1.2.4　區域農業面源污染研究

農業活動導致的水體污染及富營養化現象是當今世界亟待解決的難題之一。近年來，農業面源污染的研究已經逐漸成為水污染控制研究的重點。大量研究表明，農業生產對面源污染的貢獻顯著，并對水質惡化起到了非常重要的推動作用，這是因為水體富營養化過程與農業生產的氮磷流失有著密切的關系。在農業生產中，化肥的利用率僅為35%～40%，大部分殘留在土壤、水體中，其主要成分氮磷隨著農業灌溉用水和地表徑流進入河流、湖泊和水庫（王春生等，2007）。農田徑流是我國64%受污染河流和57%受污染湖泊的主要污染源（全為民等，2002；楊斌等，1999）。

農業污染物遷移轉化過程按照發生途徑或介質可分為地表溶出過程和土壤滲漏過程。地表溶出過程是表層土壤與地表徑流的相互作用過程，受徑流期間水文循環、土壤性質、土地利用類型和污染物存在形態等因素的影響（Cheng et al.，2018；Whitehead et al.，2002；金春玲等，2018；姚金玲等，2019）。大量研究表明，降雨強度、耕作強度、氣象因子、地形地坡及施肥狀況與污染物隨地表徑流的流失密切相關（Eskinder et al.，2017；Valbuena-Parralejo et al.，2019；王月等，2019）。土壤滲漏過程是指污染物在降雨或灌溉作用下以溶解態的形式向下層土壤的垂向遷移，是土壤中溶質在對流、擴散和化學反應耦合作用下的運移過程。這些下滲的污染物不但對所在區域的地下水水質構成潛在威脅，還影響著與所在區域地下水有水文循環關系的其他水體。土壤特性、灌溉模式和土壤微生物等是影響土壤滲漏的主要因素（Valkama et al.，2016；Wang et al.，2019；吳家森等，2012）。

農業面源污染以人類活動和水質響應為核心，通過生態水文過程和地貌系統緊密聯系起來定量化研究農業活動對水質的影響。20世紀90年代后期，美國最早開展面源污染研究，運用水文學知識綜合分析面源污染物的遷移轉化過程，并形成了一系列的水文模型和污染物遷移轉化模型。具有代表性的水文模型有SCS徑流曲線數法、徑流系數法等統計方法；污染物遷移轉化模型重點研究陸地進入水體前的遷移轉化過程，最初的面源污染模型只考慮溶解性和非溶解性兩類，代表性的模型有AGNPS（Agricultural Non Point Source）（Miklanek et al.，1999）和SWMM（Storm Water Management Model）模型（Tuomela et al.，2019）。

由于GIS技術能夠有效考慮流域多種自然因子的共同作用，在面源污染模型中綜合考慮區域的土壤、氣候和地形等多方面的因素，尤其是能夠運用強大的空間分析模塊實現流域數據的整體輸入，提高了模擬結果可視化程度。代表性的模型有HSPF（Hydrologic Simulation Program-Fortran）模型（Berndt et al.，2016）；CREAMS（Chemicals Runoff and Erosion from Agricultural Management System）模型；EPIC（Erosion Productivity Impact Calculator）模型（Le et al.，2018）；WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型（Fernández et al.，2018）等。流域尺度模型SWAT（Soil Water Assessment Tools）可用于模擬地表水和地下水水質和水量，預測土地管理措施對不同土地利用方式、土壤類型和管理條件的大尺度復雜流域的水文、泥沙和農業化學物質產生的影響（Anna et al.，2017；Nguyen et al.，2019），其中主要子模型有水文過程子模型、土壤侵蝕子模型和污染負荷子模型（Abbasporu et al.，2007），為具有分布式特點的模擬與評估模型。與以往面源污染模型相比，分布式面源污染模型能夠將研究區域離散為更小的單元（馬放等，2015）。面源污染發生機制研究為該領域的前沿問題之一（鄭一等，2002），包括水文過程、污染物在土水界面遷移等。