東北黑土區(qū)農(nóng)耕地水土流失非點(diǎn)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(nèi)巨大的糧食需求壓力和農(nóng)產(chǎn)品創(chuàng)匯利益驅(qū)動(dòng)下，以高投入、高產(chǎn)出、高污染為主要特征的我國農(nóng)業(yè)，不僅使有限的水土資源高強(qiáng)度開發(fā)，也引發(fā)了量大、面廣的農(nóng)業(yè)污染（農(nóng)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(chǎn)體系中占據(jù)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(yán)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(diǎn)源污染。目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對于東北黑土區(qū)農(nóng)田環(huán)境效應(yīng)的這部分的研究大多數(shù)分別從水土流失（水力侵蝕造成的土壤流失）或非點(diǎn)源污染進(jìn)行研究。然而東北黑土區(qū)農(nóng)田非點(diǎn)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(chǎn)生本質(zhì)是與水循環(huán)伴生的水沙過程、水化學(xué)過程演變的失衡。水循環(huán)中的產(chǎn)流過程伴隨著污染物的產(chǎn)生，匯流過程伴隨

3、著污染物的入河。針對東北黑土區(qū)農(nóng)耕地非點(diǎn)源污染形成特點(diǎn)，應(yīng)將水土流失與非點(diǎn)源污染聯(lián)合起來，并立足于農(nóng)田水循環(huán)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，側(cè)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(diǎn)源污染”等理論為指導(dǎo)，從水土資源應(yīng)用過程中產(chǎn)生的水溶性污染物和顆粒態(tài)污染物的角度，提出包括農(nóng)田水土流失非點(diǎn)源污染內(nèi)涵、特征、評價(jià)方法的理論框架和研究方法；并以水土流失嚴(yán)重的處于東北黑土區(qū)的潤津河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，明晰東北黑土區(qū)農(nóng)

4、耕地水土流失非點(diǎn)源污染產(chǎn)生和流失機(jī)理；從地塊尺度-流域尺度上評價(jià)了東北黑土區(qū)農(nóng)田水土流失面源污染的產(chǎn)生量及流失量，并進(jìn)一步提出關(guān)鍵控制閾值。
　　本文在水土流失區(qū)農(nóng)田非點(diǎn)源污染研究理論和技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新：1）對于水土流失區(qū)農(nóng)田非點(diǎn)源污染的研究大多數(shù)分別從水土流失（水力侵蝕造成的土壤流失）或農(nóng)田非點(diǎn)源污染進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，本文從農(nóng)田水土資源應(yīng)用過程中產(chǎn)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(guān)理論的基礎(chǔ)上，拓

5、展了水土流失區(qū)農(nóng)田非點(diǎn)源污染的內(nèi)涵，認(rèn)為水土流失區(qū)農(nóng)田非點(diǎn)源污染應(yīng)該將水土流失和農(nóng)田非點(diǎn)源污染結(jié)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(cè)重點(diǎn)由“土”延伸為“水”和“土”。2）因農(nóng)田非點(diǎn)源污染在形成上，具有隨機(jī)性大，模糊性強(qiáng)，分布廣泛，一定的滯后性和潛在性強(qiáng)的特點(diǎn)。農(nóng)田非點(diǎn)源污染物產(chǎn)污量、入河量的確定方法不明確。并且關(guān)于東北黑土區(qū)的相關(guān)研究尚在起步階段。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，在東北黑土區(qū)采取

6、典型試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測-模擬的方法確定了水田和旱地水土流失非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生-入河量，并在此基礎(chǔ)上提出關(guān)鍵控制閾值；另外應(yīng)用SWAT模型模擬評價(jià)整個(gè)流域農(nóng)耕地水土流失非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生-入河量。3）坡耕地水土流失或非點(diǎn)源污染的研究較多，但水田（灌溉農(nóng)田）水土流失非點(diǎn)源污染或非點(diǎn)源污染的機(jī)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?yàn)榇嬖诠嗯畔到y(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(zhì)遷移方式。本文嘗試明晰

7、水田水土流失非點(diǎn)源污染的機(jī)理。
　　在以上基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)指導(dǎo)下，以東北典型黑土農(nóng)業(yè)區(qū)潤津河流域?yàn)榘袇^(qū)開展實(shí)例研究，具體研究成果如下：
　　（1）提出農(nóng)田水土流失非點(diǎn)源污染的理論與技術(shù)體系
　　農(nóng)田水土流失非點(diǎn)源污染的內(nèi)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(nóng)田中的土粒、氮素、磷、農(nóng)藥及其它有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)等非點(diǎn)源污染物以溶解態(tài)和泥沙顆粒態(tài)的形式帶進(jìn)入地表和地下水體，從而形成的水環(huán)境污染。在此基礎(chǔ)上認(rèn)

8、為農(nóng)田水土流失非點(diǎn)源污染模式可分為灌溉農(nóng)田（水田）水土流失非點(diǎn)源污染模式和雨養(yǎng)農(nóng)田（旱地）水土流失非點(diǎn)源污染模式，顆粒態(tài)氮磷、溶解態(tài)氮磷、沉積物、鹽分、農(nóng)藥、重金屬可作為其評價(jià)指標(biāo)。農(nóng)田水土流失非點(diǎn)源污染的評價(jià)方法和關(guān)鍵支撐技術(shù)包括野外調(diào)查與監(jiān)測、數(shù)學(xué)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出農(nóng)田水土流失非點(diǎn)源污染控制體系為：源頭控制-過程阻斷-末端治理。
　?。?）識別農(nóng)田水土流失非點(diǎn)源污染的機(jī)理

9、　　農(nóng)田按照其水分來源的不同主要分為雨養(yǎng)農(nóng)田和灌溉農(nóng)田，具有不同的水土流失非點(diǎn)源污染模式。
　　旱地水土流失非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生和流失機(jī)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(chǎn)生和流失機(jī)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(chǎn)流、積水。格田由土壟圍起，農(nóng)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(nóng)溝。格田排水范圍具有由點(diǎn)到面再由面到點(diǎn)的特點(diǎn)。格田排水時(shí)間具有灌溉輪灌，輪流產(chǎn)流的特點(diǎn)。降水大于入滲，格田將會(huì)產(chǎn)流，匯流途徑也經(jīng)過排水系統(tǒng)。格田中同時(shí)降雨，同時(shí)產(chǎn)流。徑流范圍具有面的特點(diǎn)。灌溉和降水使格田發(fā)生產(chǎn)流、積水，也會(huì)侵蝕土壤，并發(fā)生土表溶質(zhì)

11、溶出和土壤溶質(zhì)滲漏現(xiàn)象。宏偉水庫灌區(qū)中總磷和總氮的入河系數(shù)較大，分別為0.76和0.72。其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮產(chǎn)生量占總氮的50％，入河量占總氮的41%。說明顆粒態(tài)氮的產(chǎn)生量最多占50%，入河量的顆粒態(tài)氮最多占59%。
　?。?）評價(jià)東北黑土區(qū)流域農(nóng)田水土流失面源污染的產(chǎn)生量及流失量，并進(jìn)一步提出關(guān)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(diǎn)

12、源污染物產(chǎn)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(nóng)田土流失非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生量為：有機(jī)氮146 t，硝酸鹽氮99 t，有機(jī)磷33 t，無機(jī)磷23 t。入河量為：有機(jī)氮38 t，硝酸鹽氮1022 t，有機(jī)磷7 t，無機(jī)磷3 t。
　　旱田在降雨量375mm和555mm時(shí)，流域斷面上的農(nóng)田硝態(tài)氮負(fù)荷量最

13、小，幾乎沒有。而農(nóng)田銨態(tài)氮負(fù)荷量隨降雨量增加而增加，但在690mm時(shí)，存在一個(gè)拐點(diǎn)，此拐點(diǎn)后，隨降雨量增加而增加更多負(fù)荷量。灌水量和田間產(chǎn)污強(qiáng)度的關(guān)系：(1)灌水量增加，田間產(chǎn)污強(qiáng)度隨之增加；(2)灌水量＜120cm時(shí)，田間產(chǎn)污強(qiáng)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(nóng)田有機(jī)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(biāo)具有不同的增加幅度。經(jīng)求各個(gè)曲線的拐點(diǎn)可知，年降雨量在