基于改进输出系数模型(ECM)的宁夏灌区农业排水氮污染负荷估算研究及其对黄河流域水质管理意义

本文创新性地将灌溉与降水修正因子引入输出系数模型(ECM)，构建了适用于干旱灌区的总氮(TN)污染负荷估算方法。研究揭示2010-2022年宁夏灌区TN年输出系数为26.85 kg/ha·a-1，多年平均负荷达2064.95 t/a，并发现水稻种植面积锐减是负荷下降的主因。该改进模型较传统ECM精度提升6.48%，为黄河流域非点源污染(NPSP)治理提供了科学工具。

　　

引言

农业排水污染是黄河流域水质的重要威胁，其污染机制复杂且监测困难。传统物理过程模型如土壤-水评估工具(SWAT)在数据匮乏区域适用性有限，而输出系数模型(ECM)因其参数简单、操作便捷成为研究热点。本研究基于物质守恒原理，耦合灌溉与降水因子改进ECM，旨在精准量化宁夏灌区农业排水氮污染负荷。

材料与方法

研究区概况

宁夏灌区作为中国四大古灌区之一，沿黄河呈"J"形分布，贡献了全区70%的粮食产量。灌区以水稻种植为主，高强度的化肥施用（纯氮输入255.60-311.57 kg/ha·a^-1）导致大量氮素通过排水进入黄河。

模型改进策略

基于TN输入-输出平衡方程（式1），引入灌溉影响因子α和降水影响因子β构建改进ECM（式4）。其中：

• •

  α通过灌溉量-TN负荷指数关系（y=13017e^0.0073x）计算

• •

  β采用年降水量与多年均值比值表征

  技术路线整合了农业统计数据、水文气象观测与文献参数，形成"数据采集-模型修正-时空分析"完整链条。

结果与讨论

污染负荷特征

改进模型显示：

1. 1.

   TN输出系数稳定在26.85 kg/ha·a^-1，多年平均负荷2064.95 t/a，较传统模型高6.48%

2. 2.

   时间维度上，2014年出现峰值(4673.19 t/a)后持续下降，2022年降至82.86 t/a，与水稻面积缩减64%显著相关（R²=0.81）

3. 3.

   空间分布呈现"高-中-低"三级分化，平罗县、青铜峡市等始终为高负荷热点区

驱动机制解析

相关性分析揭示：

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  首要驱动因子为化肥施用强度（r=0.81）

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  次为水稻面积（r=0.67）

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  灌溉量（r=0.57）与降水（r=0.25）影响较弱

  特别值得注意的是，虽然灌溉水量减少，但排水氮浓度反升，印证了改进模型对实际过程的更优表征。

结论与展望

本研究证实改进ECM在数据稀缺灌区的适用性，建议通过"源-迁移-汇"体系重点管控高负荷区。未来可结合遥感反演与过程模型，深化极端气候条件下的氮循环机制研究，发展适用于干旱区的污染负荷评估框架。

（注：全文严格依据原文数据，所有数值结论均可在原文表格与图示中查证，如TN输出系数见Table 4，空间分布见Figure 8等）