宁夏引黄灌区种植业面源污染流失量模拟

2022-12-02佘冬立胡磊夏永秋刘文娟李虹马建军马琨

农业环境科学学报 2022年11期

佘冬立，胡磊，夏永秋，刘文娟，李虹，马建军，马琨

（1.河海大学农业科学与工程学院，南京 211100；2.中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；3.宁夏大学农学院，银川750021；4.宁夏农业环境保护监测站，银川 750002；5.宁夏大学生态环境学院，银川 750021；6.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地/西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川 750021）

宁夏引黄灌区位于我国西北内陆干旱半干旱地区，是我国四大古灌区之一，粮食产量和农业产值占自治区的三分之二以上，在区域农业经济发展中发挥着重要作用。灌区农业生产集约化程度高、管理方式粗放，大量氮磷污染物质随退水经各级排水沟排入黄河[1]，对黄河上游水质具有直接影响[2]。近年来，随着国家对农田化肥和规模化养殖投入的增加以及农村生活污水盲目排放规模的扩大，宁夏引黄灌区面源污染呈现加剧的趋势[3]，以农田为核心的灌区种植业退水污染是主要污染负荷来源[4]，春灌和冬灌是灌区种植业面源污染流失高发期。大量施肥后，农田土壤通过退水向周围水体迁移排放氮磷等污染物质，经过沿程农沟、斗沟、支沟消纳后，最终进入干沟和黄河，在造成土壤养分流失的同时，也加剧了地表水和地下水水质恶化的风险。

农业面源污染过程难以直接监测，模型成为解析农业面源污染负荷的主要工具。比较著名的过程模型是由美国农业部农业研究所开发的AGNPS[5]和美国国家环保局开发的SWAT和BASINS等模型[6]，经验模型有Johnes[7]输出系数模型。目前，引黄灌区农业面源污染模型研究较少。胡亚伟等[8]以青铜峡灌区第一排水沟为典型小流域，结合3S 技术，根据灌区水系及灌溉特点对SWAT 模型进行改进，建立了宁夏引黄灌区面源污染负荷模型，但上述过程模型本质上是建立在西方以旱作为主的农业流域基础之上，其过程模拟基于超渗产流理论，不能反映带有田埂水田退水的实际情况，并且模拟所需参数众多，获取难度大。李强坤等[9]基于单元分析的观点，提出了负荷贡献率的概念，建立了宁夏引黄灌区农业非点源改进输出系数估算模型，但此类经验模型氮磷输出系数的确定依赖于点尺度实验或者样地调查，很难体现不同区域、不同时段输出系数的差异，并且不能反映农业管理措施与面源负荷的响应关系，应用性与扩展性较差。因此，面对引黄灌区水力联系的复杂性和不确定性，为了降低模型应用难度、提高农业管理效率，亟需构建适合宁夏引黄灌区面源污染流失特点的轻简化模型。

本研究基于宁夏引黄灌区典型种植业面源污染流失过程的理论依据和观测数据，构建了水田和旱地氮磷流失量模型，揭示了灌区种植业氮磷流失时空特征与空间格局，为改善灌区沟道及黄河水质环境提供科学有效的措施，对实现宁夏回族自治区社会经济可持续发展具有科学指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏引黄灌区（37°49′~39°23′ N，105°37′~106°39′E）位于宁夏回族自治区中北部，东至鄂尔多斯台地西缘，西至贺兰山东，南至宁夏青铜峡水利枢纽，北至石嘴山，属于温带大陆性干旱气候，全年干旱少雨。灌区含括了银川市、石嘴山市、吴忠市在内的3 个地级市及永宁、惠农、青铜峡等11 个区县（图1）。灌溉面积为 33 万 hm2[11]，占总土地面积（6 239 km2）[10]的53%，2021 年引黄水量为 37.58 亿 m3，排水量为 16.17亿m3，多年平均引黄水量为40.95 亿m3，排水量为22.09 亿m3。灌区北高南低，地势较为平坦，坡降约1/4 000[12]。

图1 宁夏引黄灌区位置及土地利用[13]Figure 1 The location and land use of the Yellow River irrigation area of Ningxia[13]

面源污染过程观测主要在引黄灌区境内宁夏大学实验农场开展。实验农场位于宁夏中部黄河冲积平原永宁县境内，该地年降水量180~200 mm，年蒸发量高达2 800~3 200 mm，年均气温8.5 ℃，年均≥10 ℃积温3 300 ℃，无霜期140~160 d，平均日照时数3 000 h，日温差13 ℃。观测区包含两块地块及两条主要沟道，西边玉米地块面积23.35 hm2，东边水稻田地块4.53 hm2。玉米地合计施用氮肥（以N计）540 kg·hm-2，磷肥 400 kg·hm-2；水稻田合计施用氮肥 355 kg·hm-2，磷肥 270 kg·hm-2；小麦地合计施用氮肥 294 kg·hm-2，磷肥162 kg·hm-2[14]。稻田农沟长254 m，分布有3个水质监测点，两块玉米地之间的支沟长500 m，分布有4个水质监测点，首尾设置2个自动流量计（图2）。

图2 氮磷浓度与流量观测点所在位置Figure 2 The location of nitrogen and phosphorus concentration and flow observation points

从2021 年7 月至11 月退水期间，在各水质监测点每日连续观测沟道水体总氮（TN）和总磷（TP）浓度，采用清洗过的采水器在沟道中央水面下20 cm 处采集沟道水样，采集完的水样立即转移到预先清洗过的PE 取样瓶中，过0.45µm 滤膜后送至实验室分析。水样TN 浓度采用总有机碳/总氮分析仪（Multi N/C 3100，德国）分析，TP 浓度采用电感耦合等离子体发射光谱仪（Optima 8000，美国）分析。其中农沟监测点数据用于模型参数标定，支沟监测点数据用于模型结果验证。自动流量计每5 min 记录一次流量，然后通过2 个自动流量计差值确定区域退水量，用于退水量模拟结果验证。

1.2 模型构建方法

面源氮磷流失量取决于退水量和退水中氮磷浓度。本研究基于水量平衡与土壤物理化学吸附理论，分别构建宁夏引黄灌区旱地与水田退水量、退水中氮磷浓度模型，估算农田氮磷流失量及流失系数。退水量模拟按旱地（玉米、小麦）和水田（水稻）的不同灌溉模式，利用水量平衡方程分别计算。农田退水中氮磷浓度是通过构建肥料施用量、退水发生时间与土壤氮磷平衡浓度模型进行模拟。

1.2.1 模型原理与构建

一般而言，径流和淋溶是农田养分流失的基本途径，对于东部平原地区，降水是造成农业面源污染的主要驱动力，通过地表径流和地下渗漏进入水体。而在宁夏引黄灌区，由于常年干旱少雨，地表蒸发强烈，一般降雨难以有效发生产流。农田氮磷主要在灌溉水的驱动下，随退水、淋溶和侧渗等途径进入受纳水体。故构建模型（1）计算区域农田氮磷流失量：

式中：L为区域农田氮磷流失总量，kg；Ai为耕作类型i的灌溉面积，hm2；R为退水量，m3·hm-2；C为退水中氮磷浓度，mg·L-1；0.001为量纲转换系数。

（1）退水量计算

由于旱地（玉米、小麦）是分不同灌水期进行灌溉，而水田（水稻）在全生育期均有灌水，故针对旱地和水田不同的灌溉模式，通过水量平衡方程分别计算退水量。

取单位面积（hm2）的包气带柱体作为水量平衡计算单元（图3），上界面为地表，下界面选为潜水面，土壤水量的输入项包括降水量、灌溉水量、侧向补给量和深层补给量。土壤水量的输出项包括蒸发量、侧向排泄量、深层渗漏量以及植物的蒸腾量。由于灌区土壤水水平流动十分微弱，故不考虑侧向补给和排泄[15]。由此退水量可以用如下模型表示：

图3 土壤水量平衡概念图Figure 3 A conceptual figure of soil water balance

式中：R为退水量，mm；P为降水量，mm；I为灌溉水量，mm；E为土壤蒸发量，mm；T为作物蒸腾量，mm；Du为地下水补给量，mm；Dd为深层渗漏量，mm；ΔSW为土壤储水量变化，mm。

由于稻田大部分土壤水分饱和，地下水位高，土壤水分变化小，因此水分平衡只考虑田面蒸发、作物蒸腾（合为蒸散ET）和灌水、降雨[16]，退水量通过下式计算：

只有在稻田成熟期灌水结束后，由于蒸散和重力作用且缺乏灌水补充导致地下水位迅速下降，土壤含水量急剧下降，此时退水量为0。

（2）氮磷浓度模拟

退水中的氮磷浓度与肥料施用量、退水发生时间及土壤平衡浓度相关。在施肥初期，土壤中氮磷浓度最高，但是此时土壤对氮磷的吸附也最快，氮磷转化过程最快。随着土壤吸附量的增加，吸附速率逐步下降，氮磷转化过程和吸附过程逐步变慢，最后达到一种平衡状态（图4），整个过程可以用幂指数下降函数模拟[17]：

图4 土壤中氮磷浓度变化过程概念化模型Figure 4 A conceptual model for the change process of nitrogen and phosphorus concentrations in soil

式中：C为退水中氮磷浓度，mg·L-1，F为施肥量，kg·hm-2；a1、d1为参数；t为产流距离灌溉的时间，d；c1为平衡浓度，mg·L-1。

上述模型中a1、c1和d1受管理措施、土壤性质和土地利用的影响，因此该模型反映了农田管理，如施肥和灌溉、降雨、土壤条件等综合过程，并且具有参数少、物理机制明确的特点，通过参数标定，可以用于估算灌区农田氮磷流失量。

1.2.2 模型参数获取

玉米于6月8日进行春灌，7月5日和7月27日进行两次夏浇，11月7日进行冬灌。水稻在生育期的前中期需水量较大，全生育期需要进行大量灌水以维持水稻正常生长发育的需求。叶廷平等[18]关于引黄灌区农作物地面灌溉制度的研究表明，小麦于4月25日灌春灌头水，5 月 10 日、5 月 25 日灌 2、3 水，6 月 15 日灌4 水，11 月7 日进行冬灌。各次灌水情况见表1。根据王静等[19]的研究（表2），研究区3 种作物全生育期灌水量均大于需水量，灌溉后都将产生退水。

表1 3种主要作物灌水量（mm）Table 1 Irrigation amount of the three main crops（mm）

表2 宁夏引黄灌区主要作物全生育期灌溉需水量Table 2 Irrigation water requirement of main crops in entire growth stages in the Yellow River irrigation area of Ningxia

对于玉米地，根据杨丽虎等[15]的研究和本研究关于降水量的监测，水量平衡参数如表3 所示。对于小麦地，参考王静等[19]关于小麦生育期需水量的研究以及叶廷平等[18]关于引黄灌区农作物地面灌溉制度的研究，制定水量平衡参数（表3）。对于稻田系统，按照生育期计算土壤水分平衡和退水量，由于不同年度水稻灌溉量和蒸散量比较固定，因此引用易军[16]在宁夏引黄灌区稻田的试验结果，具体见表4。

表3 宁夏引黄灌区玉米和小麦灌水水量平衡参数（mm）Table 3 Parameters of maize and wheat irrigation water balance in the Yellow River irrigation area of Ningxia（mm）

表4 宁夏引黄灌区水稻不同生育期水量平衡参数（mm）Table 4 Parameters of water balance in different growth stages of rice in the yellow river irrigation area of Ningxia（mm）

1.3 不确定性分析

采用蒙特卡洛方法分析模型（1）的不确定性[20]。作为一种常见的模型不确定性分析方法，蒙特卡洛法可将参数的不确定性转化为模型结果的不确定性[21]。本研究根据已有数据的统计分析，假设退水量服从均匀分布，退水氮磷浓度服从标准正态分布，应用Excel生成服从其分布规律的随机数各400 个作为参数样本，分析3 种作物氮磷流失模型计算结果的不确定性范围。蒙特卡洛模拟所需参数变化范围见表5。

表5 蒙特卡洛模拟所需参数变化范围Table 5 Variability of model input parameters for Monte Carlo simulation

2 结果与分析

2.1 模型参数标定与验证

2.1.1 氮磷浓度模拟参数标定与验证

应用7 月28 日至8 月14 日农沟水质连续监测值标定模型（4）中a1、d1和c1（图5）。对于水体中TN 浓度，a1为 5.0、d1为 0.15、c1为 0.5，对于水体中 TP 浓度，a1为0.9、d1为0.23、c1为0.05，模型解释度分别为0.74和0.49，可用于水体中氮磷浓度模拟。

图5 氮磷浓度模型参数标定Figure 5 Model parameter calibration

2.1.2 退水量与氮磷流失量模拟结果验证

应用观测区水自动流量计及支沟水质监测点数据，与冬灌退水量、氮磷流失量的模拟结果进行对比。模型验证结果如图6 所示，退水量、TN 流失量和总磷流失量的模拟误差分别为11%、3%和12%，模型模拟精度较高。

图6 模拟结果验证Figure 6 Simulation result verification

2.2 典型种植业氮磷流失量时间变异模拟

将水量平衡与氮磷浓度模型和农田氮磷流失量模型进行耦合，分别估算玉米、小麦和水稻氮磷流失量（图7）及流失系数。玉米各次灌水退水TN 总流失量（以N计，下同）为3.98 kg·hm-2，流失系数为0.74%，TP 流失量合计为0.17 kg·hm-2，流失系数为0.04%，其中春灌分别贡献了84.2%的TN流失和76.5%的TP流失，远高于其他各次灌水，是氮磷流失的高风险期。

图7 3种作物单位面积氮磷流失量时间变化Figure 7 Time variation of nitrogen and phosphorus loss per unit area of three crops

小麦各次灌水退水氮磷流失趋势与玉米基本一致，TN 流失量合计为 5.12 kg·hm-2，流失系数为1.74%，TP 流失量合计为 0.65 kg·hm-2，流失系数为0.40%，其中春灌头水的氮磷流失量最高，分别贡献了73.6%的TN流失和84.6%的TP流失。

水稻全生育期及冬季灌水TN 流失量合计为20.46 kg·hm-2，流失系数为 5.76%，TP 流失量合计为1.03 kg·hm-2，流失系数为0.38%，其中分蘖期氮磷流失量最大，返青期次之，二者共占79.6%的TN 流失和61.4%的TP 流失。其他生育期灌水氮磷流失量较低，自孕穗期开始氮磷流失逐渐减少。

2.3 宁夏引黄灌区种植业氮磷流失量空间分布估算

结合各区县3 种主要作物种植面积模拟各行政单元农田TN、TP 流失量空间分布及成分组成如图8所示。全灌区种植业TN 总流失量（以N 计，下同）为887.51 t，玉米、小麦和水稻分别贡献了25%、8%和67%，平均氮流失系数为1.99%；TP 总流失量为48.05 t，玉米、小麦和水稻分别贡献了19%、18%和63%，平均磷流失系数为0.15%。从氮磷流失空间分布可以看出，TN 和TP 的流失分布情况基本一致，均呈现以金凤区为中心向四周递增的空间分布特征。从氮磷流失量角度分析，银川市种植业氮磷流失量及流失系数为三市中最高，TN 流失量为431.6 t，氮流失系数为2.15%，TP流失量为23.4 t，磷流失系数为0.16%，其流失量占比接近灌区氮磷流失总量的50%。种植业氮磷流失最大的区县为平罗县，其TN 流失量为316 t，TP 流失量为17.4 t，其次为贺兰县和永宁县，流失量最小的区县为大武口区，其氮磷流失分别仅占全灌区总流失量的0.3%和0.4%；氮磷流失系数最大的区县为兴庆区，系数分别为3.69%和0.26%，氮流失系数最小的区县为惠农区，为1.06%，磷流失系数最小的区县为利通区，仅为0.10%。从氮磷流失组成成分来看，惠农区的玉米和大武口区的水稻在当地农田TN流失中占主要贡献，占比分别为57%和45%。惠农区和大武口区水稻在当地农田TP 流失中占主要贡献，占比分别为49%和47%，其他9 个区县的水稻在当地农田氮磷流失中的贡献均超过了50%。

进一步将上述灌区农田氮磷流失量分配到1 km分辨率栅格图像上，得到引黄灌区农田氮磷流失强度空间格局图。如图9 所示，灌区农田TN 和TP 流失强度空间格局基本一致，永宁县中部以及河东地区东部是氮磷流失的热点区域。

图9 宁夏引黄灌区农田氮磷流失强度空间格局（1 km）Figure 9 Spatial pattern of nitrogen and phosphorus loss intensity in farmland of the Yellow River irrigation area of Ningxia

2.4 模型不确定性分析

由于退水量和退水氮磷浓度的模拟误差或波动会导致氮磷流失量发生变化，由水量平衡方程（2）和方程（3）及氮磷浓度模型（4），可确定氮磷流失量模型（1）的参数及流失量不确定性范围，如表6 所示。玉米、小麦和水稻置信度为95%的氮素流失量（以N计）置信区间分别为[1.19，1.33]kg·hm-2、[1.18，1.33]kg·hm-2和[2.68，3.12]kg·hm-2，磷素流失量置信区间分别为[0.07，0.08]kg·hm-2、[0.13，0.15]kg·hm-2和[0.16，0.19]kg·hm-2。

表6 3种作物氮磷流失量、退水量和退水氮磷浓度的不确定性Table 6 Uncertainties of nitrogen and phosphorus loss，drainage water volume and nitrogen and phosphorus concentration of drainage water in the three crops

3 讨论

春季既是农作物的重要生长期，也是面源污染流失的高风险期[22]。玉米春灌氮磷流失分别占其总流失量的84.2%和76.5%，小麦春灌头水氮磷流失分别占其总流失量的73.6%和84.6%。水稻返青分蘖期氮磷流失分别占总流失的79.6%和61.4%，这与陈玲等[23]关于稻季播种插栽期至分蘖盛期是氮磷流失高风险期的研究结论一致。这是因为春季田间施肥量较大，灌水初期较低的气温对水体氮磷的降解有一定抑制作用[24]，再加上农作物处于生育期前期，作物肥料利用少，因此水体氮磷浓度高。同时，灌溉量大导致地下水位偏高，土壤深层渗漏量小，退水和氮磷流失也随之增加[8]。

引黄灌区氮磷平均流失系数为1.99%和0.15%，远低于南方湿润平原区稻-麦系统（氮素的径流损失系数为9.1%~22.5%，磷素的径流损失系数为0.948%~3.394%）[25]。不确定性分析表明，退水量是氮磷流失的主要影响因素。而宁夏引黄灌区气候干旱、降水匮乏，农田灌溉产生的退水流失远低于南方湿润区主要由降水驱动的径流损失。磷素流失系数普遍低于氮素说明磷素较氮素更难流失，这是因为宁夏土壤具有很强的固磷能力[26]。土壤中磷素随退水流失的主要载体是泥沙[27]，磷肥进入土壤后难以溶解，溶解后的磷素容易被土壤团聚体吸附，形成稳定结构，不易在土壤中迁移。

氮磷流失空间分布显示，引黄灌区三市中，银川市种植业氮磷污染流失量及流失系数最大，流失量占比接近灌区氮磷流失总量的50%，张爱平[4]在引黄灌区运用平均浓度法估算灌区农田退水氮磷负荷的研究中也有相似的结论。氮磷流失最大的区县为平罗县，其次为贺兰县和永宁县，主要原因是三县占有的耕地面积大，分别占全灌区耕地的34%、14%和19%。各区县农田氮磷流失来源多以稻田流失为主，其中有9 个区县水稻氮磷流失贡献超过了50%，这与张学军等[28]的结论相近。永宁县中部以及河东地区东部是氮磷流失的热点区域，这说明两地氮磷流失风险更大，面源污染治理形势严峻。