基于多植物生长模式的SWAT农林非点源污染模拟研究——以鄱阳湖流域为例

非点源污染是目前国内外研究与治理的一个重大环境问题，本项目以亚热带季风湿润区红壤背景下的鄱阳湖流域为试验区，以野外实测数据为基础，以农林系统的非点源污染模拟为目标，研究建立变化密度、多种类和多种类混杂的森林生长模型，修正SWAT用平均森林植被密度估算生物量累积和单一植物生长模式等问题，建立与之相适应的森林植被覆盖度遥感估算模型、叶面积指数与遥感植被指数的关系模型和消光系数遥感模型来获取森林生长模型的相关参数。同时，根据间作套种下的辐射能利用Keating方程，引入间作套种指数变量，修正SWAT原有的单一生物量日积累模型，研究建立基于遥感的作物复种指数模型、套种指数模型和以此为基础的作物间作套种生长模型；利用修正后的模型对单一树种及多树种混交等森林植被景观和复种多熟、间作套种等种植制度与农耕方式进行时间和空间系列上的模拟，通过敏感性分析，定量评估它们对非点源污染的影响，分析其时空形成机制。

本项目以亚热带季风湿润区红壤背景下的鄱阳湖流域为试验区，以野外实测数据为基础，以农林系统的非点源污染模拟为目标，通过研究建立变化密度及多种类混杂的森林生长模型，修正了SWAT 采用平均森林植被密度和单一植物生长模式估算生物累积量的问题，并建立了与之相适应的植被覆盖度遥感估算模型、森林组份丰度遥感反演模型、叶面积指数和消光系数遥感反演模型以获取森林生长模型的相关参数。同时，根据间作套种下的辐射能利用Keating 方程，引入间作套种指数变量，修正SWAT 原有的单一生物量日积累模型，探讨了作物复种指数、间作套种指数遥感反演方法和以此为基础的作物间作套种生长模型。研究结果表明，修正后的SWAT模型与原始SWAT模型相比，在模拟流量和营养盐负荷方面，得到了较好的改善。利用修正的SWAT模型，通过引入植被覆盖度、不同森林组份丰度和植被叶面积指数等变量，对森林植被景观进行了时空模拟，从不同角度定量评估了这些变量对非点源污染的影响，并进行了形成机制分析。结果表明，植被覆盖度、森林组份丰度和植被叶面积指数与有机氮（ORGN）、有机磷（ORGP）、由地表径流输入河道的氮（NSURQ）、由地下水输入河道的硝酸盐氮（GWNO3）和随泥沙输出到河道的磷（SEDP）等营养盐负荷的产出能力都呈极显著相关，定量揭示了植被覆盖度、叶面积指数以及森林组份中的针叶林、阔叶林和稀疏灌丛丰度对流域营养盐产出与输移方式的关系。在农业种植与耕作方式对非点源污染的影响方面，对复种指数和间作套种指数进行了控制性模拟试验，结果表明，营养盐负荷产出能力与耕地平均复种指数及旱地平均间作套种指数之间相关并不显著，说明农作物复种与间作套种对营养盐负荷的产出没有明显的贡献。相较于原始SWAT 模型采用平均森林植被密度和单一的植物生长模式估算生物累积量，修正的SWAT模型建立了变化密度及多种类混杂的森林生长模型，更能反映森林生长的真实情况，因而在进行森林植被景观对非点源污染影响的模拟中，可以有效利用植被覆盖度、森林组份丰度和叶面积指数等变量从不同角度来描述森林植被景观的不同状态。从结果来看，森林组份丰度在描述森林植被对营养盐的影响时，比植被覆盖度有更好的相关性；此外，森林组份丰度将森林分成不同组份并以丰度来表示其构成比例，因而更能细致地刻画森林的群体结构的真实状态。因此，森林组份丰度引入SWAT模型具有重要的意义。