水土流失面源污染及防控技术

第1章 绪论
　　红壤小流域是构成南方红壤区*基本的地形地貌单元，也是农业生产的主要场所，由于人口的压力和不合理利用小流域的坡地资源，许多红壤小流域水土流失较为严重，导致生态环境质量退化，严重地影响该地区的农业生产。由于小流域往往是一些河流干支流的源头，小流域的水土流失不仅抬高河床，淤积河道和湖泊，而且径流和泥沙所挟带的养分元素往往造成湖泊、河流富营养化，水质退化，因此研究和控制小流域水土流失和面源污染是控制湖泊、河流富营养化的关键措施之一。
　　面源污染又称非点源污染，是指溶解性污染物和固体污染物从非特定的地点，在降水（或融雪）冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体（包括江河、湖泊、水库和海洋等）并引起水体的富营养化或其他形式的污染。目前在发达国家，由于点源污染得到了十分有效的控制，面源污染已经成为河流、湖泊、水库等地表水体富营养化和水质恶化的主要污染源。在我国，虽然点源污染未遏制，但在很多水体，尤其是湖泊、水库中，面源污染对污染总负荷的贡献已占到相当大的比例，并且随着点源污染逐步得到有效的控制，面源污染对水环境污染总负荷的贡献率将进一步提高，对生产、生活和经济社会可持续发展的危害更加突显。
　　水土流失是面源污染的来源之一，地表径流、侵蚀泥沙、耕作土壤的流失等是面源污染的重要来源。土壤侵蚀是面源污染的主要发生形式，土壤侵蚀带来的泥沙不但本身就是一种面源污染物，而且泥沙是有机物、金属、磷酸盐及其他毒性物质的主要挟带者，所以土壤侵蚀会给水质带来不良影响。
　　鄱阳湖是我国**大淡水湖，位于江西省境内，是长江干流重要的调蓄性湖泊，在长江流域中发挥着巨大的调蓄洪水和保护生物多样性等特殊生态功能。鄱阳湖是中国十大生态功能保护区之一，是国际重要湿地，也是世界自然基金会划定的全球重要生态区之一，它的“健康”状况维系着长江中下游的饮水安全和生态安全。总体来说，鄱阳湖目前水质尚好，营养化水平处于中至中-富营养等级，局部存在水体污染，主要污染物为总磷（TP）和氨氮（NH3-N）。面对鄱阳湖出现的日益严峻的水资源形势，加强水资源保护、实现水资源的可持续利用，是保障和支持地方经济社会可持续发展的必然选择。相关研究表明，水土流失造成的面源污染已经成为鄱阳湖水环境的重要潜在威胁，由赣江、抚河、信江、饶河、修水“五河”汇入的面源污染是鄱阳湖水体污染的重要污染源，而红壤小流域单元则是“五河”的源头。大部分面源污染来源都和水土流失紧密联系，由于过度垦殖、开发建设等人为的不合理生产活动的破坏以及不合理的土地利用方式导致水土流失严重，而水土流失造成面源污染。土壤侵蚀发生在陆地表面透水性的地表，侵蚀的表土富含大量的土壤养分。例如，我国全年流失土壤50亿t，带走的氮、磷、钾等养分元素相当于全国一年的化肥施用总量，流失的土壤养分导致严重的面源污染，同时也严重影响水生态系统的安全。
　　江西省是我国南方水土流失较为严重的地区之一，也是红壤山地丘陵的典型代表区域，有“六山一水二分田，一分道路与庄园”之说，主要的农业生产是在山地丘陵地区进行的。由于长期以来人们不合理地开发山地农业，江西省2020年水力侵蚀面积达2.36万km2，水土流失面积约占全省总面积的14%，严重水土流失导致的面源污染加剧鄱阳湖水质的恶化。水土保持措施能从根本上截断污染链、防治面源污染，是保护水源水质、保障饮水安全的重要手段。早在20世纪80年代江西省就开始实施“山江湖”工程，把鄱阳湖流域视为整体，提出“治湖必须治江，治江必须治山”的生态环境保护理念；对于水土流失治理，从20世纪80年代开始，国家“八片”水土流失重点治理工程也开始在江西省实施。为了保护“一湖清水”不受污染，必须建立完善的小流域面源污染防治技术体系和预测模型。多年来，各国各地区学者针对水土保持对面源污染的控制作用、面源污染迁移转化机理、防治对策及模型等方面开展了许多研究，也产生了不少好的防治技术和模型。因此，迫切需要开展适合我国不同区域特色和相应地理特点并能反映区域时空变异特征的水土保持对面源污染的防控机制研究。
　　本书选择鄱阳湖流域中的典型小流域，通过设立径流小区、卡口站等手段，采取取样观测和分析测试的方法，从坡面、集水区、小流域等尺度分析降雨条件下径流泥沙及其挟带面源污染物与水体污染的关系，研究红壤侵蚀区小流域综合治理中水土保持措施对产流产沙和面源污染的影响，从而提出水土流失面源污染防控技术。
　　1.1 面源污染的影响因子与机理
　　面源污染产生机制主要包括径流形成、土壤侵蚀和泥沙及氮、磷污染物进入水体三个过程。降雨在不同下垫面条件下产生径流，并对土壤产生侵蚀作用，在降雨-径流驱动因子作用下，泥沙与附着的氮、磷污染物及可溶性氮、磷污染物进入水体，从而产生面源污染。在影响因子分析中，郑粉莉等（2004）主要评价了土壤中化学元素（尤其是磷素和氮素）形态、有机肥和化肥施用与管理方式、降雨和灌溉、地形、近地表水文条件、作物和耕作管理等对化学污染物运移的影响。其主要结果表现为：①水土保持耕作法可以减少土壤流失量和颗粒形态的养分流失，但不能减少可溶性养分的流失；另外，残渣覆盖物在增加土壤有机物、改善土壤结构的同时，残渣腐烂分解部分增加了径流中的养分浓度。因此，需要寻找有效的防治措施，使其具有防治侵蚀和减少面源污染物的双重功能。②农地过度施肥，尤其是大量过度施用有机肥（家畜、家禽），使土壤中养分积累，是引起养分流失和地表水富营养化的根源（Pote et al.，1999；Cox and Hendricks，2000；Sims et al.，2000）。③流域内养分流失的敏感区集中在流域下游接近河床的土壤水分饱和区（Walter et al.，2000）。黄河仙等（2008）开展了不同覆被条件下红壤坡地地表径流及其养分流失特征研究，结果表明覆被植物群落类型单一化和农事耕作都能增加地表径流量、次数和养分流失，并提出*大限度减少人为对植被和地表的破坏，以及清除枯枝落叶等人为干扰是减少养分流失的关键。陈长青等（2006）对红壤坡地不同林地进行定位观测，对氮、磷、钾养分元素动态循环进行了系统分析，建立了养分循环的分室模型。
　　经过几十年的研究，国内外面源污染研究已从初期的定性化研究转向定量化研究，由统计、调查与机制研究转向实用治理与系统开发研究，由小区尺度径流观测转向流域尺度地形、气象、土地利用、控制措施等对面源污染时空变异研究。我国在面源污染研究的各方面都取得了明显进展，但在面源污染模型的研发方面尚处于初级阶段。在控制技术措施方面，我国已形成较国外更宽泛的技术体系，特别是水土保持技术更是如此，但水土保持技术控制面源污染效应的研究甚少。由于土壤侵蚀与面源污染的联动关系，水土保持技术控制面源污染的效应与机制研究将成为今后的研究方向。在管理措施方面，目前面源污染的控制与管理还仅停留在个别示范区的“点”上，在流域或区域的“面”上加强适合我国国情的*佳流域管理措施（BMPs）管理模式研究将成为面源污染防控措施的重点之一。
　　1.2 水土流失面源污染及其影响因子
　　面源污染物的流失主要以水土流失为途径，将水土流失产生的及其引发的面源污染称为水土流失面源污染，影响水土流失的主要因素对面源污染物的流失也有很大的影响，它包括自然因素和人为因素。自然因素包括降雨、坡度、下垫面条件、土壤初始含水量、植被覆盖度等因素，不同近地表土壤水文条件将对坡面的侵蚀过程产生不同的影响，进而影响到面源污染物的迁移过程（张玉斌等，2007）；人为因素主要为对土地的不合理利用等。施肥和农业耕作对面源污染也有很大影响，郑粉莉等（2004）指出，国外对水土保持耕作法（少耕、免耕）、农地过度施肥、近地表土壤水分条件等影响污染物运移的机理都有研究。因水土流失产生的泥沙一方面给水体带来物理、化学、生物等多方面的污染，另一方面又可吸附由废水、污水挟带的许多种类的污染物质，当水环境条件发生改变时，污染物可被解吸到水相中而造成二次污染（胡国华等，2004），故土壤与化学物质之间的相互作用（吸附与解吸）等是决定泥沙和径流挟带化学物质浓度的关键因素。
　　水土保持措施能够吸收、过滤、迁移和转化土壤或水体中的一些有害物质，防治面源污染，优化流域或区域水环境。随着社会经济的发展，人为造成的新的水土流失比较严重，如何防治水土流失和面源污染已成为当前环境保护重大而又紧迫的课题。研究不同水土保持措施在防控化肥、农药和有机肥等面源污染方面的作用，提出有效的水土保持措施，控制水体污染是面源污染水土保持控制技术研究的主要内容。
　　1.3 水土流失与面源污染模型化
　　水土流失面源污染的实质在于水土流失，作为水土流失预测预报的模型，经过合理的修正后，可用于面源污染的监测。根据模型建立的途径和所模拟的过程，面源污染模型通常可分为经验模型或黑箱模型、物理模型或过程模型、概念模型、随机模型等（牛志明等，2001）。20世纪50～60年代，以美国农业局为首的研究机构就开发了一些有关水土流失和面源污染方面的经验统计模型，包括SCS曲线代码和通用土壤流失方程（USLE）。70年代初，直接模拟面源污染发生、发展及影响的数学模型就已出现。美国农业部农业研究局研发的CREAMS（chemicals，runoff and erosion from agriculture management systems）模型奠定了面源污染模型发展的“里程碑”。80年代，开始将RS、GIS与一些经验统计模型进行集成。自90年代以来，随着“3S”技术的迅猛发展，分布式参数机理模型的空间数据输入效率、模拟输出显示和模型运行效率因集成而大大提高。AGNPS（agricultural nonpoint source pollution）与稍后改进的AnnAGNPS（annualized AGNPS）、ANSWERS（area nonpoint source watershed environment response simulation）、SWAT（soil and water assessment tool）等模型相继产生并在国内外得到了广泛应用。
　　模型化研究也是我国面源污染研究的主要形式，但我国研究多引用国外模型或加以修正。USLE在2000年我国因水土流失引发的氮、磷流失量匡算中得到应用，经验证后得出吸附态氮素和磷素的流失总量分别为104.22万t和34.65万t（杨胜天等，2006）。另外，各类面源污染模型在我国均有应用，如AnnAGNPS模型在福建省九龙江典型小流域（黄金良等，2005）、GIS技术在汉江中下游（史志华等，2002）、SWAT模型在黑河流域（秦耀民等，2009）、RUSLE模型在江苏省方便流域（姜小三等，2005）等的应用。从水土流失面源污染的三个环节——降雨径流、水土流失及污染物迁移过程出发，研究面源污染的实质并进行预测预报，已成为水土流失面源污染的研究方向。
　　1.4 水土流失面源污染防控
　　水土流失与养分流失往往伴随发生，而随着地表径流挟带养分流失，则产生了面源污染。在国外，对于养分流失，许多学者做了大量的研究。Ahuja等（1981）研究表明次降雨过程中，随径流损失的养分只发生在土壤表层一定厚度内。Flanagna等（1989）采用不同雨型对养分流失进行了研究，结果表明雨型对径流养分含量的影响无统计学差异。在坡度小于2%的试验研究中，径流中的溶质含量与产流时刻关系密切，而与雨强关系不明确（Walton et al.，2000a，2000b）。Alberts和Moldenhauer（1981）的研究表明，缓坡或陡坡农田的氮、磷转移和随径流流失的泥沙部分相联系。针对土壤养分流失规律，国内学者也进行了大量的研究。邵明安和张兴昌（2001）通过研究发现坡地土壤养分流失的过程实际上是表层土壤养分与降雨、径流相互作用的过程。马琨等（2002）研究得出，雨强较小时，土壤养分流失以径流挟带为主；雨强较大时，以泥沙挟带为主。徐泰平等（2006）在对不同降雨侵蚀力条件下的紫色土坡耕地的养分流失特征进行研究后发现