APEX模型在南方水稻灌区面源污染研究中的应用前景

APEX模型在南方水稻灌区面源污染研究中的应用前景张丽华;代俊峰;谢永雄;莫磊鑫;苏毅捷

【摘要】由于南方地区特殊的气候条件、地形地貌和农业管理措施,南方水稻灌区污染物迁移过程呈现复杂性.本文在介绍APEX模型的功能特点和应用实例基础上,结合南方水稻灌区氮磷迁移的影响因素分析,探讨了APEX模型在南方灌区面源污染控制研究相关领域的应用前景.

【期刊名称】《工业安全与环保》

【年(卷),期】2018(044)007

【总页数】4页(P88-91)

【关键词】APEX模型;氮磷;灌区;稻田

【作者】张丽华;代俊峰;谢永雄;莫磊鑫;苏毅捷

【作者单位】桂林理工大学,广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西桂林541004;桂林理工大学,广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西桂林541004;桂林理工大学,岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心广西桂林541004;桂林理工大学,广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西桂林541004;桂林理工大学,广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西桂林541004;桂林理工大学,广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西桂林541004

【正文语种】中文

0 引言

农业面源污染是地表水和地下水污染的主要来源之一，我国化肥的施用量远超过国际上为防止水体污染而设置的化肥使用上限[1]。我国南方水稻种植区施肥量大，由于降雨量大、灌水方式不合理等引起氮磷流失，对水环境造成较大影响[2]。

为了模拟分析流域面源污染的产生、排放及其对水环境的影响，许多面源污染模型相继得到了开发和发展。例如，美国农业部农业研究所开发的连续模拟模型CREAMS，首次系统、综合地分析了面源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程。在此基础上又发展出一系列结构类似、各具特点的模型，如用于模拟大流域面源污染负荷的SWRRB和SWAT，农田小区模型EPIC，应用于中小流域的面源污染模型AGNPS和ANSWERS。美国德克萨斯黑土地研究与推广中心开发的模型APEX(The Agricultural Policy Environmental EXtender)适应性较强，主要适用于田间和小流域尺度的模拟[3]。APEX模型在美国已经被广泛应用，在中国也有研究实例，但APEX在中国南方水稻灌区的应用鲜有报道。

本文详细介绍了APEX模型的主要功能，结合南方水稻灌区的水文和面源污染特点，探讨APEX模型在南方水稻灌区氮磷运移模拟中的应用前景。

1 APEX模型介绍

1.1 主要功能

APEX模型由12个主要部分组成，包括水文、气象、泥沙、土壤温度、碳循环、养分循环、作物生长、侵蚀沉积、农牧业管理、杀虫剂、种植环境控制、经济预算等模块，除了流域算法之外，地下水和水库模块已经被合并到APEX中[4]。(1)水文模块：水文模块可以模拟计算各个水文响应单元HRU(Hydrologic Response Units)的地表径流、下渗、蒸散发等水文过程。在APEX中可用两种不同方式估算地表径流：改进的水土保持局(SCS)径流曲线数法(USDA-NRCS，

2004)和Green-Ampt入渗方程，用修正的Rations Formula和SCS TR-55方法模拟径流峰值。降雨强度为降雨量的函数，采用随机方法预测坡面流和河道的汇流时间[5]。

(2)气象模块：气象模块可直接输入降雨量、气温、太阳辐射、相对湿度和风速等气象因素变量，模拟风力侵蚀时对风速资料的要求更高。气候数据的输入方式包括读取实测数据、模型内部产生数据或者内部数据与实测数据相结合。APEX要求输入每个月的天气统计数据，以满足日气象参数随机过程计算的需要。

(3)作物模块：基于EPIC模型的算法来模拟作物、树木及其他植被的生长，目前已开发了约100种作物和植物的输入参数。APEX可以模拟一年生和多年生作物，作物的生长基于每日的热量累积，还能模拟十种作物或植被在竞争环境下的生长情况。

(4)营养物模块：APEX模型对于N，P两种元素进行独立的模拟，在模型中完整的氮循环包括大气氮输入、肥料氮的施用、作物吸收氮、矿化、固定化、硝化、反硝化、氨挥发、有机氮和泥沙吸附态氮浸出损失及氮磷随地表径流、侧向潜流、灌溉排水的损失等。降雨事件中有机氮的流失采用Williams和Hann修改的模型来模拟。由于磷与泥沙运动相关联，其溶磷方程是一种线性函数，利用磷矿化模型对磷的迁移过程进行模拟。

(5)农业管理模块：APEX模型的农业管理措施包括灌溉(喷灌、滴灌或沟渠灌溉)、排水、沟渠堤坝、缓冲带、梯田、水道、施肥和使用农药/杀虫剂的信息(日期、数量、方式)、粪便管理、池塘和水库管理、作物轮作和选择、覆盖作物、生物质去除、农药效应、放牧和耕作等。

1.2 模型的优势和不足

相对于其他面源污染模型，APEX能更好地模拟农场或小流域尺度以及模拟作物种植和农业管理措施等方面对环境的影响。APEX提供了涉及地表径流、灌溉排水、

沉积物沉积和降解、营养输送和地下水流在子区域之间相互作用的评估，可以估计每个分区和流域出口处的氮磷和农药损失，对来自动物产生的废液废物储存池或水塘的液体废物应用的模拟是模型的主要特色之一。APEX也可以模拟从饲养场或其他动物饲养区收集的固体粪肥的储存及随后的土壤施用效应[6]。然而，APEX模

型中缺乏子流域之间的河道演算以及大流域应用中的河道过程，所以不能很好地解决大流域污染物迁移问题。

2 APEX模型国内外应用实例介绍

APEX模型及其前身EPIC已被广泛应用于农场和小流域农业管理的评估[6-7]。Tuppad等[8]运用APEX模型对小流域河网中的多个站点进行地表径流、泥沙和

养分损失的模拟，得到径流、泥沙、总氮、总磷的年均变化范围，反映了地形、土壤、土地利用和气候对这些变化的贡献，从而得到水质的变化取决于其周围的土地利用方式和地形地貌的相关结论。Wang等[9]对APEX模型的性能进行了研究，

其校准和验证的结果证实：APEX模型能够有效地估算农业最佳管理措施前后条件下的日径流量和泥沙产量。

Wang等[10]利用APEX模型模拟了中国西北地区ZFG流域的不同土地利用条件

下的土壤侵蚀情况。结果表明，APEX模型可以很好地模拟流域内大于50%坡度

的区域。在校准期间对径流、RUSLE、坡长及陡度、河道流速、饱和导水率和RUSLE C因子等参数进行了修正。结果表明，再造林是8种替代性土地利用(现状、所有草、所有谷物、所有放牧、所有森林、半树和半草、70%树和30%粮食)中的最佳方式，由于树木根系稳固，比草地物种在控制陡坡上的径流和侵蚀方面更有效，在ZFG流域不宜扩大土地用于粮食生产及其他草物种植。

尹黎明等[11]对APEX模型在淮河流域中上游的适用性进行了研究，用日径流/产

沙的实测值校正和验证模型。结果表明，与休闲地相比，林地-水平沟的径流量平

均减少37%，产沙量平均减少89%，构建水平沟、水平梯田以及增加地表植被是