东北黑土区农耕地水土流失非点源污染形成和流失规律

摘要

目前中国正面临着水资源短缺和水环境污染的双重压力。在国内巨大的粮食需求压力和农产品创汇利益驱动下，以高投入、高产出、高污染为主要特征的我国农业，不仅使有限的水土资源高强度开发，也引发了量大、面广的农业污染（农业面源污染），资源难以为继，环境难以承受。
　　东北黑土区是世界上仅有的三大黑土区之一，在我国的粮食生产体系中占据重要地位。然而由于自然因素影响以及人为过度垦殖，该地区已然成为我国四大水土流失区之一，其中坡耕地水土流失尤为严重。耕地被水力侵蚀，从环境角度讲,属于水环境的非点源污染。目前国内外相关学者对于东北黑土区农田环境效应的这部分的研究大多数分别从水土流失（水力侵蚀造成的土壤流失）或非点源污染进行研究。然而东北黑土区农田非点源污染的形成是降水、灌溉水资源以及诱发的土壤侵蚀一起携带的面源污染流入地表水环境造成的。水和土是面源污染物的携带者。并且其污染物的产生本质是与水循环伴生的水沙过程、水化学过程演变的失衡。水循环中的产流过程伴随着污染物的产生，汇流过程伴随着污染物的入河。针对东北黑土区农耕地非点源污染形成特点，应将水土流失与非点源污染联合起来，并立足于农田水循环关键环节，侧重水资源和土壤资源的流失以及水土资源所携带的面源污染。
　　本文以“水循环-水土流失-非点源污染”等理论为指导，从水土资源应用过程中产生的水溶性污染物和颗粒态污染物的角度，提出包括农田水土流失非点源污染内涵、特征、评价方法的理论框架和研究方法；并以水土流失严重的处于东北黑土区的润津河流域为研究区，明晰东北黑土区农耕地水土流失非点源污染产生和流失机理；从地块尺度-流域尺度上评价了东北黑土区农田水土流失面源污染的产生量及流失量，并进一步提出关键控制阈值。
　　本文在水土流失区农田非点源污染研究理论和技术上实现了创新：1）对于水土流失区农田非点源污染的研究大多数分别从水土流失（水力侵蚀造成的土壤流失）或农田非点源污染进行研究。在此基础上，本文从农田水土资源应用过程中产生水溶性污染物和颗粒态污染物的角度，在水循环及面源伴生过程相关理论的基础上，拓展了水土流失区农田非点源污染的内涵，认为水土流失区农田非点源污染应该将水土流失和农田非点源污染结合起来研究，并且将传统意义上的水土流失中的“水”由“降水”拓展为“降水和灌溉”，研究侧重点由“土”延伸为“水”和“土”。2）因农田非点源污染在形成上，具有随机性大，模糊性强，分布广泛，一定的滞后性和潜在性强的特点。农田非点源污染物产污量、入河量的确定方法不明确。并且关于东北黑土区的相关研究尚在起步阶段。本文在前人研究的基础上，在东北黑土区采取典型试验区监测-模拟的方法确定了水田和旱地水土流失非点源污染物产生-入河量，并在此基础上提出关键控制阈值；另外应用SWAT模型模拟评价整个流域农耕地水土流失非点源污染物产生-入河量。3）坡耕地水土流失或非点源污染的研究较多，但水田（灌溉农田）水土流失非点源污染或非点源污染的机理研究鲜见。由于田块平整、长期淹水耕作、灌排和施肥,水田土壤因为存在灌排系统，淹水耕作，灌水之前撒施化肥等耕作制度具有明显不同于旱地土壤的物质迁移方式。本文尝试明晰水田水土流失非点源污染的机理。
　　在以上基础理论与关键技术指导下，以东北典型黑土农业区润津河流域为靶区开展实例研究，具体研究成果如下：
　　（1）提出农田水土流失非点源污染的理论与技术体系
　　农田水土流失非点源污染的内涵为在降雨、灌溉和径流的外营力作用下，水土剥离、迁移，将农田中的土粒、氮素、磷、农药及其它有机或无机物质等非点源污染物以溶解态和泥沙颗粒态的形式带进入地表和地下水体，从而形成的水环境污染。在此基础上认为农田水土流失非点源污染模式可分为灌溉农田（水田）水土流失非点源污染模式和雨养农田（旱地）水土流失非点源污染模式，颗粒态氮磷、溶解态氮磷、沉积物、盐分、农药、重金属可作为其评价指标。农田水土流失非点源污染的评价方法和关键支撑技术包括野外调查与监测、数学模型、遥感与地理信息系统。考虑水循环及面源伴随过程的关键环节，提出农田水土流失非点源污染控制体系为：源头控制-过程阻断-末端治理。
　　（2）识别农田水土流失非点源污染的机理
　　农田按照其水分来源的不同主要分为雨养农田和灌溉农田，具有不同的水土流失非点源污染模式。
　　旱地水土流失非点源污染的产生和流失机理是天然水循环与氮素、磷素循环的耦合过程。2013年降雨中TN、TP平均浓度分别为1.12mg/L，0.40 mg/L。地表径流中以颗粒态氮磷的流失为主。实验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淋溶现象更为明显。垂直方向上，总磷和溶解态磷的变化都没有规律性。
　　水田水土流失产生和流失机理：灌溉和降水使格田（最末一级固定沟渠之间的田块）发生产流、积水。格田由土垄围起，农沟向隔田输水一般通过在土垄上开口，灌溉水随着微地势向整块田地蔓延，最后聚集到出口处流入农沟。格田排水范围具有由点到面再由面到点的特点。格田排水时间具有灌溉轮灌，轮流产流的特点。降水大于入渗，格田将会产流，汇流途径也经过排水系统。格田中同时降雨，同时产流。径流范围具有面的特点。灌溉和降水使格田发生产流、积水，也会侵蚀土壤，并发生土表溶质溶出和土壤溶质渗漏现象。宏伟水库灌区中总磷和总氮的入河系数较大，分别为0.76和0.72。其中硝态氮和铵态氮产生量占总氮的50％，入河量占总氮的41%。说明颗粒态氮的产生量最多占50%，入河量的颗粒态氮最多占59%。
　　（3）评价东北黑土区流域农田水土流失面源污染的产生量及流失量，并进一步提出关键控制阈值
　　2013年流域旱地硝态氮和铵态氮的入河量分别为479 t和57 t。典型灌区-宏伟水库灌区2013年的水土流失非点源污染物产生量为：总磷44.42kg，总氮1517kg，硝态氮438kg，铵态氮327kg；入河量为：总磷34kg，总氮1092kg，硝态氮280kg，铵态氮167kg。2013年流域农田土流失非点源污染物产生量为：有机氮146 t，硝酸盐氮99 t，有机磷33 t，无机磷23 t。入河量为：有机氮38 t，硝酸盐氮1022 t，有机磷7 t，无机磷3 t。
　　旱田在降雨量375mm和555mm时，流域断面上的农田硝态氮负荷量最小，几乎没有。而农田铵态氮负荷量随降雨量增加而增加，但在690mm时，存在一个拐点，此拐点后，随降雨量增加而增加更多负荷量。灌水量和田间产污强度的关系：(1)灌水量增加，田间产污强度随之增加；(2)灌水量＜120cm时，田间产污强度随着灌水量的增加增加幅度较小，120cm以后增加幅度较大。随着降雨量的增大，流域农田有机氮、溶解态磷和颗粒态磷也呈增大的趋势，但随着降雨量的增加，这些指标具有不同的增加幅度。经求各个曲线的拐点可知，年降雨量在350mm以后，有机氮随着降雨量增加而快速增加；溶解态磷、颗粒态磷随着降雨量增加，增加量递减，但在950mm时，颗粒态磷增加较多。流域硝酸盐指标相关性较差。
　　本研究进一步补充和发展了水土流失区农耕地非点源污染研究理论与方法。为满足流域农耕地水土流失非点源污染物产生-入河量评价需求提供方法支撑。选取水土流失严重的处于东北黑土区的润津河流域进行研究具有重要的实践意义。

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第一章 绪论

1.1选题的背景、目的与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 研究内容

1.4 研究技术路线

1.5 研究特色与创新点

第二章 理论基础与技术框架

2.1农田水土流失非点源污染的内涵

2.2农田水土流失非点源污染的特征

2.3农田水土流失非点源污染模式

2.4农田水土流失非点源污染定量评价指标、方法和关键支撑技术

2.5农田水土流失非点源污染控制体系

本章小结

第三章 研究区概况及主要生态环境问题

3.1研究区自然环境

3.2 社会经济概况

3.3 研究区存在的主要生态与环境问题

本章小结

第四章 典型旱地水土流失非点源污染产生和流失规律

4.1 研究目的与意义

4.2 研究材料、方法和实验设计

4.3 结果与分析

本章小结

第五章 典型水田水土流失非点源污染产生和流失规律

5.1 研究目的与意义

5.2 研究材料、方法和实验设计

5.3水田水土流失非点源污染物运移特征分析

5.4 灌区农田水土流失非点源污染定量化分析

本章小结

第六章 润津河流域农田水土流失非点源污染产生和流失规

6.1 研究目的与意义

6.2研究材料、方法

6.3 润津河流域SWAT模型基础数据处理

6.4模型参数敏感性分析与校验

6.5 润津河流域农田水土流失非点源污染分析

本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

已发表或已录用的主要学术论文

参与出版的专著

已获授权或已审批的发明专利

参与研究课题

致谢