馮青郁,陳利頂,*,楊 磊

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

近半個世紀(jì)以來,我國面源污染問題變得日益突出,并在近期內(nèi)不會得到快速緩解[1]。面源污染的來源通常被歸類為三個來源,種植業(yè)源、畜牧養(yǎng)殖業(yè)源和農(nóng)村生活源[2]。20世紀(jì)80年代以來,我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展最大的特點(diǎn)就是伴隨著糧食產(chǎn)量提高而急劇增加的化肥使用量。盡管我國經(jīng)過實(shí)施由2015年制定的《到2020年化肥施用量零增長行動方案》已經(jīng)極大的控制了化肥使用量的增長速度,但現(xiàn)有的化肥使用量仍然很大,占世界化肥使用總量的三分之一左右。調(diào)查顯示,我國的化肥利用率很低,只有35%左右[3],因此很大一部分化肥施用之后流失到水體或者空氣中去。此外,人民生活水平的提高所帶來的對動物性蛋白質(zhì)需求的增加,也導(dǎo)致我國規(guī)?；竽琉B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。盡管規(guī)?；B(yǎng)殖具備相關(guān)污染物處理設(shè)施,分散養(yǎng)殖所帶來的污水、動物糞便等則由于沒有足夠的配套處理措施而大量排放,向水體中排放了大量的氮、磷等污染物。而對于生活源,城市生活污水大部分可以被引入污水處理廠進(jìn)行處理,農(nóng)村生活污水則常常不經(jīng)處理直接排放,此外農(nóng)村生活垃圾等的隨意堆放也會在降雨等過程發(fā)生時進(jìn)入到水土環(huán)境中[4—5]。

面源污染問題的解決是一個長期的、系統(tǒng)的工程。這是由農(nóng)業(yè)面源污染來源廣泛且分散、流失過程復(fù)雜、空間異質(zhì)性大等特點(diǎn)決定的[6]。針對農(nóng)業(yè)面源污染的源頭和過程本身,需要解決的問題可以總結(jié)為總量估算、路徑分析、治理措施三個類別。總量估算的研究內(nèi)容包括主要污染物識別、受納水體最大負(fù)荷量估算、污染嚴(yán)重程度的估計(jì)和判斷標(biāo)準(zhǔn)的定級等方面；而路徑分析則包括主要源頭、流失路徑以及各個流失過程中的影響因素識別和強(qiáng)度大小分析等方面；治理措施則包括源頭、流失過程中以及受納水體中的污染物減少措施的種類選擇、空間布設(shè)格局、長短期效應(yīng)評價、投入產(chǎn)出分析等。除此之外,還需要結(jié)合人口變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、氣候變化、政府決策、城鎮(zhèn)化等方面來分析上述三類問題可能受到的影響以及潛在的系統(tǒng)解決方案。

在對面源污染相關(guān)問題的分析、解決方案探索和科學(xué)研究過程當(dāng)中,都需要借助于面源污染相關(guān)模型來進(jìn)行[7],這主要是由兩個方面決定的。首先,構(gòu)建模型是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為認(rèn)知的有效手段。從上面的分析可以看出,面源污染問題的發(fā)生無論是從源頭到過程都是一個復(fù)雜的系統(tǒng)過程,涉及多個因素和過程,需要借助模型的構(gòu)建來對該問題進(jìn)行整體地認(rèn)知和研究。其次,試驗(yàn)同模型的結(jié)合是快速尋找解決方案的重要途徑。僅僅通過野外或者田間試驗(yàn)研究,受限于資源和實(shí)地條件,無法進(jìn)行不同解決方案間的效果對比以獲得更高效的方案選擇。面源污染模型的主要任務(wù)是通過盡可能準(zhǔn)確地模擬面源污染所涉及的生態(tài)過程來估算污染物的流失量、判斷流失路徑、確定不同影響因素的敏感程度、評價不同治理措施的效果以及布設(shè)位置的變化,最終為合理制定面源污染治理策略提供科學(xué)依據(jù)。此外,面源污染模型同其他諸如社會經(jīng)濟(jì)、地下水、氣候變化等模型耦合,用于研究這些相關(guān)的因素對面源污染源頭和過程的影響。

目前常用的面源污染模型有很多,包括Soil and Water Assessment Tool(SWAT)[8]、Agricultural Policy Environmental Extender(APEX)[9]、Hydrological Simulation Program Fortran(HSPF)、Annual Agricultural Non-Point Source(AnnAGNPS)、Export Coefficient Method(ECM)[10]、Long Term Hydrologic Impact Analysis(L-THIA)、Storm Water Management Model(SWMM)等模型,這些模型都在農(nóng)業(yè)面源污染相關(guān)的研究和治理政策制定方面做出了很多的貢獻(xiàn)。不同模型關(guān)注的問題相近,但又各有側(cè)重。比如SWAT和HSPF模型主要是為在中到大流域上進(jìn)行模擬應(yīng)用涉及,這是由于該模型具備相對完整的河道泥沙和化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移模擬模塊,而AnnAGNPS則對細(xì)溝和淺溝有更好的模擬,且更側(cè)重于小流域的土壤侵蝕污染模擬[11],SWMM模型更加側(cè)重于對城市面源污染的模擬[12],而ECM模型則是一個依據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲取輸出系數(shù)對面源污染負(fù)荷進(jìn)行評價的經(jīng)驗(yàn)性模型[13]。APEX模型則更適用于小流域或者田塊尺度的研究,也很適合我國以小流域?yàn)閱卧M(jìn)行面源污染治理的政策和傳統(tǒng)[14],然而該模型在我國的應(yīng)用還非常有限[15]。因此,本文的主要目的是在對中國的面源污染特征以及面源污染模型相關(guān)的研究總結(jié)的基礎(chǔ)上,結(jié)合APEX模型的特點(diǎn)對其在解決中國面源污染問題上的應(yīng)用前景和需要改進(jìn)的方向進(jìn)行探討。

1 中國面源污染特征

我國特有的一些社會、經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境特征,造成了我國農(nóng)業(yè)面源污染具備以下三個主要的特征:

1.1 點(diǎn)源面源污染混合排放

在我國,雖然經(jīng)過嚴(yán)格的法律法規(guī)的出臺和實(shí)施,我國由工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的點(diǎn)源污染得到了很好的控制,但是點(diǎn)源污染對水體污染的貢獻(xiàn)仍然占有不小的比例,主要是由于一些企業(yè)不遵守規(guī)定,存在偷排現(xiàn)象。此外,由畜禽養(yǎng)殖、生活污水等產(chǎn)生的點(diǎn)源污染仍然十分普遍。雖然理論上可以識別這些污染源頭,應(yīng)當(dāng)歸結(jié)為點(diǎn)源,但又由于居民生活和畜禽養(yǎng)殖的分散分布,要準(zhǔn)確識別源頭和路徑非常困難。因此可以說這些點(diǎn)源同傳統(tǒng)的種植業(yè)面源是混合發(fā)生的[6, 16]。

1.2 流失路徑錯綜復(fù)雜

我國幅員遼闊,地形、氣候、土壤等基礎(chǔ)條件地理的差異導(dǎo)致了驅(qū)動面源污染發(fā)生的水文循環(huán)的機(jī)制和結(jié)構(gòu)都有很大差異。比如徑流包含超滲、蓄滿等兩種主要的產(chǎn)流機(jī)制在不同的地區(qū)就會有很大差異。在排水系統(tǒng)中包含了大量的人工排水溝渠和城市排水管道,在很大程度上改變了匯流過程。這也是導(dǎo)致點(diǎn)源面源混合排放的一個重要因素。在平原灌區(qū),流失路徑則以淋溶以及地下水遷移為主的運(yùn)移為主。此外,我國的土地所有制和種植習(xí)慣影響,在土地邊界起壟是非常普遍的現(xiàn)象,一方面作為土地所有者之間的分界,更重要的是地壟的存在是為了保水,極大地改變了地塊之間地表的水文和污染物的流失過程[16]。

1.3 農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)復(fù)雜多樣

這主要是由各個地區(qū)的農(nóng)業(yè)種植傳統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、飲食生活習(xí)慣等也都各不相同。我國種植制度從南到北逐漸由一年三熟向一年一熟過渡,不同的熟制區(qū)又會有不同的主要作物類型和輪作方式,如水稻-小麥-蔬菜、小麥-油菜、小麥-玉米等。此外,我國廣泛推廣的間作套種等種植方式,導(dǎo)致其耕作、施肥、收獲等的方式既復(fù)雜又多樣化,對面源污染的貢獻(xiàn)也各不相同。加上農(nóng)業(yè)發(fā)展程度和人口分布的不同,各地的人均耕地面積和種植規(guī)模也有很大差異,這就導(dǎo)致了不同的種植作物集約化的程度不同,有些以機(jī)械化為主,而有些則仍然需要以人力來進(jìn)行農(nóng)事管理。

2 我國面源污染模型相關(guān)研究及其問題總結(jié)

我國面源污染模型的相關(guān)研究的主要特征是起步較晚,以借鑒和應(yīng)用國外的模型為主,同時也包含一些自主開發(fā)的模型。國外的面源污染模型中,SWAT和ECM兩個模型在我國應(yīng)用最為廣泛。最初以模型直接應(yīng)用為主,對太湖、滇池、三峽庫區(qū)以及密云水庫等面源污染嚴(yán)重地區(qū)進(jìn)行污染負(fù)荷總量估算[17—20]、來源解析[21—22]、影響因素剖析[23—26]和治理措施效果評價[27—28]。隨著對模型的特點(diǎn)、不足和在應(yīng)用中出現(xiàn)的適用性等問題的認(rèn)識逐漸深入,不少學(xué)者開始關(guān)注模型的機(jī)理改進(jìn)[29]、不確定性[30—31]、參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)敏感性[32—34]、數(shù)據(jù)缺失[35—36]等方面開展研究,并將應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展為最優(yōu)化管理措施的配置[28, 37]、未來氣候變化[38—39]、水功能區(qū)劃分[40]、城鎮(zhèn)化[27, 41]、景觀生態(tài)[42]等問題進(jìn)行深入探索。除了這兩個模型之外,文獻(xiàn)中還出現(xiàn)了對其他的模型如AGNPS[43—44]、LTHIA[45]、PLOAD[46—47]、GWLF[48]、SWMM[41]、Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs(INVEST)[49]、HSPF[50]等面源污染模型的驗(yàn)證和情景預(yù)測相關(guān)的應(yīng)用與研究。在面源污染模型自主研發(fā)方面,模型構(gòu)建的方式主要以統(tǒng)計(jì)[51—52]和指標(biāo)體系構(gòu)建[53—54]兩種方式為主。無論是借鑒國外的模型,還是依據(jù)我國的條件和數(shù)據(jù)進(jìn)行面源污染模型的自主研發(fā),目前都還存在一些共性的問題需要解決。這些問題主要包括:

2.1 模型的應(yīng)用和驗(yàn)證案例研究仍然非常有限

從不同面源污染模型相關(guān)文獻(xiàn)當(dāng)中出現(xiàn)的校正和驗(yàn)證周期都很短,這一現(xiàn)象反映出來面源污染研究所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏。造成這種現(xiàn)象的原因包括政府相關(guān)部門數(shù)據(jù)不公開、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不夠健全、研究者之間數(shù)據(jù)不共享、研究力量分散、支持面源污染相關(guān)研究的研究項(xiàng)目周期較短等。在使用國外引進(jìn)的基于物理機(jī)制的模型,往往都需要長期(3到5年左右)的觀測數(shù)據(jù)作為模型校正和驗(yàn)證。對于自主開發(fā)的模型,同樣需要長期的數(shù)據(jù)支持才能夠更好地分析面源污染發(fā)生的規(guī)律。

2.2 模型應(yīng)用中對我國面源污染特征結(jié)合不夠

直接應(yīng)用國外的面源污染模型的局限性在于這些模型的發(fā)展機(jī)理大都是基于國外的農(nóng)業(yè)環(huán)境條件進(jìn)行開發(fā)的,無法直接應(yīng)用于我國不同地區(qū)的面源污染相關(guān)過程。一方面是由于國內(nèi)的面源污染模型相關(guān)教育和培訓(xùn)嚴(yán)重不足,大多是拿來主義,對模型的基本原理、運(yùn)行機(jī)制、預(yù)測能力等認(rèn)識非常有限。盡管近些年來已有些改觀,開始有一些相關(guān)不確定性、模型機(jī)理改進(jìn)等相關(guān)的研究,但是大多數(shù)學(xué)者對面源污染現(xiàn)象的系統(tǒng)性和模型所涉及的機(jī)理認(rèn)識不足這一現(xiàn)象沒有實(shí)質(zhì)性的改變,也就導(dǎo)致了部分研究中對模型的應(yīng)用方法、情景的設(shè)置、模擬結(jié)果的解釋都存在提升空間。另一方面,當(dāng)前的模型相關(guān)研究主要集中于內(nèi)陸水體的面源污染,我國海岸線較長,入海河流較多,其面源污染問題對海洋環(huán)境的影響也需要引起重視,特別是面源污染所引起的富營養(yǎng)化等問題,對近海漁業(yè)和海洋生物的生長都有較大的負(fù)面作用,目前國內(nèi)在這方面的相關(guān)研究還非常有限。

2.3 同面源污染發(fā)生機(jī)理研究的結(jié)合不夠

隨著我國學(xué)者對面源污染嚴(yán)重性的認(rèn)識,相關(guān)的機(jī)理研究逐漸增多,但是機(jī)理研究和模型研究往往脫節(jié),沒有能夠?qū)C(jī)理研究的成果及時總結(jié)應(yīng)用到模型當(dāng)中去。這方面的主要原因是我國目前的科研評價體制重基礎(chǔ)輕應(yīng)用。模型的開發(fā)與改進(jìn)對科研人員包含對機(jī)理認(rèn)識、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等方面的綜合能力有較高的要求,同時也需要大量的時間投入,但無法產(chǎn)生足夠可量化的科研成果,導(dǎo)致這方面的研究進(jìn)展非常緩慢,也導(dǎo)致了在現(xiàn)有文獻(xiàn)當(dāng)中以直接應(yīng)用模型為主,對模型的開發(fā)也往往淺嘗則止,開發(fā)出來的模型由于缺乏足夠的驗(yàn)證,導(dǎo)致模型推廣的潛力低。

3 APEX模型介紹

APEX模型由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局于1980年代開發(fā),主要是用于解決農(nóng)場或者小流域尺度面源污染相關(guān)過程無法模擬的問題[55]。在APEX開發(fā)之前,在美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(United States Department of Agriculture, Agriculture Research Service, USDA-ARS)的模型開發(fā)工作中,主要以Environmental Policy Impact Climate(EPIC)和SWAT兩個模型為主。EPIC模型屬于田塊尺度的模型,主要用于模擬田塊尺度上的水文、土壤侵蝕、化學(xué)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)換、作物生長、耕作管理等過程。在一個針對畜牧業(yè)和環(huán)境關(guān)系的國家先導(dǎo)項(xiàng)目(National Pilot Project for Livestock and the Environment)中,對不同有機(jī)肥管理情景在農(nóng)場和小流域尺度上的模擬需求激發(fā)了在EPIC的基礎(chǔ)上進(jìn)行APEX模型的開發(fā)。模型的開發(fā)思路是將EIPC模型的田塊模擬結(jié)果連接起來,以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)場上畜牧養(yǎng)殖的規(guī)模和養(yǎng)分管理措施、土地利用等因素在大農(nóng)場或者小流域上對面源污染相關(guān)過程的影響評價。

APEX模型是用Fortran語言編寫的一套計(jì)算機(jī)程序,它包含了12個主要的模塊,包括氣象、水文、植物生長、管理措施、土壤侵蝕、碳氮循環(huán)、磷循環(huán)、農(nóng)藥、土壤溫度、經(jīng)濟(jì)核算、模擬單元間的匯流演算、水庫水塘模塊等。在運(yùn)行過程中,一個農(nóng)場或者小流域首先按照土壤、土地利用和地形條件劃分為水文響應(yīng)單元。模型主要以日為計(jì)算步長(也可以進(jìn)行次降雨的模擬),首先計(jì)算各個水文響應(yīng)單元上各個模塊上水文過程、植物生長、土壤侵蝕、化學(xué)物質(zhì)循環(huán)等狀態(tài)變化,然后將水文循環(huán)按照匯流路徑匯集到農(nóng)場或者小流域出口,最后計(jì)算泥沙、化學(xué)物質(zhì)等在運(yùn)移過程中和出口的變化情況。在這些過程中,模型還可以加入管理措施、氣候條件等因素對各個狀態(tài)變化的影響。在模型構(gòu)建時,需要輸入的數(shù)據(jù)包括氣象、土壤、土地利用、地形等數(shù)據(jù)。

3.1 氣象模塊

氣象是模型在計(jì)算各個過程時所需要的主要驅(qū)動力。模型運(yùn)行需要的氣象參數(shù)包括降雨量、最高最低氣溫、風(fēng)速、太陽輻射和相對濕度。以日為主要計(jì)算時間步長決定了日尺度的氣象輸入數(shù)據(jù)。如果用戶沒有所有的參數(shù),則需要輸入月尺度各個參數(shù)常年統(tǒng)計(jì)值,包括各個氣象參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏斜系數(shù)等參數(shù)(詳見模型用戶手冊)。模型將通過內(nèi)置的基于一階馬爾科夫鏈的算法將月尺度數(shù)據(jù)降維成日尺度數(shù)據(jù)。

3.2 水文模塊

該模塊主要基于水文平衡理論,包含了水循環(huán)中植被截留、地表徑流、入滲、土壤水分縱向和橫向運(yùn)動、土壤蒸發(fā)、水庫、水、地下水、河道運(yùn)移等所有重要的水文組分(圖1)。地表徑流的計(jì)算包含兩種方法:一種基于經(jīng)驗(yàn)的徑流系數(shù)法改進(jìn)版本(Curve Number Method),另外一種是基于物理過程的Green Ampt法。對徑流系數(shù)法的改進(jìn)主要是在模擬過程中,依據(jù)土壤水分狀況來確定每日土壤初損參數(shù)(soil retention parameter)。峰值流速則包含修正的推理公式法(Modified Rational Formula)和TR-55法(Technical Release No 55)。流域匯流時間的計(jì)算包括了地表、淺溝和溝道匯流三個階段的時間,主要都是基于曼寧公式進(jìn)行計(jì)算。對于蒸散發(fā)量的計(jì)算,模型包括了Penman、Penman-Monteith、Priestley-Taylor、Hargreaves、Baier-Robertson等5個計(jì)算公式,這些公式的計(jì)算精確度、對數(shù)據(jù)的需求和適用的條件都有不同,用戶可以依據(jù)自己使用場景進(jìn)行選擇。

圖1 APEX模型水文模塊示意圖

3.3 植物生長模塊

APEX模型的植物生長模塊是基于EPIC模型,也是一個在其他諸如SWAT等水文模型中常用的作物生長模塊。該模塊基于葉面積指數(shù)的變化和植物的光合效率,可用于模擬農(nóng)作物、樹木和其它類型的植物,包括一年生和多年生。模型中也包含了超過150中常見植物的生長參數(shù)數(shù)據(jù)庫供用戶選擇。整個作物的生長是通過積溫來控制的。在計(jì)算過程當(dāng)中會依據(jù)水分、溫度、空氣、養(yǎng)分和鋁毒五個方面的脅迫來確定每天實(shí)際生物量變化以及植物對氮磷養(yǎng)分的吸收量。并將累積的生物量分為地上和地下兩部分,用于產(chǎn)量估計(jì)。此外,模型還會計(jì)算植物的高度變化和豆科植物的固氮量。該模塊的一個特點(diǎn)是考慮了間作復(fù)種,每個水文響應(yīng)單元允許多達(dá)10種作物同時生長,并以葉面積指數(shù)為主要因素來計(jì)算作物對光、熱和養(yǎng)分的相互競爭。

3.4 管理措施模塊

作為該模型的一個特色,它還包含了對畜禽養(yǎng)殖和有機(jī)肥管理的模擬。在每一個模擬單元中,都可以設(shè)置一個業(yè)主,每一個業(yè)主可以養(yǎng)殖10群以下的牲畜或家禽。模型中提供了包含豬、牛、雞、鴨等常見的畜禽種類,然而,每個模擬單元只允許有一群牲畜或者家禽。這些畜禽可以通過圈養(yǎng)或者散養(yǎng)的方式進(jìn)行養(yǎng)殖。如果是散養(yǎng)放牧,用戶則可以設(shè)定放牧的頻率以及每年的固定放牧?xí)r間。對于有機(jī)肥的管理,圈養(yǎng)可以設(shè)置一個固定大小的蓄糞池,作為有機(jī)肥的施用來源,以液態(tài)或者固態(tài)有機(jī)肥的形式按用戶設(shè)定的頻率施用到指定水文響應(yīng)單元中。

3.5 土壤侵蝕模塊

該模塊可模擬水力和風(fēng)力侵蝕。水力侵蝕的計(jì)算主要是基于通用土壤流失方程及其變化版本,提供了包括通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE)、Onstad-Foster對USLE的修改版本、USLE的其他修改版本(包括Modified USLE,MUSLE Theoretical Version-MUST,MUSLE Small watershed version-MUSS,MUSLE using input coefficients-MUSI, Revised USLE, RUSLE),第二代RUSLE(RUSLE2)等在內(nèi)的8個公式。各個公式中基本都包含了侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長因子、作物因子和控制措施因子。在進(jìn)行水力侵蝕的計(jì)算時,用戶可以從8個公式中選擇一個來進(jìn)行水力侵蝕量的計(jì)算。在進(jìn)行水力侵蝕計(jì)算之外,如果用戶在管理措施中施用了有機(jī)肥,則會采用類似于水力侵蝕的公式進(jìn)行有機(jī)肥的侵蝕量計(jì)算。風(fēng)力侵蝕模塊采用的是風(fēng)力侵蝕連續(xù)模擬(Wind Erosion Continuous Simulation, WECS)模型。該模型要求每天的風(fēng)速分布來計(jì)算侵蝕驅(qū)動力。首先計(jì)算在光滑裸露土壤表面的最大風(fēng)力侵蝕量,然后結(jié)合土壤屬性、地表粗糙度、地表覆蓋和模擬單元的長度來調(diào)整最大風(fēng)力侵蝕量以獲得實(shí)際的風(fēng)力侵蝕量。

3.6 碳氮循環(huán)模塊

該模塊是基于Century碳循環(huán)模型中的土壤有機(jī)質(zhì)子模塊進(jìn)行開發(fā)。碳氮循環(huán)的示意圖詳見圖2和圖3。在該土壤有機(jī)質(zhì)子模塊中,土壤有機(jī)質(zhì)分為包含快速分解的新鮮有機(jī)質(zhì)庫、分解較慢的活性有機(jī)質(zhì)庫和難以分解的惰性有機(jī)質(zhì)庫,并模擬各個庫之間的相互轉(zhuǎn)化以及向環(huán)境中的流失。除此之外,模型還將依據(jù)有機(jī)質(zhì)和無機(jī)碳氮之間轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化,每年對土壤容重進(jìn)行調(diào)整。在氮循環(huán)中,模型還考慮了無機(jī)形態(tài)氮之間的轉(zhuǎn)化,為作物提供生長所需氮素。模型包含了完整的氮循環(huán)過程模擬,包括硝化、氨化、反硝化、被植物吸收利用等過程。當(dāng)獲得土壤中有機(jī)和無機(jī)形態(tài)的碳氮含量之后,模型將結(jié)合水文、土壤侵蝕和作物生長模塊的計(jì)算結(jié)果來計(jì)算它們的流失量和吸收量。

圖2 APEX模型種的碳循環(huán)模塊示意圖

圖3 APEX模型種的氮循環(huán)模塊示意圖

3.7 磷循環(huán)模塊

該模塊是基于受降雨碳氮礦化速率限制的干旱區(qū)草地產(chǎn)量模型(Production of Arid Pastures Limited by Rainfall and Nitrogen mineralization model, PAPRAN)進(jìn)行開發(fā),其示意圖見圖4。在該子模塊中,土壤有機(jī)質(zhì)分為兩個庫,一部分是新鮮有機(jī)質(zhì)庫,包括植物殘差和微生物,另一部分是惰性有機(jī)質(zhì)庫,主要有土壤腐殖質(zhì)組成。模型首先依據(jù)不同的分解速率、新鮮有機(jī)物中有機(jī)態(tài)磷的含量以及同碳氮循環(huán)中提到的土壤環(huán)境控制因子來計(jì)算這兩個部分到快速磷酸鹽的礦化速率。而對于無機(jī)態(tài)磷,模型考慮三種形態(tài),快速磷酸鹽、慢性磷酸鹽和穩(wěn)定磷酸鹽,以及它們之間的相互轉(zhuǎn)化。在獲得穩(wěn)定的土壤有機(jī)和無機(jī)態(tài)磷含量之后,土壤中的磷主要通過被作物吸收、隨土壤侵蝕、隨地表徑流但中途經(jīng)被移除。

圖4 APEX模型中的磷循環(huán)模塊示意圖

3.8 農(nóng)藥模塊

該模塊是基于農(nóng)業(yè)管理對地下水流失效應(yīng)模型(Groundwater loading effects of agricultural Management System, GLEAMS)中的農(nóng)藥模塊進(jìn)行開發(fā)的,其示意圖詳見圖5。首先,農(nóng)藥通過葉面施用或根系施用兩種方式來施用。使用葉面施肥方式施用的農(nóng)藥由于施用效率的不同,一部分在施用過程中便損失到空氣中,另一部分將留在植物葉面或者透過植被直接施用到地表,透過植被直接到達(dá)地表部分的量由植物的葉面積指數(shù)決定。留在植物葉面的部分在降雨時也會被沖刷到地面。在計(jì)算各個部分的量之間的變化之后,計(jì)算在土壤中隨土壤水運(yùn)動的濃度,最終分別計(jì)算進(jìn)入隨縱向流向下進(jìn)入地下水的流失量和隨橫向流進(jìn)入河道的流失量。

圖5 APEX模型中的殺蟲劑子模塊示意圖

3.9 土壤溫度模塊

在模型中,對涉及微生物過程的土壤有機(jī)質(zhì)的硝化和氨化過程、融雪過程、以及植物根系生長過程的模擬都受到土壤溫度的影響,因此模型包含了對土壤溫度的計(jì)算模塊。在該模塊中,對每一層土壤溫度的計(jì)算主要考慮了土壤深度、前一天土壤溫度、區(qū)域多年平均溫度、地表溫度和阻尼深度等的影響。其中,對地表溫度的計(jì)算考慮了地表空氣溫度、地表覆蓋(枯落物或者積雪)兩方面的影響。每一層的阻尼深度受到土壤容重和水分含量的影響。

3.10 匯流模塊

該模塊主要模擬各個模擬單元模擬結(jié)果中包含的徑流、泥沙和養(yǎng)分等在河道中的運(yùn)移直到農(nóng)場或者小流域出口的過程。每個模擬單元被假設(shè)包含兩條虛擬河道,一條為集流河道,另一條為匯流河道。當(dāng)集流河道長度等于匯流河道長度時,該模擬單元被認(rèn)定為集流單元,即該模擬單元沒有上游模擬單元來水；當(dāng)集水河道長度不等于匯流河道長度時,該模擬單元將被定為匯流單元,即該模擬單元除了獲得自身的徑流之外,還將獲得從上游模擬單元匯集而來的徑流(圖6)。在匯流演算中,首先計(jì)算各個河道中的流量和流速。如果流量過大超過了河道容量,河道徑流將溢出,形成河漫灘,并計(jì)算河漫灘的徑流流量和流速。模型提供了基于日徑流量進(jìn)行的匯流演算和基于小時尺度的洪水過程匯流演算兩種方法來進(jìn)行河道和河漫灘的匯流演算。在河道徑流匯流演算的基礎(chǔ)上,進(jìn)行泥沙、氮、磷和農(nóng)藥的運(yùn)移過程。泥沙的運(yùn)移采用拜格諾德公式,依據(jù)流量大小、不同粒徑的泥沙濃度和徑流挾沙力進(jìn)行計(jì)算。如果泥沙濃度小于挾沙力,模型將考慮河岸侵蝕,反之則產(chǎn)生河道沉積。對于有機(jī)態(tài)氮磷的運(yùn)移,模型采用富集比例(Enrichment Ratio)計(jì)算,即河道入流泥沙平均粒徑分布同出流泥沙平均粒徑分布的比值。模型中暫不包含對污染物在河道中的轉(zhuǎn)化過程的模擬。

圖6 APEX模型匯流模塊示意圖

3.11 收支核算模塊

該模塊的主要功能是核算作物種植過程中的資金成本和農(nóng)產(chǎn)品賣出獲得的收入,供用戶進(jìn)行效益預(yù)估和風(fēng)險(xiǎn)評價。模型將成本分為隨產(chǎn)量變動成本和不隨產(chǎn)量變動成本兩個種類。成本核算從模擬開始到作物收獲為一個周期,收獲之后的耕作成本算入下一個核算周期。收入核算通過農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和價格的乘積來計(jì)算。在模擬過程中,模型將對每一種作物種植過程中的每一個管理措施所涉及的成本和收入進(jìn)行核算。該核算模塊的價值在于通過同作物生長過程狀況和對養(yǎng)分需求模擬的結(jié)合,來系統(tǒng)的分析農(nóng)業(yè)政策、氣候變化、市場變動、管理措施和土壤肥力狀況等方面對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

近年來珠寶首飾價格輪番上漲，琥珀價格也水漲船高，各式各樣的檢測樣品也隨之而來，實(shí)驗(yàn)室也面臨前所未有琥珀檢測大挑戰(zhàn)。琥珀是由松科類或豆科類等植物的樹脂滴落積聚后經(jīng)地質(zhì)作用掩埋于地下，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代逐漸石化而成。受到地質(zhì)作用（地質(zhì)年代、地質(zhì)環(huán)境、產(chǎn)出樹脂的樹種不同）的影響，石化程度不同，琥珀產(chǎn)地鑒定非常困難。通過對不同產(chǎn)地琥珀檢測的情況歸納總結(jié)，找出琥珀不同紅外吸收峰特性進(jìn)行歸納。

3.12 水庫模塊

該模塊主要通過物質(zhì)平衡的方式模擬水庫的水量、泥沙含量、氮磷養(yǎng)分和農(nóng)藥含量的變化。在模型中,用戶可以在任何一個模擬單元設(shè)置水庫,并可以為每個水庫設(shè)置主要和緊急溢洪道。水庫的水量變化主要包括庫容、入流流量、庫區(qū)降雨量、水面蒸發(fā)量、滲漏速率和出口流量的變化。水庫中泥沙含量的變化則由庫水泥沙含量、庫容變化量、入庫泥沙量、出庫泥沙量、泥沙沉積量的變化決定。水庫中的氮磷養(yǎng)分和農(nóng)藥含量的變化是依據(jù)入庫和出庫水量和泥沙量的變化、氮磷養(yǎng)分和農(nóng)藥的濃度分別計(jì)算的。

4 APEX模型相關(guān)研究及其應(yīng)用簡述

APEX模型最初開發(fā)的目的是為了滿足美國關(guān)注于畜牧業(yè)和環(huán)境關(guān)系的國家先導(dǎo)項(xiàng)目中對畜牧養(yǎng)殖帶來的水質(zhì)和其他環(huán)境問題進(jìn)行評價。Gassman等[55]關(guān)于APEX模型的綜述中對該項(xiàng)目以及APEX在項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,并對APEX模型在不同的田塊、小流域甚至中尺度的流域進(jìn)行的驗(yàn)證和應(yīng)用進(jìn)行了評述。自發(fā)布之日起,模型的開發(fā)者就對不斷地進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證,主要的改進(jìn)里程碑包括增加自動管理畜牧養(yǎng)殖區(qū)域的有機(jī)肥管理模塊以提高模型在區(qū)域放牧模擬的適應(yīng)性、對美國中西部普遍存在的埋管排水現(xiàn)象的模擬驗(yàn)證、對水庫和林地水文過程的模塊進(jìn)行改進(jìn)、加入Century模型的碳循環(huán)模塊、完善河道匯流模塊、以及對模型性能的提升來增加對包含多個子流域的區(qū)域模擬等。

在已發(fā)表文獻(xiàn)中出現(xiàn)的同APEX模型相關(guān)的研究可以分為如下幾類:對APEX發(fā)展歷史進(jìn)行總結(jié)的綜述性文章[55]、模型界面開發(fā)的文章[56—58]、模型理論的改進(jìn)[59—61]、模型的參數(shù)最優(yōu)化技術(shù)[9, 62]和敏感性分析技術(shù)[63—64]、以及模型在不同場景的驗(yàn)證和應(yīng)用案例[65—69]等幾個方面。近20年來,隨著APEX的不斷發(fā)展完善和在不同場景下的應(yīng)用驗(yàn)證,其功能、易用性、模擬經(jīng)度等都得到了大幅度的提升并被應(yīng)用于養(yǎng)殖場[65]、水稻田[70]、林地[71]等多種景觀類型上進(jìn)行BMP措施、氣候變化等對農(nóng)業(yè)面源污染的影響評價方面。目前,APEX模型最廣泛的應(yīng)用是在美國農(nóng)業(yè)部的保護(hù)性耕作效果評估項(xiàng)目(Conservation Effect Assessment Project,CEAP)中,對農(nóng)業(yè)部廣泛推行的多種BMP措施效果進(jìn)行評估,并同SWAT模型一起構(gòu)成了該項(xiàng)目評價的主要工具。

5 APEX模型在中國面源污染問題的應(yīng)用前景分析

APEX模型機(jī)理介紹和應(yīng)用研究綜述表明,該模型包含了面源污染主要過程,并且在面源污染研究所涉及的總量估算、路徑分析、治理措施等問題都有充足的應(yīng)用和驗(yàn)證。更重要的是,該模型在結(jié)合我國面源污染特征方面有先天的優(yōu)勢。除了包含其他諸如SWAT、HSPF和AnnAGNPS等都有的可以同時模擬點(diǎn)源面源污染之外,還包含有一些其他模型所不具備的特點(diǎn)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

5.1 模擬單元設(shè)置靈活

模型對于研究區(qū)的分解方式是將單個的田塊或者子流域通過匯流模塊連接起來構(gòu)成一個大農(nóng)場或者小流域,這是由于APEX是在田塊尺度的EPIC模型基礎(chǔ)上耦合河道匯流模塊而形成。這使得該模型除了可以被應(yīng)用于基于DEM確定的小流域集水單元,也可以被應(yīng)用于大型農(nóng)場,甚至由人工排水溝連接的小田塊組成的田塊群。

5.2 對畜禽養(yǎng)殖和有機(jī)肥管理的模擬

我國面源污染中一個重要的來源就是畜禽養(yǎng)殖,而對畜禽養(yǎng)殖場的模擬是APEX模型在開發(fā)初期重點(diǎn)要解決的問題[65, 72]。模型包含了對養(yǎng)殖場規(guī)模、畜禽數(shù)量、養(yǎng)分處理和利用方式、有機(jī)肥施用和侵蝕等的計(jì)算,可以有效地對畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的面源污染物進(jìn)行溯源、總量計(jì)算、以及不同管理措施進(jìn)行模擬。需要指出的一點(diǎn)是,該模塊基于美國的畜禽養(yǎng)殖方式進(jìn)行開發(fā),在應(yīng)用于我國的畜禽養(yǎng)殖模擬時需要驗(yàn)證,必要時需要進(jìn)行模塊功能擴(kuò)展以適應(yīng)我國畜禽養(yǎng)殖模式的模擬。

5.3 模擬復(fù)雜的耕作系統(tǒng)

APEX模型中的作物生長模塊包含了對不同作物對光和水資源的競爭、耕作方式等的模擬,并且允許同一個模擬單元同時生長10種植物,這可以很好地對我國廣泛存在的間作套種和不同熟制區(qū)的輪作制度進(jìn)行模擬。

5.4 對BMP的模擬

模型中對BMP的模擬大多數(shù)是可以基于物理過程而不是簡單的消減系數(shù)進(jìn)行設(shè)置,并包含了對多種常見的結(jié)構(gòu)性、非結(jié)構(gòu)性和管理性BMP的模擬功能。文獻(xiàn)中應(yīng)用APEX模型對多種BMP的效果進(jìn)行評價[73—76]。

5.5 對水稻田的模擬

APEX模型的耕作措施模擬中包含了對水稻田蓄水和排水等措施的模擬,用戶可以依據(jù)實(shí)際的田塊管理實(shí)際按照日期或者積溫對水稻田的蓄水和排水進(jìn)行設(shè)置,用于模擬水稻的生長。

除了上述模型機(jī)理方面的優(yōu)勢,APEX模型的跨平臺運(yùn)行(Windows和Linux操作系統(tǒng)平臺)、計(jì)算效率高、容易擴(kuò)展等特點(diǎn)[77]也為該模型適用于大面積的模擬提供了便利。目前,由中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)開發(fā)的生態(tài)模型云平臺(http://159.226.240.209/rceesecomodelcloud.html),已經(jīng)將APEX模型的構(gòu)建和運(yùn)行包含進(jìn)來。該平臺共包含運(yùn)行APEX模型的線上和線下兩個版本,線上版本包含了中國內(nèi)陸地區(qū)構(gòu)建模型所需的土壤、土地利用、DEM和氣象等數(shù)據(jù)庫,用戶可以直接通過網(wǎng)頁瀏覽器進(jìn)行模型的構(gòu)建和結(jié)果預(yù)覽。線下版本則為用戶定制模型構(gòu)建提供了更多的選項(xiàng)。通過該平臺,用戶可以快速的進(jìn)行模型構(gòu)建和運(yùn)行,大大簡化了模型構(gòu)建的學(xué)習(xí)時間,為后續(xù)的模型應(yīng)用、機(jī)理改進(jìn)和進(jìn)一步開發(fā)提供了很好的基礎(chǔ)。

6 APEX模型需要改進(jìn)的方面

正如第3部分所說,當(dāng)前我國面源污染模型相關(guān)的研究還存在諸多問題,APEX模型雖然有很好的基礎(chǔ),但是仍然有很多方面需要繼續(xù)進(jìn)行深入研究。下面針對我國面源污染模型的需要對APEX模型都要改進(jìn)的方面進(jìn)行闡述。

6.1 理論驗(yàn)證和擴(kuò)展

無論是APEX,還是其他基于國外條件開發(fā)的模型,其理論基礎(chǔ)在中國都存在一定的“水土不服”。這首先體現(xiàn)在作為模型中面源污染發(fā)生主要驅(qū)動力的水文過程的適用性。目前常用水文模型中關(guān)于徑流產(chǎn)生的模擬主要是通過美國農(nóng)業(yè)部土壤保持服務(wù)中心(現(xiàn)自然資源保護(hù)服務(wù)中心)開發(fā)的徑流曲線法(Curve Number Method)和Green-Ampt方法。徑流曲線數(shù)方法主要描述蓄滿產(chǎn)流機(jī)制。Green-Ampt方法則是物理過程模型,所模擬的產(chǎn)流機(jī)制由土壤入滲速率決定。在應(yīng)用過程中,由于各地土壤和地理?xiàng)l件的差別,對于兩種方法所依賴的主要參數(shù)和方程的形式可能存在很大的不確定性[78]。目前大家主要是通過使用一些自動參數(shù)校驗(yàn)工具進(jìn)行參數(shù)校正和驗(yàn)證的方式來確定模型的適用性。這種方式所確定的參數(shù)不一定符合研究區(qū)域的實(shí)際情況,使得模型模擬的結(jié)果雖然跟觀測值在統(tǒng)計(jì)值和線圖上擬合較好,但是實(shí)際的水文循環(huán)組分的構(gòu)成、氮循環(huán)過程等有可能并不符合實(shí)際情況。

因此,模型研究要結(jié)合土壤水文的理論和實(shí)驗(yàn)研究,依據(jù)我國各個地方實(shí)際的土壤和土地利用狀況下決定的降雨和徑流之間的關(guān)系,從機(jī)理上對模型采用的公式進(jìn)行驗(yàn)證,而不僅僅是參數(shù)校驗(yàn)。除了地表徑流的計(jì)算之外,其他的相關(guān)理論包括土壤侵蝕預(yù)測公式、碳氮磷循環(huán)相關(guān)的公式、以及中國特有的一些BMP的設(shè)置和效果,都應(yīng)當(dāng)根據(jù)特定過程依據(jù)數(shù)據(jù)和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?又稱“軟數(shù)據(jù)”)對模擬結(jié)果進(jìn)行校正和驗(yàn)證。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)當(dāng)中,無論是通過自研還是對SWAT等基于國外的模型,已有一些文獻(xiàn)開始對模型機(jī)理開始關(guān)注。

對于APEX來講,也面臨同樣的問題。APEX的一個優(yōu)勢是在模型設(shè)計(jì)中,對于不同的過程通常都提供較多的選項(xiàng),比如對潛在蒸散量的模擬就包含了常見5個公式,為模型理論的驗(yàn)證提供了很多的便利。在后續(xù)的研究中,我們將針對我國面源污染的特征,尋找土壤、水文、養(yǎng)分循環(huán)等方面的同行合作,對APEX模型的理論基礎(chǔ)進(jìn)行全面的驗(yàn)證和改進(jìn),使其更加適合對我國面源污染的模擬。

6.2 模型應(yīng)用推廣

一個模型的成功推廣和應(yīng)用取決于四個方面,模型的理論合理性、模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性、模型參數(shù)敏感性和模型的操作易用性。就APEX模型來講,其理論方面相比其他模型具有一定優(yōu)勢,主要是由于Jimmy R.Williams博士一直專門從事EPIC和APEX模型的開發(fā)工作,為模型的理論框架和更新做出了大量的努力。在模擬結(jié)果準(zhǔn)確性方面,同SWAT模型相比,APEX模型雖然在全世界的驗(yàn)證方面有些不足,但是在美國也已經(jīng)有非常多的驗(yàn)證,對模型的準(zhǔn)確性有足夠的支撐。模型參數(shù)的敏感性主要是指模型應(yīng)該包含面源污染各個過程相對全面的影響因素,而這些影響因素是在相應(yīng)公式中的參數(shù)中體現(xiàn)出來。從參數(shù)敏感性角度來講,模型模擬結(jié)果對同影響較大的因素相關(guān)的參數(shù)敏感性大,而對同影響較小的因素相關(guān)的參數(shù)敏感性小。APEX模型中包含超過150個參數(shù),不同過程敏感性較大的參數(shù)在20個左右,其余的參數(shù)敏感性相對較小。

操作易用性則要求模型的模型支持文檔、用戶界面、數(shù)據(jù)要求和準(zhǔn)備、模型結(jié)果處理等都要便于用戶理解和應(yīng)用模型。在這一點(diǎn)上,目前APEX顯得相對不足。盡管已經(jīng)翻譯出版了APEX模型用戶手冊和理論手冊[79—80],但用戶手冊和理論手冊的編寫易讀性不足。用戶界面目前主要包含ArcAPEX[56],但到ArcGIS10.3版本之后不再更新,并且在軟件安裝和運(yùn)行過程當(dāng)中,經(jīng)常出現(xiàn)問題,也缺少相應(yīng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)來支持,在近年來ArcGIS不斷更新的情況下,非常不利于APEX模型的推廣應(yīng)用。在數(shù)據(jù)要求和準(zhǔn)備方面,通過多年的積累,我國的面源污染相關(guān)的研究人員已經(jīng)有一定的數(shù)據(jù)量來支持特定區(qū)域的模型構(gòu)建和驗(yàn)證[81—84],然而,進(jìn)行全國的模型模擬和驗(yàn)證仍然存在一定的困難。在網(wǎng)絡(luò)版模型開發(fā)方面,目前我們已經(jīng)在生態(tài)模型云平臺上開發(fā)了基于python語言的pyapex軟件,軟件的用戶界面也在不斷完善,并且提供了包含在中國內(nèi)陸地區(qū)構(gòu)建模型所需要的完整數(shù)據(jù)庫。然而,對于模型的驗(yàn)證,仍需要大量的工作。

7 結(jié)論

我國的面源污染問題仍然很嚴(yán)重,這是在保證我國糧食和生態(tài)安全進(jìn)程中必須要解決的關(guān)鍵問題之一。然而,由于我國的社會、經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性,決定了面源污染問題的解決是一個需要考慮多種因素和多個過程的系統(tǒng)工程,對該問題的研究也離不開面源污染模型的開發(fā)與應(yīng)用。目前,我國面源污染模型的研究以借鑒和應(yīng)用國外的模型為主,同時也包含一些自主開發(fā)的模型,雖然開展很多的工作,但也存在模型驗(yàn)證不足、模型對我國面源污染特征針對性不強(qiáng)和與機(jī)理研究結(jié)合不夠深入等問題。APEX模型作為一個正在被廣泛應(yīng)用的模型,其靈活的模擬單元設(shè)置、針對面源污染的多元性和種植制度的復(fù)雜性的模擬能力,使得該模型在我國面源污染問題研究中具有較好的應(yīng)用和發(fā)展前景。本文通過對APEX模型的模塊和應(yīng)用驗(yàn)證歷史的詳細(xì)分析,提出了為了提高該模型在我國的適用性所需要進(jìn)行機(jī)理改進(jìn)和應(yīng)用推廣需求,以期能夠推動我國面源污染模型的發(fā)展。