规模化冻融农区水文特征及非点源污染效应研究

Under the higher standard of watershed water quality management, the temporal-spatial pattern analysis and control assessment of the agricultural non-point source pollution. In the freeze-thaw area, the formation and transport of agricultural non-point source pollution present huge difference and challenge due to the special natural environment and intensive big farmland patch. In this study, a typical watershed of intensive agricultural zone with big farmland patch in freeze-thaw zone is selected to prove the hypothesis. The hydrological pattern in the intensive agricultural area is observed at watershed scale and the response of waterflow during the freeze-thaw process is also considered. Based on that, their consequences on the transport of agricultural non-point source pollution are then analyzed. The eco-hydrology difference and dynamics of non-point source pollution in intensive agricultural zone with the regular small farmland is identified with the monitoring net of soil-crop-climate-eco-hydrology. The soil water and non-point source pollution dynamics during the freeze-thaw process is also the core analysis. Based on the mechanisms analysis, the regular distributed hydrology model is modified and developed into a precipitation-temperature driving distributed model. The historical and monitoring data is applied to validate and optimized the model. The new model can objectively express the eco-hydrology and interaction with non-point source pollution in intensive agricultural area of freeze-thaw zone. The study results will assist the regional non-point pollution control and provide advices for scenarios assessment.

随着流域水环境管理要求的提高，农业非点源时空特征及控制分析逐步得到重视。在我国冻融地区，由于特殊的自然环境和规模化大地块的耕作模式，使得区域农业非点源污染的产生和迁移均存在较大的特异性和挑战性。本项目拟选择一个规模化冻融农业小流域，在已有田间尺度观测的基础上开展规模化农区小流域生态水文特征、冻融过程温度驱动的径流发生特征及其对农业非点源氮磷污染的传输机制研究。采用土壤-作物-气象-生态水文监测网络甄别小流域规模化农区不同于常规小型农田地块的生态水文特征和非点源氮磷流失规律、分析冻融过程对土壤水分和氮磷物质迁移的作用机制。在生态水文和物质迁移观测的基础上开展机理分析，改进传统的以降雨为驱动的分布式水文模型，得到降雨-温度双因子驱动分布式水文模型，并运用监测和历史数据进行率定和优化。使其能客观描述规模化冻融农区生态水文过程及其对非点源氮磷污染的作用特征，为区域非点源污染控制提供效益评估和建议。

选取冻融农区主要农田利用类型——水田和旱田为研究重点，基于作物生长季的长期原位试验，分析土壤水的时空分布特征及其对氮磷的迁移作用，探讨白浆层土壤对水分分布的作用；分析水田和旱田氮磷流失潜能差异；在此基础上，建立适宜于水田和旱田的参数的生态水文模型，探讨田间水文特征及作物水分响应；基于非作物生长冻融期的连续监测，分析水田和旱田的冻融特征和水分运移机制；在研究基础上，根据水田和旱田的实际情况，基于作物水分响应模型进行多目标混合优化问题的决策。.通过解译LANDSAT TM影像获得研究区域多期的土地利用情况，基于解译结果建立土地利用转移矩阵，分析土地利用变化情况。同时利用SWAT模型和GRACE重力卫星数据分别对小尺度及大尺度的区域水资源动态进行了模拟和反演，再结合土地利用变化情况分析农业发展中区域水资源对土地利用变化的响应。.以非作物生长冻融期连续5个月的实时监测不同深度土壤温度和土壤含水量变化，分析水田和旱田土壤冻结的冰点、最低温度出现的深度、土壤水分运移，以及土壤水分在土层的聚集，结果发现有显著差异。土壤冻结开始时土壤含水量很大程度上决定了冻融期土壤水分运移量。水分向冻结锋面的运移使水田和旱田各层土壤的含水量在土壤温度达到冰点之前就有所降低。与旱田相比，水田的冻结温度高、冻结期短，冻融末期水田浅层水分聚集量比旱田高2.76mm。经过冬季，水田和旱田土壤有效氮和总磷含量略有增加，说明作物收获后到开始冻融，直至冻融末期，某个时刻土壤中的氮磷含量可能有增加。.分析了土壤水分在具有特殊白浆层的水田和旱田土体中的分布特征及其对氮磷运移的潜在影响；量化了田间尺度水田和旱田营养物环境效应的差异，为点位和区域尺度上水田和旱田养分的合理调控提供依据。率定和验证了能细致表征田间水分运移的农田生态水文模型SWAP在我国三江平原水田和旱田水分运移和作物生长模拟过程的适应性，对水田和旱田土壤特征、水稻和玉米生育期、生物量等参数进行了修正。证实了土壤含水量对于冻融过程特征的表征能力，强调了将农田土地利用类型与冻融过程相结合的作用对冻融期水土界面上水分动态变化特征的影响。为补充冻融条件下水文特征提供了科学依据，同时也是区域农业管理的基础。