随着《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划(2009-2020)》的逐步实施,作为国家商品粮基地之一的河套灌区增产压力将逐步增大。在区域可垦面积有限、土地开发强度较高的局面下,提高化学品投入将成为粮食增产的主要手段,随之农业非点源污染也将会进一步加剧。加上河套灌区农业耕作方式多样、化肥与农药管理混乱,进一步增加了非点源污染的监测与治理难度。《规划》中同样将农业面源污染监测和治理提上高度,要求“按照源头控制、过程阻截和末端治理的要求,加快实施化肥农药减施替代工程,推广精准化施肥施药等环境友好型农业生产技术,防治农业面源污染。”　　本研究针对国内对大型灌区非点源污染研究的不足,基于田间试验确定灌区水平衡及氮磷迁移关键参数;在小灌域进行SWAT模型的参数化,通过系统模拟与研究,建立适用于河套灌区的参数组;采用参数推广法进行河套灌区的非点源污染模拟,分析污染的时空分布特征;在模拟结论的基础上,根据灌区的实际情况,提出相应的管理措施,对BMPs进行运行效果及费用评价,运用基于信息熵的多属性决策方法对BMPs进行优化设计,提出切实可行的非点源污染控制方案。取得研究成果:　　(1)本研究通过田间水分观测实验发现:每年春播期间农田土壤的含水量较大,这些水来源于融解的积雪和土壤水,其中80cm处的“尖灭点”在此时期含水率最高;从夏灌开始到秋浇开始之前,土壤含水量呈下降趋势,田间土壤水分变化属于“蒸腾蒸发消耗型”;在秋浇期内,田间土壤水分变化为“入渗补给型”。作物根系对土壤水分的分布影响显著,由于作物根系发达程度不同,对土壤含水率影响的深度也有所差别。作物生育期地下水埋深持续增加,灌区地下水补给量小于地下水消耗量,灌溉、降雨的渗漏补给不能满足蒸发、作物生长等耗水量,因此,灌区在作物生育期处于“负水平衡”;在秋浇期,地下水位在灌溉后持续上升,且上升明显,灌溉渗漏补给量大于地下水消耗量,除满足地下水开采、排泄和潜水蒸发外,还有部分转入土壤中储存,等待土壤进入冰冻期;由于优先流的存在,出现了在灌溉发生时,土壤水还未达到田间持水量时就对地下水产生补充,这就是农田地下水对降雨及灌溉响应速度较快的原因。灌区田间的水循环过程属于“灌溉(降雨)—下渗—潜水蒸发”类型,田间的水循环以灌溉水的垂向灌溉入渗和潜水的蒸发蒸腾消耗为主要影响因素。　　(2)本研究在田间开展氮磷迁移实验分析,发现根系作用对氮磷的纵向分布存在影响,根区的DP和NO3相对含量较低。夏灌期间灌溉对地下水中的氮磷稀释效果明显,但是作物生长期灌溉会发生可溶性氮磷向地下水的淋失;秋浇期间灌区田问地下水氮磷浓度随灌水有显著的响应峰值,说明营养元素在降水或灌溉条件下发生纵向流失且迁移迅速,由优先流携带的氮磷会迅速迁移到地下水中,产生优先迁移。　　(3)本研究首先在小灌域进行SWAT模型的模拟,结合研究区特色,通过对灌排渠系的数字化和对人工分水岭的提取,合理的划分了研究区的子流域及水文响应单元。将引水渠的蒸发损失纳入SWAT模型模拟中,鉴于SWAT模型的植物数据库与我国作物的具体生长情况不同,基于田间观测确定小麦、玉米及向日葵作物的关键生长参数,并根据田间试验确定营养盐的渗漏及反硝化等相关参数。对模型的率定与验证表明,水文模拟结果优于水质模拟的结果。总磷的模拟基本符合要求,但是对单个峰值的模拟误差较大,这与监测结果及灌区人为干扰强烈有关;而总氮的模拟结果相对较差,但是尽管R2和NS不完全满足要求,但模拟结果与监测结果在季节变化维度具有较一致的趋势,并且月均负荷量相对误差基本控制在50％以内。因此,模型所模拟的水文和水质特征基本能够代表该地区的实际情况。　　(4)本研究将在小灌域率定后的参数拓展到整个河套灌区进行非点源污染模拟,模拟结果显示硝氮是灌区的主要污染物类型,且主要以纵向的淋失并最终流入乌梁素海;磷的负荷则主要以可溶性磷为主,农业非点源是总氮贡献率最大的污染源,畜禽养殖是总磷贡献率最大的污染源。大部分地表流失的氮以有机氮形态为主。6-9月有机氮、总氮负荷地表流失比例超过全年总量的80％,地表径流中的总氮产生量最大出现在8月与9月。6月份是淋失硝氮负荷最大的阶段,11月份出现的峰值是由10月底的秋浇引起。6月是总氮流入乌梁素海的最高峰时段,正是由于农业非点源对乌梁素海的贡献,使乌梁素海的富营养化等级增加,9月份是总磷入湖量最大时间。除2-4月及9月外,其他月份氮负荷绝大部分由硝氮组成,2月份有机氮占主要比例。河套灌区的非点源负荷分布遵循从西南向东北递减的趋势,以杭锦后旗的非点源污染负荷最为严重,这与耕地集中且土质较容易发生硝氮的淋失有关;尽管与硝氮负荷相比,灌区的非点源磷负荷不算高,但污染的输出主要由可溶性磷组成,由于溶解态磷是水体富营养化的主要控制性因素,因此其影响不容忽视。　　(5)灌区的NDVI年内变化趋势明显,在7月下旬达到峰值,且以耕地下的NDVI值最大。降雨与最高最低气温均与NDVI呈现出较强的相关性,说明尽管灌区降雨量小,但是对作物生长的水分补充起着重要作用;NDVI与非点源负荷的关系发现:NDVI与各项非点源负荷均呈显著正相关,其中与氮负荷的相关性好于磷负荷,进一步建立了非点源负荷与NDVI的关系,只有硝氮与总氮显示出了较好的拟合程度。　　(6)从污染“源”与“汇”分别进行最佳管理措施的设计,结合河套灌区的实际情况,选取人工湿地、植被缓冲带和生态排水渠三种工程性BMPs,以及保护性耕作、养分管理及合理灌溉三类非工程性BMPs进行评价。在灌区层面模拟管理措施对泥沙、总氮、总磷的削减效果。模型模拟结果表明:覆盖作物与缓冲带对泥沙及总磷的削减效果最好,对泥沙削减效果最明显的是覆盖作物种植,达到40％左右的削减率,对总磷削减最明显的是缓冲带,削减率36％;对灌溉与施肥进行削减对硝氮及总氮的削减效果最明显,可达20％-30％;在不改变施肥及灌溉总量的前提下,在作物的生长期分次少量灌溉也可以有效的减少氮磷的流失。对于工程性最佳管理措施,采用实地试验与文献调研的方法,评价工程性措施对氮磷的削减效益,生态沟渠对氮磷的削减效果非常明显,对硝氮的削减,可达37％,对总磷的削减更佳明显,可达50％;根据文献调研,人工湿地对农田排水中总磷的去除率一般为50±35％,总氮的去除率为20±30％。进行BMPs的费用评价时,在评价各项措施的实施费用的同时,将不同措施带来的作物产量变化纳入考虑,并将覆盖作物的收益效益作为BMPs实施的效益中。　　(7)采用基于信息熵的多属性决策方法进行BMPs多目标优化设计,将实施最佳管理措施的投入成本、对污染物的削减效率、以及收益作为决策要素。分析结果表明,覆盖作物种植是控制河套灌区农业非点源污染的首选最佳管理措施,其次为人工湿地及减少20％灌水量,分次追肥的效果也较好。其他管理措施的优先排序依次为:减少20％施肥量＞减少10％灌水量＞生态沟渠＞减少10％施肥量＞分次少量灌溉＞免耕＞缓冲带。并建议在实施生态沟渠建设时,对河道内水生植物加大管理力度,预防由于水生植物无人管理而造成的氮磷二次污染。