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中科院林业财富主旨助力雄安新区水与生态安全

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中科院林业财富主旨助力雄安新区水与生态安全

南水北调丹江口水库库区农业面源污染控制是保障南水北调中线丹江口水库现在和未来水质保持在II类水以上,保证“清水入库、清水北送”的关键之一。

中科院农业资源中心助力雄安新区水与生态安全

中科院地理科学与资源研究所康跃虎研究团队受国务院南水北调工程建设委员会办公室政策及技术研究中心委托,基于研究团队在SPAC系统水分化学物质循环调控方面的长期研究工作,通过在湖北十堰建立39个试验观测小区,经过4年时间的连续、系统性田间试验,分析评价了现有化肥使用方法、有机肥使用方法对地表径流和深层渗漏水中全N全P浓度的影响;研究了既环保又使用户显著增收的农业化肥面源污染控制技术和模式,包括适用于经济作物农田的滴灌精确施肥灌溉化肥面源污染控制技术、适用于旱地作物农田的新型环保控失肥化肥面源污染控制技术;建立了水源区面源污染综合治理示范区;提出了化肥面源污染防治对策。

■本报记者 王晨绯 通讯员 王超

研究发现采用滴灌精确施肥灌溉技术,用埋设在滴头正下方20cm深度处的负压计确定灌水时间,施肥量为测土配方施肥量的30%时,地表径流水质基本达到II类水标准;深层渗漏水中TN的浓度在III类水质范围内;TP的浓度基本在II类水质范围内。与传统测土配方施肥方式相比,滴灌精确施肥灌溉减少化肥使用量70%,茶叶增产10~13%。在此基础上研究出了经济作物滴灌精确施肥灌溉农业化肥面源污染控制技术,作物缺水时灌溉和施肥同时进行,雨季不缺水时定期通过灌溉系统施肥。环境效益、经济效益和社会效益显著。得到的30%施肥量比例对该地区其它作物也有参考价值。

雄安新区包括白洋淀以北的雄县、容城、安新3县,是党中央国务院设立的继深圳经济特区和上海浦东新区之后的又一具有全国意义的新区,是“千年大计、国家大事”。然而,作为雄安新区水资源的承载体和环境负荷的消纳体,白洋淀地区的地表水富营养化和地下水硝酸盐超标等污染问题、全流域农业面源污染问题却直接影响着淀区乃至雄安新区的水与生态环境安全。

研究发现冬小麦和夏玉米使用新型控失肥,当施肥量为传统化肥测土配方施肥量的50%时,即施肥量减少50%时,冬小麦农田地表径流中TN的浓度基本上都小于0.5mg/L,TP的浓度基本上都小于0.025mg/L,水质达到II类水标准;控失肥可减小TN含量甚至高达80%左右,深层渗漏水中TP的含量基本达到III类水以上的标准。夏玉米农田地表径流中TN的浓度基本上都小于0.2mg/L,属于I类水质;TP的浓度大部分都在0.05mg/L以下,在III类水质标准内;深层渗漏水中TN的浓度大部分都在1mg/L以下,TP的浓度大部分都在0.05mg/L以下,在III类水质范围内。冬小麦和夏玉米的产量增加30~50%。在此基础上研究出了旱地作物新型控失肥农业化肥面源污染控制技术,施肥方式与基肥的施肥方法相同,整个生育期只施一次肥,不用追肥。环境效益、经济效益和社会效益显著。得到的50%施肥量比例对该地区其它作物也有参考价值。

白洋淀位于海河流域大清河水系的中游,是华北地区最大的淡水浅湖型湿地,具有丰富的水生动植物资源,对调节华北地区气候以及缓洪滞沥、蓄水灌溉,保护生物多样性等有着重要作用。然而,过去几十年,白洋淀水体却多次干涸,水污染严重。

在十堰茅箭区营子村,建立了农业面源污染控制综合示范区。示范内容包括:特色茶叶果树和药用植物农田滴灌精确施肥灌溉化肥面源污染控制技术示范、大田蔬菜滴灌精确施肥灌溉化肥面源污染控制技术、设施农业滴灌精确施肥灌溉化肥面源污染控制技术、旱地作物新型控失肥料面源污染控制技术、农村生活污水处理与循环利用技术等。同时在40多个农户农田中示范了新型环保肥料化肥面源污染控制技术,用户积极性高。

“近年来国家和地方政府通过补水、严控排污标准、控源清淤等多项措施,水质有所好转,但据2015年水质监测结果显示,白洋淀大部分水域水质仍为V类或劣V类,汛期‘死鱼事件’时有发生。”谈到淀区水环境,中科院“百人计划”入选者、农业资源研究中心研究员王仕琴的表情略显沉重。

研究成果除了对南水北调中线丹江口水库水源区农业化肥面源污染控制有重要应用价值外,对水田以外的灌溉和旱地农业地区地表水和地下水的化肥面源污染控制也有重要应用价值。

究其原因,白洋淀位于白洋淀流域下游,流域内农业经济较发达,为综合型多元化分布格局:上游山前平原为农业高产区,化肥、农药被大量投入;下游淀区及其周边农田、村落、水产畜禽养殖和污水排放等交错分布,处于无序管理的状态。

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“蓄集在河道中的废弃物、土壤中过量化肥、农药以及农村畜禽养殖和生活污水等农业面源污染源极易在汛期通过径流、入渗进入下游河道、湖淀和地下水,造成地表水富营养化和地下水硝酸盐超标等污染问题。同时,全流域农业面源污染源及其迁移途径也直接影响着白洋淀和雄安新区水和生态环境的安全。”王仕琴说。

滴灌精确施肥灌溉化肥面源污染控制试验区

早在“十一五”期间,中科院遗传发育所农业资源研究中心就曾承担国家和中科院多个项目,针对白洋淀流域农业面源污染监测、面源污染形成机制和面源污染阻控技术与示范开展了大量长期的研究。“十三五”伊始,中心作为项目主持单位承担国家重点研发计划项目“农田氮磷淋溶损失污染与防控机制研究”,组织了从事农田氮磷面源污染研究的优势单位15家共同攻关,在白洋淀流域地表水和地下水水环境监测网建立、面源污染形成机制、面源污染阻控技术与示范等方面取得了阶段性进展。

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2008年至2016年期间,中心研究人员初步建立了“白洋淀流域地表水和地下水水环境监测网”,重点针对白洋淀、常年入淀河流府河、白沟引河和多年接纳工业污水的唐河污水库及周边地下水进行野外定期调查取样和监测,并将调查采样区域辐射到周边农田、污水灌溉区和白洋淀流域上游农业高产区以及地下水补给源区。

新型控失肥化肥面源污染控制试验区

“这项监测对于研究淀区农田化肥、农村污水和畜禽养殖以及工农业排污等复杂和多源格局下污染物对地表水和地下水环境的影响,实现对全流域农业面源污染综合影响的认识有着重要价值。”王仕琴说。

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2016年12月,王仕琴团队通过对白洋淀全区域调查发现,排污河和白洋淀水质较2014年以前显著改善。然而,水质总体状况指标却表明,虽然源头排放水质标准提高,但是沿程受河道底泥释放和面源污染源汇入等影响,沿线至入淀口河水水质变差,白沟引河和府河等污水河沿线和淀区周边以及污灌区地下水总体水质状况显著劣于地表水,地下水硝酸盐浓度偏高。

农业面源污染控制综合示范区

“这说明现在污染源虽然得到一定程度控制,但过去通过点源、面源途径进入地下水的污染物修复仍然需要更长的时间;山区平原过渡带和山前平原冲洪积扇农业高产区地下水硝酸盐超标显著,受地下水迁移的时空尺度影响,有可能对未来下游水环境安全产生威胁。”王仕琴说。

利用监测数据和模型模拟,中心科研团队追本溯源,从水的补给源头出发,针对山区和淀区周边地下水和硝酸盐来源的区域分异性特点,解析了不同来源的面源污染对地下水硝酸盐的影响和迁移过程。重点关注了白洋淀上游山区平原过渡带历史时期(1980年至1990年)土地利用变化对现在地下水硝酸盐氮的影响。

研究发现,低山丘陵补给源区农村人畜排污是造成地下水高浓度硝酸盐的主要原因,农田化肥快速淋滤和迁移对山前平原地下水硝酸盐浓度升高具有很大风险。白洋淀及其周边地下水硝酸盐氮的来源复杂,受工业和生活污水渗漏、农业污水灌溉回渗、过量农田化肥淋溶、农村污水排放等面源污染综合影响,硝酸盐氮迁移转化的机制体现出较大的时空差异性,揭示了白洋淀流域地下水污染成因与硝酸盐氮迁移机制。

中心科研人员研发了白洋淀流域面源污染控制技术,已经形成了一系列农业面源污染原位阻控技术与示范,包括:减氮控水、缓控肥料、少免耕技术结合播种施肥一体化、养殖场原位阻控、生态隔离带拦截等面源污染消减技术等。根据根层速效氮含量,减氮控水技术不减少作物产量的同时可降低土壤硝态氮残留,降低氮素的淋溶风险。缓控肥料技术可以降低农田氨挥发损失,采用根层土壤养分调控技术与新型肥料相结合,显著降低了肥料损失和面源污染。养分径流损失隔离带技术,可使氮磷径流损失减少50%,降低对水环境造成的危害。

除了原位阻控技术,中心科研人员还在项目实施中建立了农业面源综合防控技术:采用土壤测试与根区养分调控的精量施肥技术,源头上实现农田肥料减施、控施;同时开展生态隔离带拦截技术研究,从过程上阻控了养殖废弃物以及农田氮磷对湖区的污染;通过水肥耦合与新型肥料应用,结合根区养分调控技术,节肥30%~40%,产量提高4%~8%,节肥增产效果明显。

“这一技术与少免耕技术结合,实现了播种施肥一体化,农事操作简便易行,在白洋淀农区具有广阔的应用前景。”中科院“百人计划”入选者、农业资源研究中心研究员马林说。

由于白洋淀流域为一相对封闭的流域,雄安新区地处流域下游,不同来源农业面源污染源随地表、地下径流迁移,使得下游污染物来源和迁移机制复杂,这也对下游地表和地下水环境治理和修复提出了挑战,因此亟须开展全区域农业面源污染综合消减机制和分区立体治理技术的研究。

在马林看来,利用物联网、大数据和遥感等新技术手段,建立和完善白洋淀流域面源污染和地表水、地下水环境自动监测体系;解析基于关键带“水—土—气—生”的面源污染时空规律和形成机理,建立农业多元化污染源与水环境响应关系;建立全流域农牧系统面源污染全方位防控和分区立体治理技术和示范,是未来解决雄安新区面源污染的主攻方向。

“围绕雄安新区建设水城共融生态宜居城市的需求,农业资源中心农业面源污染研究将进一步为白洋淀流域水土环境安全提供技术智库,为发展和保护‘科技、生态、宜居、智能’型绿色宜居城市提供安全保障。”中科院农业资源研究中心主任胡春胜说。

《中国科学报》 (2017-07-17 第6版 院所)

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