東北黑土區(qū)農耕地水土流失非點源污染形成和流失規(guī)律.pdf

1、目前中國正面臨著水資源短缺和水環(huán)境污染的雙重壓力。在國內巨大的糧食需求壓力和農產品創(chuàng)匯利益驅動下，以高投入、高產出、高污染為主要特征的我國農業(yè)，不僅使有限的水土資源高強度開發(fā)，也引發(fā)了量大、面廣的農業(yè)污染（農業(yè)面源污染），資源難以為繼，環(huán)境難以承受。
　　東北黑土區(qū)是世界上僅有的三大黑土區(qū)之一，在我國的糧食生產體系中占據重要地位。然而由于自然因素影響以及人為過度墾殖，該地區(qū)已然成為我國四大水土流失區(qū)之一，其中坡耕地水土流失尤為嚴重

2、。耕地被水力侵蝕，從環(huán)境角度講,屬于水環(huán)境的非點源污染。目前國內外相關學者對于東北黑土區(qū)農田環(huán)境效應的這部分的研究大多數分別從水土流失（水力侵蝕造成的土壤流失）或非點源污染進行研究。然而東北黑土區(qū)農田非點源污染的形成是降水、灌溉水資源以及誘發(fā)的土壤侵蝕一起攜帶的面源污染流入地表水環(huán)境造成的。水和土是面源污染物的攜帶者。并且其污染物的產生本質是與水循環(huán)伴生的水沙過程、水化學過程演變的失衡。水循環(huán)中的產流過程伴隨著污染物的產生，匯流過程伴隨

3、著污染物的入河。針對東北黑土區(qū)農耕地非點源污染形成特點，應將水土流失與非點源污染聯合起來，并立足于農田水循環(huán)關鍵環(huán)節(jié)，側重水資源和土壤資源的流失以及水土資源所攜帶的面源污染。
　　本文以“水循環(huán)-水土流失-非點源污染”等理論為指導，從水土資源應用過程中產生的水溶性污染物和顆粒態(tài)污染物的角度，提出包括農田水土流失非點源污染內涵、特征、評價方法的理論框架和研究方法；并以水土流失嚴重的處于東北黑土區(qū)的潤津河流域為研究區(qū)，明晰東北黑土區(qū)農

4、耕地水土流失非點源污染產生和流失機理；從地塊尺度-流域尺度上評價了東北黑土區(qū)農田水土流失面源污染的產生量及流失量，并進一步提出關鍵控制閾值。
　　本文在水土流失區(qū)農田非點源污染研究理論和技術上實現了創(chuàng)新：1）對于水土流失區(qū)農田非點源污染的研究大多數分別從水土流失（水力侵蝕造成的土壤流失）或農田非點源污染進行研究。在此基礎上，本文從農田水土資源應用過程中產生水溶性污染物和顆粒態(tài)污染物的角度，在水循環(huán)及面源伴生過程相關理論的基礎上，拓

5、展了水土流失區(qū)農田非點源污染的內涵，認為水土流失區(qū)農田非點源污染應該將水土流失和農田非點源污染結合起來研究，并且將傳統(tǒng)意義上的水土流失中的“水”由“降水”拓展為“降水和灌溉”，研究側重點由“土”延伸為“水”和“土”。2）因農田非點源污染在形成上，具有隨機性大，模糊性強，分布廣泛，一定的滯后性和潛在性強的特點。農田非點源污染物產污量、入河量的確定方法不明確。并且關于東北黑土區(qū)的相關研究尚在起步階段。本文在前人研究的基礎上，在東北黑土區(qū)采取

6、典型試驗區(qū)監(jiān)測-模擬的方法確定了水田和旱地水土流失非點源污染物產生-入河量，并在此基礎上提出關鍵控制閾值；另外應用SWAT模型模擬評價整個流域農耕地水土流失非點源污染物產生-入河量。3）坡耕地水土流失或非點源污染的研究較多，但水田（灌溉農田）水土流失非點源污染或非點源污染的機理研究鮮見。由于田塊平整、長期淹水耕作、灌排和施肥,水田土壤因為存在灌排系統(tǒng)，淹水耕作，灌水之前撒施化肥等耕作制度具有明顯不同于旱地土壤的物質遷移方式。本文嘗試明晰

7、水田水土流失非點源污染的機理。
　　在以上基礎理論與關鍵技術指導下，以東北典型黑土農業(yè)區(qū)潤津河流域為靶區(qū)開展實例研究，具體研究成果如下：
　　（1）提出農田水土流失非點源污染的理論與技術體系
　　農田水土流失非點源污染的內涵為在降雨、灌溉和徑流的外營力作用下，水土剝離、遷移，將農田中的土粒、氮素、磷、農藥及其它有機或無機物質等非點源污染物以溶解態(tài)和泥沙顆粒態(tài)的形式帶進入地表和地下水體，從而形成的水環(huán)境污染。在此基礎上認

8、為農田水土流失非點源污染模式可分為灌溉農田（水田）水土流失非點源污染模式和雨養(yǎng)農田（旱地）水土流失非點源污染模式，顆粒態(tài)氮磷、溶解態(tài)氮磷、沉積物、鹽分、農藥、重金屬可作為其評價指標。農田水土流失非點源污染的評價方法和關鍵支撐技術包括野外調查與監(jiān)測、數學模型、遙感與地理信息系統(tǒng)?？紤]水循環(huán)及面源伴隨過程的關鍵環(huán)節(jié)，提出農田水土流失非點源污染控制體系為：源頭控制-過程阻斷-末端治理。
　　（2）識別農田水土流失非點源污染的機理

9、　　農田按照其水分來源的不同主要分為雨養(yǎng)農田和灌溉農田，具有不同的水土流失非點源污染模式。
　　旱地水土流失非點源污染的產生和流失機理是天然水循環(huán)與氮素、磷素循環(huán)的耦合過程。2013年降雨中TN、TP平均濃度分別為1.12mg/L，0.40 mg/L。地表徑流中以顆粒態(tài)氮磷的流失為主。實驗期降雨不同程度的引起氮元素在土壤深度上向下淋溶。其中NO3--N淋溶現象更為明顯。垂直方向上，總磷和溶解態(tài)磷的變化都沒有規(guī)律性。
　　水田

10、水土流失產生和流失機理：灌溉和降水使格田（最末一級固定溝渠之間的田塊）發(fā)生產流、積水。格田由土壟圍起，農溝向隔田輸水一般通過在土壟上開口，灌溉水隨著微地勢向整塊田地蔓延，最后聚集到出口處流入農溝。格田排水范圍具有由點到面再由面到點的特點。格田排水時間具有灌溉輪灌，輪流產流的特點。降水大于入滲，格田將會產流，匯流途徑也經過排水系統(tǒng)。格田中同時降雨，同時產流。徑流范圍具有面的特點。灌溉和降水使格田發(fā)生產流、積水，也會侵蝕土壤，并發(fā)生土表溶質

11、溶出和土壤溶質滲漏現象。宏偉水庫灌區(qū)中總磷和總氮的入河系數較大，分別為0.76和0.72。其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮產生量占總氮的50％，入河量占總氮的41%。說明顆粒態(tài)氮的產生量最多占50%，入河量的顆粒態(tài)氮最多占59%。
　?。?）評價東北黑土區(qū)流域農田水土流失面源污染的產生量及流失量，并進一步提出關鍵控制閾值
　　2013年流域旱地硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的入河量分別為479 t和57 t。典型灌區(qū)-宏偉水庫灌區(qū)2013年的水土流失非點

12、源污染物產生量為：總磷44.42kg，總氮1517kg，硝態(tài)氮438kg，銨態(tài)氮327kg；入河量為：總磷34kg，總氮1092kg，硝態(tài)氮280kg，銨態(tài)氮167kg。2013年流域農田土流失非點源污染物產生量為：有機氮146 t，硝酸鹽氮99 t，有機磷33 t，無機磷23 t。入河量為：有機氮38 t，硝酸鹽氮1022 t，有機磷7 t，無機磷3 t。
　　旱田在降雨量375mm和555mm時，流域斷面上的農田硝態(tài)氮負荷量最

13、小，幾乎沒有。而農田銨態(tài)氮負荷量隨降雨量增加而增加，但在690mm時，存在一個拐點，此拐點后，隨降雨量增加而增加更多負荷量。灌水量和田間產污強度的關系：(1)灌水量增加，田間產污強度隨之增加；(2)灌水量＜120cm時，田間產污強度隨著灌水量的增加增加幅度較小，120cm以后增加幅度較大。隨著降雨量的增大，流域農田有機氮、溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷也呈增大的趨勢，但隨著降雨量的增加，這些指標具有不同的增加幅度。經求各個曲線的拐點可知，年降雨量在