三江平原阿布胶河流域氮素输出分异特征及溯源研究

Nitrogen pollution caused by intensive agricultural farming practices in aquatic system have been severely restricted in the Sanjiang Plain Agricultural Reclamation District. To identify sources and output characteristics of nitrogen is critical in prioritizing effective nitrogen reduction strategies and guiding better agricultural management practices to protect water quality in agricultural watersheds. In this study, a typical small watershed agriculture in Sanjiang Plain was selected as the study area. And on the basis of field monitoring experiments,the characteristics of temporal and spatial variation of nitrogen output under different land use conditions were obtained, through regression and correlation analysis.The muti-isotope techniques were used to trace the transport and transformation processes of nitrogen in the watershed, under intense artificial interference and seasonal freezing and thawing. Basis on this, the main sources and corresponding migration pathways of nitrogen in water bodies were analyzed by bayesian isotope model. And spatial databases were established to support SWAT model, and after parameter calibration, the spatial distribution of nitrogen pollution load in this basin were quantitative inversed, as well as the critical source areas of Nitrogen output were identified. On this basis, the best management policies were identified by scenario analysis. This research can provide theoretical and technical support for migration and transformation of nitrogen, monitoring and control of nitrogen pollution sources of agricultural watershed in the Sanjiang Plain.

大规模农业开发活动引发的水体中氮污染已严重制约三江平原农业垦殖区发展，对农业流域内氮素输出分异特征及来源的有效识别，成为解决三江平原农垦区建设过程中氮素污染问题的关键。本研究选取三江平原阿布胶河农业小流域作为研究区，在野外原位观测的基础上，阐释了农业小流域内不同土地利用下潜在污染源氮素的输出时空变化特征。运用多种同位素联合示踪方法，探明了在剧烈人工干扰和季节性冻融过程作用下，氮素在流域内水体中的迁移转化过程，在此基础上，借助贝叶斯同位素模型定量化解析了三江平原垦殖区水体内氮素的来源以及氮素向水体输入的主要途径。通过多元信息遥感反演与原位定量观测，构建基础信息和属性数据库。在此基础上,率定 SWAT 模型，定量反演农业小流域内氮素污染负荷时空分布，识别氮素输出关键源区。为三江平原农业流域内水体中氮素污染迁移转化规律、污染源的监测与控制研究，提供理论和技术支撑。

以氮为代表的污染物在流域内的迁移过程是区域水环境恶化的源头。本研究选取阿布胶河流域作为本项目的主要实施区域，追踪氮素在流域内迁移途径及转化过程，解析流域内水体中氮素的主要来源和空间分布，通过小区实验以及野外定点监测等手段，结合同位素示踪技术探讨了主要氮污染来源在不同水文驱动下的输出特征，主要结论如下：①阿布胶河流域内，地表水中的硝态氮主要来源于降雨、农田径流以及生活废水；地下水氮素来源与“人类活动来源的硝态氮因子”以及“农田铵肥来源的铵态氮因子”有关。②土地利用变化以及自然降雨是影响流域内地表水体中硝酸盐同位素时空变异的重要因素。流域地表水体中的硝酸盐主要来源于城镇生活污水以及农田肥料。③降水、温度和不同土地利用是影响有机质库中碳、氮同位素时空变化的主要因素。污水废屑是区域地表水体中颗粒态氮素的主要来源，特别是枯水期；内源性有机质是该流域内湿地区域颗粒态氮素的主要来源；暴雨时期是阿布胶河流域颗粒态氮素高输出时期。④不同降雨时期由于降雨强度的不同，流域内旱田的土壤湿度、径流变化、以及降雨在地表径流以及地下潜流之间的分配模式上有着显著的区别。地下潜流中的肥料源是控制溶出径流中硝酸盐分布的主要因素，在长时期低强度降雨情况下，地下潜流中的肥料流失率更高。⑤水田田面水中氮素主要受到施肥活动控制。水稻田中的氮素对于沟渠的侧渗输出是引起沟渠退水中氮素浓度变化的主要原因。农田排水对于农业区域内的地表水体中的硝态氮浓度影响较大，其在泡田排水期以及降雨排水期对地表水体中硝态氮含量的贡献接近60%，而在晒田排水期仅占45%。本研究丰富了国内对于高纬农业垦殖区内水体中氮素的来源的认识；揭示了在大规模农业生产以及季节性冻融环境中，不同的景观单元在流域水体氮素输送过程中所扮演的角色。能够为三江平原农业流域内水体中氮素污染迁移转化规律、氮污染源的监测与控制研究提供理论和技术支撑。