一种基于源控理念的华北平原区非点源污染控制技术

本发明属于非点源污染控制领域，具体是一种以源项消减为核心，原位控制为辅的华北 平原区非点源污染控制技术。

非点源污染是指溶解性或固体污染物在降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引起的水 体污染。其特点是时空上难以定点监测的，与大气、水文、土壤、植被、地质、地貌、地形 等环境条件和人类活动密切相关的，发生具有不确定性，且能直接对大气、土壤、水构成污 染。与点源污染相比，非点源污染的时空范围更广，不确定性更大，成分、过程更复杂。目 前，包括我国在内的许多国家的点源污染排放已得到较好地控制。与此相比，非点源污染的 研究和治理则还处于起步阶段。近年来，我国农村地区畜禽养殖及农田耕种业的快速发展， 大量的养殖废水和过量的化肥施用，使得大量的氮、磷等营养元素进入水体，导致水体富营 养化现象严重，水生生物的生存环境遭到破坏，局域水生生态系统失调。因此，如何有效地 实现农业非点源污染的控制，是解决我国水环境问题的关键所在。

我国华北平原区气候特征为干旱少雨，其区域内蓄水量及面积均呈现逐渐缩小的趋势。 我国华北平原区非点源污染具有以下特征：1)平原区由于地势平坦、河流边界模糊、水流运 动缓慢、自然地理环境的多样，其非点源污染的产汇流特征明显区别于山区、丘陵地区。区 域污染物迁移转化规律较为复杂，发生具有分散性、广泛性及迁移过程具有高度随机性；2) 相对于南方高降雨区域，华北平原气候较为干旱，其土壤自身含水率较低。因此日常灌溉及 小强度降雨均难以产生非点源污染物，地表径流以及其携带的非点源污染物通常只在较大降 雨或暴雨时产生。因此，华北平原区非点源污染具有滞后性及模糊性，在流域尺度进行集中 控制无论在理论上或者在实践上均不可行。基于华北平原区非点源污染特征，相对传统的过 程及末端控制，“源控”应是实现华北平原区非点源污染有效控制的核心。

基于以上认识，本发明提出源项消减为华北平原区非点源污染削减的主要控制手段，此 外辅以原位阻控技术的重要理念，以实现对华北平原区非点源污染的有效控制。

本发明的目的是提供一种针对华北平原区非点源污染的控制技术。本发明通过以下步骤 实现：

1)建立基础资料数据库：通过3S技术包括GIS、RS、GPS技术，构建研究区空间数据 库，主要包括土地利用图、土壤类型图等，其中土地利用类型通过解译遥感影像获取；通过 实地调研和资料调研，收集当地气候、地形、农田播种、灌溉、施肥量、作物类型、作物种 植、作物收获量在内的该地区农田基本信息。在此基础上，建立基础资料数据库。

2)样本采集及监测：对研究区进行GPS定位网格取样，以500m网格距离布置示范区农 田土壤采样地块，并用GPS定位，记录其经纬度坐标；在各地块按对角线法设置5个或5个 以上的采样点，对每个地块所取土壤样品均匀混合，进行土壤养分数据分析，分析项包括有 效氮、速效磷、速效钾。

3)获取土壤养分空间分布：以土壤样本监测为基准，利用空间插值如克里格插值法、反 距离加权法，生成整个研究区的土壤养分空间分布信息。

4)利用土壤养分表观平衡模型(OECD)，获得土壤养分状况及其空间变异性；根据养 分输入和养分支出，得到养分平衡量(Balance)；评价养分输入和养分支出计算结果，进行 土壤营养丰缺度评价；

5)非点源污染控制方案制订与实施：根据OECD模型土壤营养丰缺度评价结果和研究 区的化肥施用量，制订该地区非点源污染控制方案。

a)源项控制：根据模型计算结果，对该地区不同地块推荐化肥施用的削减量，以通过源 项控制实现对研究区非点源污染的源头控制。

b)原位阻控：针对土壤营养丰缺度评价中的1级和2级区域，辅以原位阻控的手段，以 实现对非点源污染最为有效控制。

本发明步骤2)中采样土样应为0～20cm农田表层土壤，且采样应尽量避免沟边、田埂、 堆肥处特殊部位。

本发明步骤3)中，土壤中各元素的测定均应采用国标法。其中有效氮采用碱解扩散法、 速效磷采用NaHCO3浸提‑ICP法、速效钾则采用醋酸铵浸提‑ICP法。

本发明步骤4)中，OECD模型所得养分平衡量Balance的计算公式为：

Balance＝(Ftlz+Mnr+Seed+Irr+Dpzt+Bnf)‑(Hvst+Runoff+Leach+GNH3+GNOX)

式中：Balance表示氮磷平衡量；Ftlz表示化肥氮磷输入量；Mnr表示有机肥氮磷输入量； Seed表示种子氮磷输入量；Irr表示灌溉氮磷输入量；Dpzt表示大气沉降氮磷输入量；Bnf表 示生物固氮氮输入量；Hvst表示作物带走氮磷输出量；Runoff表示地表径流氮磷输出量；Leach 表示淋溶氮磷输出量；GNH3表示氨气挥发氮输出量；GNOx表示反硝化氮输出量。式中各参 数单位均为吨(t)。

本发明步骤4)中，农田土壤养分丰缺参考杨林章等、张福锁等在华北平原的多年研究 建立的土壤养分评价标准，将土壤养分丰缺的评价分为分为5个级别，根据土壤养分含量确 定其相应丰缺级别。

农田土壤养分丰缺的评价标准

本发明步骤5)中，原位阻控理念即将非点源污染物留在原处，采取措施阻止污染物随降 雨产生的径流进入水体，切断内污染源的污染途径。主要控制方法包括精准施肥、新型缓/控 释肥技术、水肥一体化及隔离带阻控技术。

本发明提出的基于源控理念的华北平原区非点源污染控制技术，以源项消减为核心技术， 并辅以原位控制的理念，能够较好的实现对华北平原区非点源污染的控制。

基于源控理念的华北平原区非点源污染控制技术流程图

为了更清楚的对本发明进行阐述，以实施案例来进一步说明本发明，但不用来限制本发 明的范围。

某华北流域平原区，总面积为15.64km2，耕地面积为13.30km2，占该平原区总面积的 85.0％。该研究区每年9月底10月初收获夏玉米，玉米秸秆粉碎后翻埋进入土壤表层(20cm)， 施底肥，随后播种冬小麦。次年春季，根据苗情，在3～4月初随灌溉追施尿素，施肥方式为 表面播撒。7月中下旬随灌溉撒施尿素，或随降雨撒施。生育期内根据土壤含水量情况随时 灌溉，灌溉方式为大水漫灌。

表1研究区土地利用现状

1)土壤采集与样品分析：实验中，以500m网格距离布置研究区农田土壤采样地块，并 用GPS技术进行定位，记录采样点经纬度坐标。农田地块大小为10m×10m，在该地块内按 对角线法设置五个样点，采集0～20cm深度农田表层土壤。该研究区共采集混合土样86个。

土样品运回实验室并均匀混合后，分鲜样和风干样品，除去大的颗粒物，2mm筛定。分 别采用碱解扩散法、NaHCO3浸提‑ICP法、醋酸铵浸提‑ICP法测定土壤有效氮、速效磷及速 效钾。

2)研究区土壤养分分析：在步骤1)实验测定的基础上，采用克里格(Kriging)空间插 值法分析研究区土壤养分具体情况。采用土壤养分丰缺的评价方法，对该研究区农田养分情 况进行评价。其结果如表2所示：

表2研究区农田土壤养分情况

3)土壤养分表观平衡模型(OECD)的建立：利用OECD模型，根据测土施肥实验及调 研所得数据，分析该研究区土壤养分的支出与收入情况，掌握该研究区土壤养分氮磷平衡情 况。

该研究区农田养分收入情况，如表3所示：

表3研究区农田养分收入(kg/ha)

该研究区农田养分输出情况，如表4所示：

表4研究区农田养分输出(kg/ha)

根据研究区农田养分输入与输出，可得到农田养分平衡情况评价，其结果如表5所示：

表5研究区农田养分平衡情况

由此可以得出，该研究区作物生长发育过程中所吸收的养分76％～99％来自于施肥，包括 化肥与有机肥的施用。在研究区中，农田生态系统氮、磷均有大量的盈余，盈余量分别占总 收入量的45.27％、77.26％，农田生态系统大量的养分盈余将导致高环境流失风险，而化肥的 不合理施用则是农田养分大量盈余的主要原因。同时，非肥料施用来源的养分(包括大气沉 降、灌溉带入以及生物固氮)，在研究区的作用也不可忽视。非肥料施用带入的氮、磷、钾养 分在总收入中所占的比例依次为：13.78％、0.39％、23.82％，在农田生态系统养分管理中应 该将其视为重要的养分来源与资源。

基于以上研究，得到本研究区化肥实际施用量及推荐施用量，结果如表6所示：

表6研究区化肥实际施用量及推荐施用量(kg/ha)

其中，化肥推荐施用量为土壤化肥盈余量为零时的化肥施用量。

结合表4计算出来的农田化肥流失率，即氮肥、磷肥分别为0.83％、0.29％，流失强度N 为3.55kg/ha、P2O5为1.21kg/ha(以磷计，即TP为2.77kg/ha)。假定该地区农田化肥流失 率不变，根据测土施肥后的研究区单位面积流失强度N为1.21kg/ha、P2O5为0.20kg/ha(以 磷计，即TP为0.45kg/ha)。通过本发明方法，研究区农田地表径流流失(即农田非点源污染) TN、TP削减率分别达66％、84％。

基于以上步骤，可实现该区域非点源污染的源项削减。

4)研究区非点源污染原位阻控推荐：基于测土施肥所得数据，选择高污染流失区进行包 括精准施肥、新型缓/控释肥技术、水肥一体化及隔离带阻控技术为措施的非点源污染原位阻 控。本实例，由于时间经费限制，并未进行此部分工作。但极力推荐结合此理念的非点源污 染控制技术。

结论：本发明方法，以测土施肥作为源项消减的核心，并结合原位阻控理念。本发明方 法对华北平原区非点源污染控制有显著效果。