全 文 ：农业管理措施对三峡库区流域非点源
污染削减效果评价*
黄志霖1 摇 田耀武2**摇 肖文发1 摇 刘志彦3
( 1 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业局森林生态环境重点实验室, 北京 100091; 2 河南科技大学林
学院, 河南洛阳 471003; 3 聊城大学环境与规划学院, 山东聊城 252059)
摘摇 要摇 选取三峡库区典型流域,利用已校准的连续非点源污染模型 AnnAGNPS,评价作物
种植、化肥施用水平和 3 组农业管理措施(保护性耕作措施,CTP;保护性工程措施,CRP;退耕
还林措施,CCFP)对农业非点源污染(NSP)输出的削减效果.模拟结果表明:作物种植类型对
泥沙削减的效果差异不显著,对磷输出削减的效果差异显著;化肥施用量对总氮和总磷输出
影响极显著;CTP可以显著削减泥沙输出,增加养分输出;CRP 能削减泥沙输出,对养分输出
削减的效果不显著;CCFP对泥沙和养分输出削减效果均显著,坡度>10毅农田实施 CCFP 后,
流域泥沙输出<5 t·hm-2,氮、磷等养分输出量可降低至容许范围.
关键词摇 非点源污染摇 农业管理措施摇 泥沙摇 养分摇 三峡库区
文章编号摇 1001-9332(2010)06-1530-07摇 中图分类号摇 S152. 7摇 文献标识码摇 A
Reduction effects of agricultural management practices on non鄄point source pollution in a
watershed in Three Gorges Reservoir Area. HUANG Zhi鄄lin1, TIAN Yao鄄wu2, XIAO Wen鄄fa1,
LIU Zhi鄄yan3 ( 1State Forestry Administration Key Laboratory of Forest Ecology and Environment,
Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Bei鄄
jing 100091, China; 2College of Forestry, Henan University of Science and Technology, Luoyang
471003, Henan, China; 3College of Environment and Planning, Liaocheng University, Liaocheng
252059, Shangdong, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(6): 1530-1536.
Abstract: Taking a typical watershed in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA) as test object,
the AnnAGNPS model was used to evaluate the reduction effects of different cropping, different fer鄄
tilization level, conservation tillage practice ( CTP), conservation reserve program (CRP), and
conversion of cropland into forestland program ( CCFP) on the output of agricultural non鄄point
source pollution (NPS) in the watershed. The simulation results showed that different cropping had
no significant difference in the effect of reducing sediment yield, but had significant difference in
the effect of reducing phosphorus output. Fertilization level had significant effects on the outputs of
total nitrogen and total phosphorus. CTP decreased the sediment yield significantly but increased the
nutrient output. CRP reduced sediment yield, but had less effect in reducing nutrient output. CCFP
reduced both sediment yield and nutrient output significantly. After the implementation of CCFP,
the sediment yield output on the croplands with a slope greater than 10毅 was less than 5 t·hm-2,
and the nutrient output was within the permissible limit.
Key words: non鄄point source pollution; agricultural management practice; sediment yield; nutri鄄
ent; Three Gorges Reservoir Area.
* 国 家 “ 十 一 五 冶 科 技 支 撑 计 划 项 目 ( 2006BAD03A13,
2006BAD03A07)资助.
**通讯作者. E鄄mail: tianyaowu@ 126. com
2009鄄09鄄08 收稿,2010鄄03鄄26 接受.
摇 摇 农业流域非点源污染(NPS)管理可以是保护性
耕作措施、水土保持工程或其他管理措施的单一应
用,也可以是一组方案,其目标是增加植被覆盖、减
少土壤扰动和保护水质[1],而最终目标都是使泥沙
和污染物质输出尽可能减少. 农业 NPS 管理措施
中,最具代表性的是美国 70 年代提出的最佳管理措
施(BMPs),其主要目标是防治和削减径流污染物进
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 6 月摇 第 21 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2010,21(6): 1530-1536
入受纳水体,使水质符合水质目标,并要求这些措施
在经济和技术上切实可行[2-3] .
国内学者研究表明,采取持续的农业管理措
施[4]和 BMPs[2-3,5]可有效降低农业 NPS,并从多种
尺度对各种具体管理措施的影响及其效应进行了探
讨,如小区尺度水土保持措施对磷素流失的影
响[6]、耕作措施对三峡库区土壤侵蚀和养分流失的
影响[7]、不同土地利用方式与管理措施对土壤质量
的影响[8]以及地表管理与施肥方式对太湖流域旱
地磷素流失的影响[9]等. 此外,程红光等[10]还对不
同降雨条件下非点源污染氮负荷入河系数进行了比
较.
国外学者通过流域尺度的野外监测和模型模拟
对实施 BPMs 的效果进行了较多的研究,如 Walker
和 Graczyk[11]对 Wisconsin两流域内实行等高种植、
土地最优化耕作、轮作等 BPMs 方案后 NPS 的削减
效果进行了监测与比较,Schmitt 等[12]对过滤带的
不同植物组成和宽度与 NPS 削减效果的关系进行
了研究, Inamdar 等[13] 研究了 Virginia 州 Nomini
Creek流域(14郾 6 km2)实行 BMPs 后的 NPS 削减效
果,Santhia 等[14]使用 SWAT 模型评估了水质管理
措施对 Texas流域的影响,这些研究均表明,在流域
尺度上实行管理措施模型模拟方法是可行的.
本文选择模拟精度较高的 AnnAGNPS 4郾 0 模
型[15],以三峡库区现有的多种管理措施及种植结构
等为前提,从流域尺度评价了作物种植、施肥水平和
不同农业管理措施对泥沙和养分输出的削减效果,
以期为长江三峡库区土地利用变化、植被恢复模式
的选择及肥料施用等提供理论依据,并为三峡库区
的生态环境演变过程提供预测与管理支持.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区域为黑沟流域,位于湖北省秭归县中东
部(30毅51忆21义—30毅51忆34义 N,110毅53忆27义—110毅54忆
50义 E),属兰陵溪支流,面积 144郾 4 hm2,毗邻三峡水
库(图 1).流域地处亚热带大陆性季风区,多年平均
降雨量 1439 mm,年际分异大,年内降雨分布为单峰
型(5—8 月占全年的 68% ). 土壤为花岗岩母质出
露发育的石英砂土,保水保肥性较差,植被盖度为
72郾 5% .该流域已经实施退耕还林工程及防护林工
程建设,小流域土地利用随高程变化呈现梯度带状
分布,流域西高东低,西部最高海拔 1400 m,植被盖
度低,主要为母岩分布;中部是低山区,以林地和园
地为主,主要为柑桔、板栗、毛竹、马尾松等人工次生
林带,也有农林、农茶(园)间作带;东部是缓坡台地
或平地,退耕还林后主要以茶园为主,也有部分柑橘
园等,部分地块间作玉米和花生等农作物.
1郾 2摇 AnnAGNPS 模型简介
AnnAGNPS是基于物理过程的参数分布式模
型,最新版本为 AnnAGNPS 4郾 0. AnnAGNPS 模型可
直接替代场次模型 AGNPS,实现与 ArcView 3·x 界
面的高度集成,在流域尺度能够连续模拟水文、土壤
侵蚀和化学物质输移 3 大模块,是目前广泛应用的
高级流域管理评价工具.流域水文、土壤侵蚀和化学
物质输出等模拟分别采用土壤水分平衡方程与地表
图 1摇 研究区地理位置示意图
Fig. 1摇 Location of the study area.
13516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 黄志霖等: 农业管理措施对三峡库区流域非点源污染削减效果评价摇 摇 摇 摇 摇
径流模型(SCS鄄CN) [16-17]、修订的通用水土流失方
程 RUSLE和氮矿化平衡 EPIC模型.逐日计算氮、磷
等养分的吸收、降解,按可溶态和颗粒吸附态计算并
输出[18] .
1郾 3摇 模型数据库构建
数字高程模型(DEM):采用 5 m 等高距 1 颐
10000 地形图作为 DEM基本地形信息源,按照国家
地形图数字化技术规范标准矢量化等高线,利用
ArcView GIS 3郾 2 双线性内插重采样[19]方法产生
5郾 0 m水平格网尺度 DEM[15,20] .
土壤数据:包括矢量化土壤、土地利用资料数
据,生成 soils郾 shp和 fields. shp 模型输入文件;土壤
和土地利用矢量化数据分别来源于中国科学院南京
土壤研究所和中国科学院地理资源与环境研究所,
并在此基础上进行了野外调查和验证.
作物参数由模型手册和现场调查确定;化肥施
用量、肥料类型及比率、施肥深度等由现场调查统计
来确定(表 1),流域管理资料由模型编辑模块 In鄄
putEdit输入.导入 AnnAGNPS郾 inp和 Dayclim郾 inp文
件于污染负载模块,输出流域泥沙与养分流失数据.
1郾 4摇 模型校准与验证
模型在当前流域条件下应用的前提条件之一,
就是模型的校准与验证[15,20],也是优化流域管理措
施效应评价的基础和关键步骤[21] . AnnAGNPS 4郾 0
模型在黑沟流域的校准和验证过程以及适用性评价
详见相关文献[15,20],校准与验证结果表明,模型
输出精度满足研究要求,可用来研究流域 NPS 削减
效果评价.
1郾 5摇 非点源污染物输出评价
利用校准后模型输出流域 2003—2004 年的年
均径流、泥沙和养分量,作为流域实施各项管理措施
后对比参照(Base line)数据.然后,加载各项管理措
施模式下土地利用调整数据,对不影响其情景方案
的数据均不改变.利用负载模块输出各管理方案下
泥沙与养分数据.土壤侵蚀等级划分依据中华人民
共和国水利行业标准 《土壤侵蚀分类分级标准》
(SL鄄190—2007)中的 5 级分类法,地表径流水质划
分依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中
的 5 级分类法.
1郾 6摇 作物种植的影响与效应
流域主要作物类型为花生(Archis hypogaea)、玉
米(Zea mays)、绿豆(Phaseolus aureus)、高粱( Sor鄄
ghum bicolor)、大豆 (Glycine max)、红薯 ( Ipomoea
babatas)和茶树 (Melaleuca alternifolia)等 7 类 (表
2),利用模型输出在现有耕作条件下农田单一作物
种植时泥沙和养分输出量,比较不同作物对 NPS 污
染物的削减.
1郾 7摇 施肥水平的影响与效应
根据在当地收集的土地利用管理资料,结合已
有农业管理实践经验,并与当地农民进行访谈与调
查,结合当地种植习惯、模式和耕作管理等,在考虑
保证作物及经济产量的前提下,适量减少现施肥量,
改变施肥模式和比率等,设计 70%现施用量、推荐
用量、70%推荐用量、30%推荐用量 4 种施肥措施和
现施用量 5 种施肥等级(表 2),利用模型输出 5 种
化肥施用等级下泥沙和养分输出响应,选择 NPS 环
境污染较小的施肥量作为流域农业管理施用量.
1郾 8摇 BMPs的效应及其分异
借鉴国内外有关农业流域管理措施和三峡库区
小流域治理实践经验,从流域尺度[22]选择保护性耕
作[8,23-25]、保护性工程[12,26-29]、退耕还林[30-31]等 3
类 10 种管理措施(表 3),评价 10 种 BMPs条件下流
域泥沙与养分输出响应.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 流域非点源污染物输出
三峡库区属南方红壤丘陵水力侵蚀区,年容许
土壤流失量为5郾 0 t·hm-2 .目前耕作条件下,模型
表 1摇 黑沟流域资料源
Tab. 1摇 Data sources for the Heigou River Watershed
数据种类 Data type 格 式 Data format 来 源 Sources 比例 Scale
DEM 栅格 Grid (5 m伊5 m) 地形图 Topographic map 1 颐 10000
土壤 Soil 矢量 Vector 数字化土壤图 Digital soil map 1 颐 250000
土壤参数 Soil parameter 文本 Text file 模型文件 Model file
土地利用 Land鄄use 矢量 Vector 现场调查 Field survey 1 颐 10000
作物 Crop 文本 Text file 现场调查 Field survey
天气 Weather 文本 Text file 秭归定位站 Zigui positioning station -
流域管理 Watershed management 文本 Text file 模型文件 Model files,现场调查 Field survey -
2351 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 2摇 黑沟流域作物种类及氮、磷肥施用量
Tab. 2摇 Crops type, N and P application rates for Heigou River Watershed
作物
Crop
现施用量
Present
70%现施用量
70% of present
推荐用量
Recommended
70%推荐用量
70% of recommended
30%推荐用量
30% of recommended
花生 Peanut 190 颐 130 150 颐 90 105 颐 63 75 颐 45 45 颐 27
玉米 Maize 220 颐 120 180 颐 90 130 颐 65 90 颐 45 45 颐 27
绿豆 Mungbean 150 颐 95 120 颐 75 90 颐 42 60 颐 36 30 颐 18
高粱 Sorghum 230 颐 150 180 颐 120 135 颐 90 90 颐 60 45 颐 30
大豆 Soybean 150 颐 95 120 颐 75 90 颐 55 60 颐 38 30 颐 19
红薯 Sweet potato 280 颐 240 230 颐 180 172 颐 135 115 颐 90 56 颐 45
茶树 Tea 300 颐 130 240 颐 100 180 颐 70 120 颐 50 60 颐 25
表 3摇 黑沟流域管理措施
Tab. 3摇 Management practices simulated for Heigou River Watershed
管理措施
Management practice
处 理
Treatment
代码
Code
说 明
Description
传统耕作措施
Conventional tillage practice
传统耕作
Conventional tillage
CT 现有的耕作及施肥措施条件下
Present conventional tillage practices and fertilizer level
保护性耕作措施(CTP)
Conservation tillage practice
免耕
No鄄tillage
NT 免耕
No鄄tillage applied to cropland
覆盖耕作
Mulch鄄tillage
MT 覆盖耕作
Mulch鄄tillage applied to cropland
垄耕
Ridge鄄tillage
RT 垄耕
Ridge鄄tillage applied to cropland
保护性工程措施(CRP)
Conservation reserve program
植草过滤带
Grass filter strips
GFS 敏感区实行植草过滤带
Grass filter strips applied to critical areas
缓冲带
Riparian buffers
RB 敏感区实行缓冲带
Riparian buffers applied to critical areas
沟渠植草
Grassed waterways
GW 敏感区汇流沟渠植草
Grassed waterways applied to critical areas
退耕还林(CCFP)
Conversion of cropland into
退耕还林方案 1
Cropland converted to forestland 1
CCF1 >25毅农田实行退耕还林
Cropland with slope greater than 25毅 converted to forestland
forestland program 退耕还林方案 2
Cropland converted to forestland 2
CCF2 >10毅农田实行退耕还林
Cropland with slope greater than 10毅 converted to forestland
退耕还林方案 3
Cropland converted to forestland 3
CCF3 农田全部实行退耕还林
All cropland converted to forestland
输出 2003—2004 年的年均地表径流为 303郾 0 mm,
土壤流失量为 22郾 25 t·hm-2,属中轻度流失等级;
氮、磷年流失量分别为 7郾 4 和 1郾 05 kg·hm-2 .
2郾 2摇 作物类型对非点源污染物输出的削减效果
流域内茶园地表面粗糙度较小,土壤表层密实,
在相同降雨条件下,产生的地面径流较大而泥沙输
出量较小.图 2 为在现有耕作条件下,6 类作物与茶
园相比非点源污染物削减率的变化.与茶园相比,花
生、玉米、绿豆、高粱、大豆和红薯对径流的削减率分
别为 6郾 37% 、 3郾 25% 、 2郾 92% 、 5郾 66% 、 4郾 96% 和
4郾 63% ,但泥沙输出分别增加了 35郾 7% 、21郾 7% 、
21郾 9% 、40郾 0% 、30郾 7%和 37郾 9% . 不同作物对径流
削减和泥沙增加的影响差异均不显著,表明流域农
作物种类不足以对径流和土壤侵蚀产生显著影响.
这个模拟结果与 Pandey 等[1]的研究结果不同,Pan鄄
dey等认为不同作物对径流和泥沙输出的影响较
大,差异显著(P<0郾 05) .两种研究结果不同可能是
图 2摇 现有耕作条件下作物对径流、泥沙、总氮、总磷等污染
物的削减(与茶园地相比)
Fig. 2摇 Reduction rate of runoff, sediment yield, total N and to鄄
tal P by crops planting under present tillage practices and fertil鄄
izer level comparing with tea garden.
由于研究流域地形不同所致,Pandey 等的研究流域
坡度仅为2毅,本研究流域平均坡度为33郾 7毅,陡坡
33516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 黄志霖等: 农业管理措施对三峡库区流域非点源污染削减效果评价摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 传统耕作方式下化肥施用量对非点源污染输出的影响
Tab. 4摇 Effect of fertilizer application rates under conventional tillage practices on output of runoff, sediment yield, total N
and total P
施肥量
Fertilizer
application rate
径流量
Runoff
(mm)
削减率
Reduction rate
(% )
泥沙量
Sediment yield
( t·hm-2)
削减率
Reduction rate
(% )
总 氮
Total N
(kg·hm-2)
削减率
Reduction rate
(% )
总 磷
Total P
(kg·hm-2)
削减率
Reduction rate
(% )
现施用量
Present
303 0 22郾 2 0 7郾 40 0 1郾 07 0
70%现施用量
70% of present
303 0 22郾 2 0 5郾 70 22郾 3 0郾 76 28郾 9
推荐用量
Recommended
303 0 22郾 2 0 4郾 70 36郾 4 0郾 56 47郾 6
70%推荐用量
70% of recommended
303 0 22郾 2 0 1郾 34 81郾 8 0郾 30 71郾 9
30%推荐用量
30% of recommended
303 0 22郾 2 0 0郾 45 93郾 9 0郾 06 94郾 3
农田极易发生重力侵蚀,导致作物削减土壤流失的
作用降低.茶园不但能减少土壤侵蚀量,还能增加农
民收入.对养分输出量较大的流域,可以从农作物品
种入手进行结构调整,以达到削减泥沙和养分输出
的目的.
2郾 3摇 化肥施用量对非点源污染物输出的削减效果
施肥是农业流域地表径流中氮、磷污染物的主
要来源,进行科学的施肥管理既能保持作物高产,又
能有效减少径流氮磷输出[3,32] .由表 4 可知,流域径
流和泥沙的输出均不随施肥量变化;但氮、磷等养分
输出量均随施肥量的增加而增加,二者存在显著的
相关性.对茶叶、玉米而言,推荐化肥用量没有降低
农产品的产量和品质,但对氮、磷的削减率分别达到
了 36郾 4%和 47郾 6% .
2郾 4摇 管理措施对非点源污染物输出的影响与效应
3 组管理方案对流域径流、泥沙和养分输出的
削减效果如图 3 所示. 与现有农业耕作条件相比,
NT模式下的泥沙输出削减率为 45郾 8% ,而径流、氮
和磷分别增加了 11郾 6% 、6郾 8%和 5郾 8% ,且 NT模式
图 3摇 不同管理措施下的污染物削减率
Fig. 3 摇 Pollutant reduction rate under different management
practices郾
泥沙输出高于 MT和 RT模式. CTP虽然对泥沙输出
的削减效果明显,但增加了养分的输出量. CRP 对
泥沙输出的削减率为 23郾 7% ~ 32郾 5% ,对养分的削
减率低于 7% ,即泥沙输出削减效果明显,养分输出
削减效果不明显.
通过 BMP而对非点源污染的削减称之为“BMP
削减值冶 (BMP reduction). 不同的污染物有不同的
削减率,小区、农场、流域水平以及研究区范围内的
地形、景观等因素是导致“BMP削减值冶不同的重要
原因[33-36] . 保护性耕作措施 ( CTP,包括 NT、MT、
RT)和保护性工程措施(CRP,包括 GFS、RB、GW)
方案并没有使泥沙和养分的流失率达到可容许范围
内. CCF1 方案中,>25毅的农田进行退耕还林,农田
面积下降到 55郾 5 hm2,林地面积上升到 56郾 9 hm2,
而其他土地利用面积没有变化;CCF2 方案中,>10毅
的农田进行退耕还林,农田面积下降到 28郾 1 hm2,
林地面积上升到 102郾 3 hm2,其他土地利用面积没
有变化;CCF3 方案假设全部农地退耕为林地. 在
CCF1 方案中泥沙、总氮和总磷分别削减 56郾 8% 、
54郾 6%和 60郾 8% ,在 CCF2 方案中分别削减 82郾 8% 、
76郾 9%和 80郾 7% ,在 CCF3 方案中分别削减 96郾 8% 、
96郾 0%和 98郾 0% . 虽然 CCFP 的实施显示出了很高
的泥沙和养分削减率,但实施退耕还林成本偏高,特
别是 CCF3 方案可行性更小.
3摇 结摇 摇 语
农业流域管理目标之一是在不降低作物产量与
收益的前提下,通过管理措施的科学配置,最大限度
地减少养分和水土流失所造成的环境问题. 在黑沟
流域条件下,作物对削减泥沙效果差异不显著,但对
削减磷污染输出的效果差异显著;化肥施用水平对
总氮和总磷输出的影响差异极显著;保护性耕作措
4351 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
施对泥沙输出削减率较高,但也增加了地表径流和
养分的输出;保护性工程措施对泥沙输出效果明显,
但对径流和养分输出削减效果不明显;退耕还林对
泥沙和养分输出削减效果均显著,污染输出指标达
到可容许范围.
对于大多数流域,产生泥沙和养分流失的风险
区面积在整个流域中只占较小一部分,受流域投入
资金的限制,非点源污染的治理应先从敏感区域开
始.鉴于有关研究成果和黑沟流域农户分散经营的
实际情况,笔者认为黑沟流域 BMPs 首先要基于退
耕还林措施,从作物调整和化肥施用管理入手,推广
沟渠植被恢复.条件成熟后,利用国家小流域治理专
项资金,全流域逐步实施坡改梯等高种植措施,提高
林草系统生态效益,在农地和经济作物地段实施林
草过滤带等工程措施,逐步加大对流域非点源污染
的治理,利用生物措施和工程措施解决流域水环境
生态安全问题,实现农业小流域的可持续发展.
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作者简介 摇 黄志霖,男,1966 年生,博士,副研究员. 主要从
事农业非点源污染的植被控制与土地利用变化研究.
E鄄mail: hzlin66@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
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