东北黑土区典型小流域农业面源污染源解析及防控措施效果评估

由农业面源污染导致的水环境质量下降和水生态系统破坏是全世界共同关注的重要环境问题,水土流失既是面源污染发生的动力也是污染物迁移的载体。因此,识别水土流失特征,明确农业面源污染来源及主要影响因素,并采取有效防控措施对改善农业面源污染现状,加快水生态环境修复重建、流域水资源管理具有重要意义。本研究选择东北低山丘陵区典型小流域(吉林省东辽县杏木小流域)为研究对象,采取标准小区定位监测、野外试验观测相结合的方法,研究了坡面和小流域尺度农业面源污染特征,分析了典型污染物主要来源及贡献率,评估了典型面源污染防控措施的效果。通过研究得出以下主要结论:(1)研究区侵蚀性降雨主要发生在6-8月,降雨量和雨强是影响坡耕地水土流失和面源污染物输出的重要因素,且表现为显著的正线性相关性。坡度也是坡耕地水土流失和面源污染物输出的重要影响因素。(2)坡耕地径流中总氮(TN)和总磷(TP)的浓度均超过“地表水环境质量标准”Ⅴ类水限值。氮(N)是坡耕地输出的主要面源污染物,2013-2014年TN的年输出量占面源污染物总输出量的55%-69%。(3)坡耕地径流中NH4+-N浓度值最高,村屯径流中NO3--N、TN和TP浓度值最高;不同土地利用方式下,四种面源污染物输出负荷大小为耕地>林地>村屯,对小流域面源污染物输出的贡献率分别为68.0%-70.7%,16.0%-21.3%和10.7%-13.3%。N是小流域最主要的农业面源污染物,硝态氮(NO3--N)输出负荷大于铵态氮(NH4+-N)。(4)坡耕地径流中NO3--N和NH4+-N主要来源分别为大气降雨、土壤和化肥,林地径流中两种形态N来源为大气降雨和土壤,而村屯径流中N主要来源于大气降雨、生活污水和排泄物。2013-2014年土壤源对坡耕地、林地地表径流中NO3--N的贡献率最大,分别为51.38%-54.13%和52.82%-69.11%;农村生活污水和畜禽排泄物污染源分别在2013(51.30%)和2014年(50.64%)对村屯径流中NO3--N的贡献率最大。(5)垄向区田措施防治水土流失和面源污染的效果显著,不同区田处理5-9月径流量削减54%-68%,泥沙量流失降低91%-97%,粮食产量增长14.96%-25.67%,75 cm档距处理水土保持效果好于65 cm、85 cm档距,并且75 cm档距面源污染负荷削减效果最佳;垄向区田4种面源污染物年输出量削减率可达80.60%-93.47%。(6)植草带措施能够延迟产流发生时间,显著减少坡耕地水土流失量及面源污染物输出负荷。苜蓿草带在5-9月份径流削减率达到55.36%-100%,泥沙削减率达91.47%-98.03%,四种面源污染物输出负荷的削减率达到68.85%-90.23%;自然恢复草带径流、泥沙削减率分别为6.66%-100%、76.11%-89.63%,面源污染物输出负荷削减率达15.82%-73.90%,苜蓿草带的污染防控效果优于自然恢复的植被草带。总体而言,N、O同位素技术能够较好的应用于农业面源污染源解析,为有效开展农业面源污染防治工作提供了科学依据;垄向区田和植草带两种措施具有良好的面源污染防控效果,能够在源头上减少东北黑土区坡耕地水土流失和农业面源污染,削减污染物负荷输出,降低对水体环境的危害,尤其适宜在黑土区水源地流域水土保持及生态环境恢复与重建工作中进行推广应用。