流域营养盐输出模拟及控制政策情景分析——以珠江支流为例

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受人为活动尤其农业活动影响,珠江流域内大量营养盐随河流输送到河口及近海海域,引起河口及近海海域富营养化,造成赤潮频发、水体缺氧等问题。在此背景下,该论文构建了一套有效的流域营养盐输出过程模拟及污染控制政策分析方法,为认识和控制流域营养盐污染提供技术支持和理论依据。  本研究以珠江三大支流之一——北江为例,建立环境数据库,基于全球流域营养盐输出模型Global NEWS,构建了本土化的Global NEWS模型,并应用于北江流域营养盐输出过程模拟。在此基础上,联用本土化的Global NEWS模型和多主体农户与农村管理模型MAREM模型作为流域营养盐污染控制政策的分析方法,定量描述农户个体行为与区域性营养盐污染问题之间的逻辑关系,然后以农业非点源为控制重点,结合情景模拟,探讨了流域营养盐污染控制策略。  本研究构建的本土化的Global NEWS模型修正了降水和径流参数,改进了模型计算方程以及模型输入数据的计算方法,并且模型的输入数据采用空间精度更高的基础数据进行计算,使得模拟结果更能反映北江流域营养盐污染的实际情况。  在模型构建的基础上,选取2000、2005和2010年为目标年,利用本土化的Global NEWS模型分别计算了流域各营养盐输出总量(t/a)和输出通量(kg/(km2·a))。2010年北江流域各营养盐输出总量为:溶解态无机氮(DIN),6.96万t/a,比2000年增加了10.27%;溶解态无机磷(DIP),0.50万t/a,比2000年增加了31.27%;溶解态有机氮(DON),1.37万t/a,比2000年增加了4.49%;溶解态有机磷(DOP),0.08万t/a,比2000年增加了22.94%。  2010年,北江流域内化肥施用引起的随地表径流流失的氮对DIN输出量(包括通量和总量)贡献率为28%,养殖污水的贡献率为4%左右;DIP的主要贡献源是养殖废水,其次是化肥施用,分别占42%和30%。养殖废水和化肥施用对DON的贡献率分别为12%和3%,对DOP的贡献率分别为3%和19%,粪肥施用对各营养盐输出量的贡献率均很小,为0~7%。2000~2010年,化肥施用对北江流域各营养盐输出量的贡献率均逐渐增加;养殖废水的贡献率均先增加后减少。  空间分布上,北江下游的绥江、滨江和潖江各营养盐输出通量均较其他子流域高,与这些地区单位面积内较高的化肥施用强度以及养殖废水氮、磷排放量有关。绥江、连江、浈江各营养盐输出总量均较高,潖江和滨江均较小。  通过联用Global NEWS模型和MAREM模型评估流域营养盐污染控制政策的预期效果。以化肥税和农药税的政策组合为例。首先利用MAREM模型模拟了25种化肥税或农药税的政策情景,结果表明,在削减化肥投入强度方面,农药税有间接作用;中等税率化肥税和农药税方案(75%)是较优选择;低税率(25%)方案只能控制化肥投入强度的增长幅度;高税率(150%)方案对化肥投入强度的削减效果与中等税率方案相近,但会给农户造成较大的经济负担且可能威胁粮食安全。  然后设计了惯性情景、低税率化肥税和农药税情景(25%税率)、中等税率化肥税和农药税情景(75%税率)三种未来情景(2020年),根据上述MAREM模拟的不同政策情景下农户行为决策结果,计算和调整NEWS模型的输入数据,通过这种方式链接MAREM模型和NEWS模型,分析不同政策情景对北江流域营养盐污染的控制效果。结果表明,实施中等税率的化肥税和农药税能够显著降低化肥投入强度,但种植业生产成本的提高间接加剧了养殖业污染,对流域营养盐污染的控制效果总体上不如低税率化肥税和农药税的情景。因此为应对流域营养盐污染,低税率的化肥税和农药税方案更优。
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