基于沉积物/土壤分析的农业非点源污染特征研究

How to make long-term pollution analysis at the basin scale quickly and effectivly is one of main problems in water environment management. Sediment analysis, assisted by isotope dating technology can be well used in a deep and systematic study of agricultural non-point source pollution , which is of great significance in further improvement of basin water environment of China. This study is mainly concerned on the Naolihe River Basin in Sanjiang Plain, China, an area having been suffered from intensive agricultural practices for a long time. By using the isotope tracer technique, we will estimate the annual mean soil erosion amount and loss load in the past 40 years, calculate the deposition fluxes for nitrogen, phosphorus, heavy metals and other typical pollutants, and further quantify the major agricultural sources of trace metals such as Pb. Then the main pollution factors and critical source areas in the basin at different spatial and temporal scales are identified, and the risk responses of water environment to the land development intensity in different historical periods are clarified as well. All the results obtained above, can provide theoretical basis for more pertinent water pollution control, and information for research on agricultural non-point source pollution of mid-high letitude area in China.

如何高效快速地实现流域尺度长时段污染分析是流域水环境管理中面临的主要问题，运用沉积物分析，同时结合同位素定年技术，可以系统深入地开展不同时空尺度农业非点源污染研究，这对于进一步改善我国流域水环境质量具有重要意义。本研究拟以人类农业开发活动长期胁迫下的三江平原挠力河流域为研究对象，采用同位素示踪技术，估算三江平原挠力河流域近40年来的土壤年均侵蚀量和流失负荷，计算氮、磷、重金属等典型污染物的沉积通量，并进一步计算流域主要农业源对Pb等微量金属元素的累积贡献率。在此基础上，识别流域不同时空尺度下的主要污染因子和关键源区，最后探讨流域在不同历史时期农业开发强度下的水环境风险响应。该研究成果有助于相关环境管理部门更加有针对性的开展流域水污染控制，并为我国中高纬地区农业非点源污染的研究提供理论依据。

以三江平原长期的农业开发活动影响为背景，从土壤分析和沉积物应用两个层面探讨了三江平原典型流域的面源重金属流失特征。主要研究内容和结论如下：.（1）揭示了长期农业活动影响下土壤Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni的运移和分布规律。结果表明，长期的农业开发活动整体上降低了农田土壤中Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni的含量，但是却促进了它们在沟渠和河岸土壤中累积，这些重金属总体呈现出向水环境逐渐迁移的趋势。与农田土壤相比，河岸土壤中Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni平均含量分别增加了23.61%、128.57%、21.68%、51.24%、18.73%和57.10%。相比其它两种景观类型，农田土壤重金属呈现最高的弱酸溶解态和最低的可氧化态，但残渣态仍是三种景观类型土壤重金属的主要赋存形态。.（2）将沉积物化学分析与SWAT模拟相结合，开展了流域尺度土壤颗粒态Pb、Cu、Cr、Ni流失负荷的时空变异研究。在1981-2010年整个模拟期内所研究流域（阿布胶河流域）土壤颗粒态重金属流失负荷变化显著，且近几年呈现不断增加的趋势。颗粒态Pb模拟负荷为18.85-21.81 g/ha，年平均值为20.21 g/ha；Cu负荷为19.57-24.32 g/ha，年平均值为21.75 g/ha；Cr负荷为40.03-55.96 g/ha，年平均值为47.35 g/ha。.（3）利用沉积物210Pb同位素定年技术开展了挠力河流域面源重金属流失历史反演研究。结果显示，1948-2013年农业大发展以来挠力河流域Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni六种重金属的沉积通量虽有波动，但它们总体呈现持续增加的趋势，表明这段时期内流域面源重金属流失在不断加剧。对比发现，1948-1988年间各重金属沉积通量的增幅均明显高于后期，该时期流域土壤侵蚀量的迅速增加是导致面源重金属流失加剧的主要原因。.（4）基于沉积物化学分析和Pb稳定同位素（206Pb、207Pb、208Pb）示踪方法，开展了挠力河流域重金属来源解析研究，并由此提出三江平原农区重金属污染防控对策。通过计算富集因子，发现成土母质虽然仍是挠力河流域重金属的主要来源，但人为贡献率最高已经可以达到40.94%。对于元素Pb，应用同位素方法和富集因子法得到的人为贡献率相近，两种方法可以很好的相互印证。