东北地区土壤冻融过程中农田面源污染物中的氮素迁移转化机理研究

In this project, the seasonal frozen area in the Northeast China is selected as the study area. The driven mechanism of the hydrological processes on the agricultural non-point source pollutions（Nitrogen）, and the physical basis of transport and transformation processes, and the simulation method during the soil freezing and thawing processes will be investigated. The in-situ test in small watershed scale and the isotope tracer experiments will be carried out to reveal the transport and transformation rule of the main non-point source pollutants during the soil freezing and thawing processes, and the relationship between the transformation processes of the pollutants and the state change of permafrost as well. The impact mechanism of different underlying surface on the processes of pollutants migration, transformation, and into the river will be revealed. .Furthermore, a hydrological and pollutant simulation model in the seasonal frozen area will be developed and validated. Finally, a new distributed basin-scaled model will be formed to reflect the characteristics of the seasonal permafrost and the migration and transformation of the pollutants in the northeast area, which could reveal the mechanism of the transport and transformation of the agricultural non-point source pollution in small watershed area.

本项目选择在东北季节性冻土区，针对土壤冻结和融冻过程中水文过程对农田污染物（氮素）的驱动机理及污染物迁移过程响应，冻土中污染物的转化机理，以及模拟方法开展研究。将通过开展小流域尺度的原位试验和同位素示踪实验，揭示冻结和融冻过程中主要面源污染物的迁移转化规律，确立面源污染物迁移转化过程与冻土状态变化之间的机理关系，揭示下垫面条件对于冻土中污染物迁移、转化和入河过程的影响机理。在此基础上，发展并验证季节性冻土水文及污染物迁移转化模型，最终形成反映东北地区季节性冻土特点的流域分布式水文及面源污染物迁移转化模拟技术，揭示小流域尺度的农田面源污染在土壤冻融过程中的迁移转化机理。

本项目以黑顶子河流域为研究区，在冻结期和融冻期开展为期3年的小流域尺度水文及主要面源污染物的迁移、转化过程实验。初步构建了土壤冻融过程中农田面源污染物（氮素）迁移转化模型，寒区流域面源污染物（氮素）迁移转化模型，完成了黑顶子河流域冻土融化期河道断面流量与浓度变化规律的分析。重要成果和结论包括：.1、构建了小流域尺度冻融期污染物迁移、转化和入河过程数据库。通过现场试验与数据监测，整合形成了一套可以满足黑顶子河流域陆面水文过程与河道水文过程中的水量和污染物通量传输的数据库。.2、揭示了冻结和融化过程土壤-河道非连续介质条件下污染物迁移、转化机理。项目组通过实验测量与分析，系统地揭示了冻土在不同状态下污染物转化动力学特性，发展了冻土中水流运动和污染物迁移的本构关系函数，对土壤冻结和融化过程中变化状态下的污染物迁移、转化过程形成了系统性的物理认知。.3、对冻融期农田面源污染中氮素的迁移转化过程进行模拟和分析。在冻土水热耦合模型的基础上，根据水文过程对于污染物迁移的驱动机制，以及农田氮素在土壤冻结和融冻过程中的转化机理，构建土壤冻融过程中氮素的迁移转化模型，反映了土壤冻结过程中下层污染物向上层移动聚集的特性。.4、构建寒区流域分布式面源污染（氮素）模型。项目组基于WEP-L模型，增加了流域氮迁移转化模拟功能，构建黑顶子河分布式水氮迁移转化模型（WEP-N），模型模拟效果较好，可以准确刻画冻土融化过程中河道断面污染物浓度的动态变化过程。根据黑顶子河流域主要站点模拟与实测结果对比结果，模型模拟断面的日浓度过程符合实际，模拟效果较好，可用于黑顶子河流域径流演变与规律分析。.5、寒区流域氮素迁移转化机制研究。在农田面源污染中氮素迁移转化模型的基础上，考虑小流域所有的污染来源，考虑污染物在地表-土壤-地下-河道中迁移转化的全过程，确立了不同污染源在不同迁移途径中的迁移转化特性，分析不同污染源中氮在不同时期的输出及转化参数。