由于灌溉的需要，农业流域往往分布有大量的沟渠、池塘、溪流等小微水体，这些水体虽然面积小，但是对于营养物质（N、P、S等）传输和消纳影响极大。以美国东北一个小流域为例，小型池塘对氮、磷的消纳量占总流失量的34%和69%。我们在江苏一个典型多水体农业小流域研究表明，小微水体对氮素的消纳量占负荷量的83.4%。除此以外，小微水体还改变了营养物质的迁移路径，增加了营养物质/面源污染过程的复杂性，最终影响了面源污染负荷分布的空间格局。
当前对于流域营养物质的消纳与传输量分布式模拟主要有2种方案：一种是过程模型，考虑营养元素的迁移转化过程，但是参数众多，往往直接忽略小微水体或者合并成一个大型水体进行模拟；另外一种是基于“源-流-汇”的景观格局模型，考虑景观之间的结构、连通性、地理指数等，但是对于小微水体的空间位置和动态连通性难以充分考虑，导致模拟结果有很大的不确定性。我们前期构建了考虑小微水体空间位置的概念模型，量化了水体空间位置和面积对于营养物质迁移和消纳的重要性。但是模型对于不同类型水体的拓扑关系和网络结构考虑还有欠缺，难以实现流域尺度营养物质负荷量与消纳量分布式模拟。
图1 营养物质消纳与传输量分布式模拟新框架
针对上述实际情况，本研究以图文理论和拓扑关系为基础，提出了2种动态连通性指数计算新方法（图1）：（1）基于“源→汇”迁移路径的沿程线状水体（沟、河）和面状水体（塘、库）表征方法，（2）基于“汇→源”拓扑结构的土地利用之间连通性和包含关系表征方法。上述新方法不仅考虑了源强大小、数字高程特征、水体类型、水体面积/长度、水体位置，以及汇-源之间与汇-汇之间的拓扑关系，而且将景观单元的空间网络结构与生物地球化学过程联系在一起。将上述方法进一步与营养物质流失量的空间分布耦合，就可以实现多水体农业流域营养物质/面源污染（如氮、磷、农药等）负荷量与消纳量分布式模拟（图2和图3）。该方法所需参数少、操作简单、模拟结果可靠，尤其适合多水体农业复杂流域，实现了流域面源污染流失量-消纳量-负荷量“三量”分布式模拟。
图2 基于“源→汇”迁移路径的营养物质传输量分布式模拟
图3 基于“汇→源”拓扑结构的营养物质消纳量分布式模拟
目前该模型方法以工具条形式已经在ArcGIS平台上通过编译，并申请流域面源污染模拟、评价、管理平台[NutriShed SAMT] 软著，为流域面源污染的智慧管理如生态湿地选址、农场选址、污染物路径追踪、减排策略分析、风险评估、水质目标实现等提供新的途径。
以下是该软件应用中的一些典型案例
（2）肥料减量对水质负荷的影响：确定不同减肥情景下面源污染对水质负荷的影响。
（3）污染物路径识别：不同位置的污染源，同样的排放量，由于路径的差异，最终水质负荷不一样，因此减排优先级也不一样。
（4）农场选址：在同等污染物排放条件下，优先选择在对水质负荷小的区域。
（5）生态湿地选址：同样的修复效率，优先布置在消纳效果最大的区域。
（6）水质目标实现途径：各区域达到预期目标（如减少负荷10%）所需要规划的湿地面积/长度是多少。
（7）种植业结构调整：如何保证农民收益不受影响条件下，调整种植业的空间结构和组成结构，实现农业面源污染减排。
通过上述研究，我们从概念模型构建、理论框架设计、模型软件应用等最终实现多水体复杂农业流域面源污染决策支持。该成果得到国家自然基金（U19A2050, 42177401）和中科院南京土壤研究所“十四五”领域前沿项目支持（ISSASIP2203）。
Yongqiu Xia, Xiaoyuan Yan. How Variations in Constructed Wetlands Geography Affect Nutrient Discharge. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 2020. https://doi.org/10.1029/2019JG005610
Yongqiu Xia, Di Zhao, Xing Yan, Wei Hu, Jie Qiu, Xiaoyuan Yan, A new framework to model the distributed transfer and retention of nutrients by incorporating topology structure of small water bodies, Water Research, 2023, 119991, https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119991
夏永秋，颜晓元，流域面源污染模拟、评价、管理平台[NutriShed SAMT]，软件编号：2020SR1213032
论文链接：
https://doi.org/10.1029/2019JG005610 ；
https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119991
