控制的景观安全格局,分析了低安全格局中的有较大面源污染风险的土地利用变化过程。基于现状社会经济驱动因子和邻域因子,利用CLUE-S模型模拟了2个情景下的土地利用发展:情景1为现状趋势发展,情景2为反规划途径,即限制低安全格局中具有面源污染风险的土地转变过程,其余地区按现状趋势。结果表明:情景1现状趋势发展下,未利用地复垦和农业用地结构调整两种土地利用转变过程有较大面源污染风险。情景2低安全格局中被限制发展的耕地和果园在模型模拟中转移到了中安全格局内,低安全格局中植被恢复能够增强了对上游污染物的截留;虽然面源污染"源"类型土地总量没有发生变化,但是由于土地格局的优化,整体面源污染风险会降低。     

微藻源生物刺激剂的制备及在设施农业中的应用

化肥和农药的过量使用导致的农业面源污染已经成为我国环境污染的重要组成部分,对农业绿色高效安全生产及设施农业带来了巨大挑战。寻找新型的传统化肥替代品、提高化肥使用效率及保护生态环境是亟待解决的重大问题。生物刺激剂是具有调控植物生长作用的成分和(或)微生物的统称,用于农业生产,可改善土壤理化性质与群落微生物,能促进作物的代谢与生长,增强对营养物质的吸收和利用,提升作物抗逆能力及提高作物产量与产品品质。微藻体内具有结构新颖、功能独特的天然活性物质,是制备新型生物刺激剂的理想来源。微藻用于环境治理的同时,可获得足量的微藻生物质来制备生物刺激剂,从而达到治理环境、降低成本及提质增效的目的。就微藻源生物刺激剂的定义及功能、微藻全细胞和天然活性物质生物刺激剂的制备、应用效果及对植物和土壤的作用原理进行综述,以期为微藻源强效生物刺激剂的规模化制备及农业生产应用奠定理论基础和提供生产实践指导。     

基于农户受偿意愿的农业面源污染治理生态补偿标准及影响因素

农业面源污染治理的关键是从源头有效激励农户主动减施或不施农药化肥,而农业面源污染治理的受偿标准及影响因素对于持续推行生态补偿政策具有重要意义.本文从洞庭湖流域农户调研数据出发,基于效用理论和补偿原理构建效用函数测度农户参与农业面源污染治理个人效用最大化时的生态补偿额度,并利用二元Logistic回归模型分析农户受偿意愿...     

人工神经网络模型及其在农业和生态学研究中的应用

对于一些复杂的农业生态系统,人们对其生态过程了解较少,且这些系统的不确定性和模糊性较大,用传统的方法难以模拟这些系统的行为,神经网络模型因为能较精确地模拟这些系统的行为,而引起生态学者们的广泛兴趣。该文着重介绍了误差逆传神经网络模型的结构、算法及其在农业和生态学中的应用研究。误差逆传神经网络模型一般采用三层神经网络模型结构,三层的神经网络模型能模拟任意复杂程度的连续函数,而且因为它的结构小而不容易产生与训练数据的过度吻合。误差逆传神经网络模型算法的主要特征是:利用当前的输入误差对权值进行调整。在生态学和农业研究中,误差逆传神经网络模型通常作为非线性函数模拟器用于预测作物产量、生物生产量、生物与环境之间的关系等。已有的研究表明:误差逆传神经网络模型的模拟精度要远远高于多元线性方程,类似于非线性方程,而在样本量足够的情况下,有一定的外推能力。但是误差逆传神经网络模型需要大量的样本量来保证所求取参数的可靠性,但这在实际研究中很难做到,因而限制了误差逆传神经网络模型的应用。近年来人们提出了强制训练停止、复合模型等多种技术来提高误差逆传神经网络模型的外推能力,也提出了Garson算法、敏感性分析以及随机化检验等技术对误差逆传神经网络模型的机理进行解释。误差逆传神经网络模型的真正优势在于模拟人们了解较少或不确定性和模糊性较大系统的行为,这些是传统模型所无法实现的,因而是对传统机理模型的重要补充。     

孢粉生态群模型(SEG)及其在古环境研究中的应用

介绍孢粉生态群(Sporomorph EcoGroup,简称SEG)模型的概念、方法及应用。孢粉生态群由荷兰学者Abbink等于1998年最早提出,定义了包括高地、低地、河流、先驱、海岸及潮汐六种SEG类型,并确立了相关古环境的指示参数。该模型成功应用于中生代非海相地层的高分辨率古环境重建、古气候波动及海平面变化等领域的分析与研究。与传统孢粉地层学相比,孢粉生态群模型的优势在于在对高分辨率孢粉记录进行半定量化研究的基础上,可以进行详细的古生态古环境解释,尤为重要的是可以反映出古气候、古环境的波动变化。该模型在中生代孢粉学中率先得到成功应用,涉及三叠纪—白垩纪地层及若干重要地质事件,为中生代非海相地层古环境重建研究提供了有效途径和成功范例,对于我国陆相中生代地层及古环境研究具有积极借鉴意义。     

Agricultural non-point source pollution in the Yongding River Basin

More and more nitrogen and phosphorus chemical fertilizers are applied in the upstream of the Yongding River Basin. With the aid of convertibility between emergy and value, the calculated ESI (Environmental Sustainability Index) of basin agricultural production is 0.1056, indicating that local agriculture is seriously unsustainable. According to the different combining types of nitrate and ammonium salts with soil particles, soil nitrogen losses under the influence of rainfall-runoff are quantitatively evaluated from the perspective of the nitrogen cycle. By virtue of the content of dissolved and particulate phosphorus in soil, the calculation process for soil phosphorus loss is modeled according to the field runoff volume. The total nitrogen and total phosphorus losses from soil are 96 kg hm⁻² and 9 kg hm⁻², respectively. The calculation result of nitrogen and phosphorus losses in the basin is certainly reasonable. Finally, the research emphasis of calculation method for reducing basin agricultural non-point source pollution is represented from management level.     

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。     

坡改梯工程对胡家山小流域非点源污染负荷时空变化的影响

以丹江口库区胡家山小流域为研究对象,利用2005、2010和2015年3个时期的Landsat TM/ETM遥感影像,结合长期野外观测资料,应用输出系数模型,在GIS技术支持下,研究了以坡改梯工程为主要内容的小流域综合治理工程实施前后,流域非点源污染总氮(TN)负荷的时空变化及其影响因素.结果表明: 由于坡改梯工程的实施,流域内坡度15°以上区域的耕地面积明显增加,林地和荒地面积有所减少.流域非点源污染TN负荷由工程实施前的63028 kg增加到2010年的72778 kg ,实施后则降低到46876 kg.其中,农村生活的贡献率较高,3期平均贡献率为53.5%,但呈逐年减少趋势;土地利用的贡献率平均为45%,呈逐年增加趋势;畜禽养殖贡献率始终较低.流域非点源氮素负荷强度的空间分布在工程实施前后发生了较为明显的变化.实施前,高负荷强度区主要集中在5°～15°坡度区间,实施后高负荷强度区集中在15°～35°区间,5°～8°区间成为低负荷强度区;在时间变化上,0°～8°坡度区间的TN负荷强度随时间的变化较小,8°以上坡度区间,表现为先增加后减少的趋势.随着村落污水、垃圾和畜禽粪便得到治理,居民生活、畜禽养殖非点源氮素输出明显减少;由于坡改梯工程的实施,耕地面积增加了31%.     

非点源污染输出对土地利用和社会经济变化响应的案例研究

为研究三峡库区(重庆段)自2006年10月蓄水(156m)以来,非点源污染输出对土地利用及社会经济背景变化响应的时空分异特征,综合考虑库区典型土地利用变化模式及社会经济背景,选取三峡库区腹地奉节县、忠县、库尾江津区及主城沙坪坝区为研究对象,使用动态输出系数模型法,以2007年、2010年和2013年3期遥感影像为数据源,分析了研究区2007年到2013年非点源污染TN、TP负荷量随土地利用类型改变及社会经济的发展而产生的时空变化特征。研究表明,6年间,研究区污染物TN从2007年的12126.9t上升到2013年的12692.3t,TP从2007年的394.6t上升到2013年的407.2t。就各典型区县而言,城市发展新区江津区非点源污染负荷呈上升趋势,TN、TP负荷量涨幅分别达到了28.6%和24.1%;而库尾城市快速扩展的沙坪坝区则呈现下降趋势,非点源污染TN、TP负荷量分别下降了48.8%和68.9%;仍保持传统农业的奉节县和忠县变化不大。     

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AnnAGNPS模型的三峡库区秭归县非点源污染输出评价

非点源(NPS)污染已成为全球关注的环境问题。由于NPS特点、实验手段和监测数据的局限,其研究多采用数学模型进行时间和空间模拟。模型模拟提供了一种成本低效率高的手段来评定区域非点源污染。选择连续农业非点源污染AnnAGNPS(Annualized AGricultural Non-Point Source)模型,构建该模型数据库,模拟秭归县黑沟、兰陵溪、杉木溪等3条典型流域和县域径流、泥沙和营养物质的输出。结果表明：AnnAGNPS模型对3条典型流域的径流模拟能力高于对泥沙和养分的模拟,径流模拟误差均在可接受范围之内,说明模型中采用的径流预测(SCS曲线)法对研究区的地理气候条件是适用的;对3条典型流域泥沙输出模拟误差较高,对氮磷等养分输出模拟的误差最高,通过调整RUSLE和HUSLE等子模型的输入参数来减小泥沙模拟误差;对小型降雨径流事件,模型泥沙、养分模拟误差有偏大趋势,对较大降雨径流事件,模型泥沙和养分模拟误差有偏小趋势;2006年秭归县县域模型模拟的地表径流量为363 mm,泥沙输出为19.6 t/hm2,总氮输出为122 kg/hm2,总磷输出为28 kg/hm2,有机碳输出为581 kg/hm2,模拟结果与相关文献研究和政府统计数据较为相符;AnnAGNPS模型对NPS污染物输出模拟具有一定的不确定性,但作为一个较好的高级农业流域管理工具,该模型可以在三峡库区地理气候条件下使用。     

我国东南沿海新建铁路工程的水土流失分析

铁路建设工程中的路基修筑、隧道开凿、取土弃渣均会导致大量的水土流失,对铁路沿线生态环境造成不利影响.以我国东南沿海地区5条双线铁路的新建工程为例,通过水土流失影响指数评价模型定量比较了5铁路建设工程的水土流失影响.结果表明,福厦线的单位占地面积、单位影响面积和单位工程造成的水土流失总量均最大;温福线的工期最长,其未恢复治理面积的比重也最高;龙厦线的单位土石方总量和单位弃方量最多.甬台温线、温福线、福厦线、厦深线和龙厦线的水土流失影响指数值分别为0.264、0.247、0.375、0.256和0.264,平均值为0.278.     

硅肥对水稻-田面水-土壤氮磷含量的影响

研究硅肥对双季稻产量及土壤氮磷流失的影响,旨在为典型双季稻区施肥结构优化以及农田面源污染综合防控技术提供技术支撑.采用田间试验研究在相同氮磷肥基础上施0、750、1500、2250和3000 kg·hm^-2 (T₀、T₁、T₂、T₃、T₄)硅肥对双季稻产量和氮磷吸收、田面水氮磷含量及土壤有效硅、有机质、碱解氮和有效磷含量的影响.结果表明:与不施硅肥处理(T₀)比较,早、晚稻季水稻稻谷分别增产2.2%～30.4%和3.9%～9.2%;早、晚稻籽粒氮素积累量增加2.4%～47.3%、磷素积累量增加2.2%～41.3%,秸秆氮素积累量增加0.4%～28.3%、磷素积累量增加5.1%～31.0%;施硅肥后第1天,施硅处理田面水总氮(TN)浓度较不施硅肥处理平均降低3.4%～28.8%、铵态氮(NH₄⁺-N)降低10.4%～25.6%、总磷(TP)降低25.5%～29.2%、可溶性总磷(TDP)降低30.8%～38.0%;第45天后施硅各处理田面水总磷和可溶性总磷含量呈现上升趋势,并显著高于T₀处理.施硅肥有利于提高土壤有效硅水平以及有机质和碱解氮含量,以T₁处理效果最好,土壤速效磷含量随硅肥用量增加呈降低趋势.