“十二五”水專項課題為農(nóng)田面源污染防治提供全過程控制技術(shù)與落地方案
農(nóng)業(yè)面源污染防治已經(jīng)成為我國水環(huán)境安全的關(guān)鍵措施。面對農(nóng)業(yè)面源污染面廣、量大、分散、隨機性強和防治難度大等特點，如何形成一整套防治組合技術(shù)，并形成因地制宜的落地方案，是擺在我們面前的重大現(xiàn)實需求與艱巨任務(wù)。松花江流域是我國重要的商品糧基地，為我國糧食安全作出了巨大貢獻。近年來，域內(nèi)氮磷污染負荷不清，水質(zhì)目標管理方案缺失;稻田面積不斷擴大，退水無序混亂的問題始終沒有解決，愈來愈成為農(nóng)田氮磷流失和河流水質(zhì)改善中的突出問題;農(nóng)民傳統(tǒng)順坡種植與水肥管理模式下，該流域黑土坡崗地水土與氮磷流失問題長期存在;域內(nèi)溝渠與河岸帶對退水污染的修復(fù)與安全排放機能薄弱。顯然，切實控制以農(nóng)田為核心的農(nóng)業(yè)面源污染，對該流域及同類地區(qū)的水質(zhì)改善和糧食持續(xù)增產(chǎn)等具有現(xiàn)實緊迫性與長遠指導(dǎo)意義。
在水專項“松干流域糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田面源污染全過程控制技術(shù)集成及綜合示范”課題(2014ZX07201-009)的支撐下，由黑龍江省環(huán)保廳行政負責(zé)，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所技術(shù)牽頭，由中國環(huán)境科學(xué)院、黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所、黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所、東北大學(xué)、黑龍江方正縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心、寧夏農(nóng)林科學(xué)院等單位參加，經(jīng)過4年多協(xié)同攻關(guān)，研發(fā)并集成了農(nóng)田氮磷流失污染全過程控制技術(shù)體系與模式，并開展了工程化示范，構(gòu)建起了清潔小流域落地方案。
課題采取“農(nóng)田源頭減負、溝渠系統(tǒng)高效控制、緩沖帶生態(tài)修復(fù)、安全入河排放”全過程控制相結(jié)合的技術(shù)思路，研發(fā)并集成了稻田肥水一體化精準控制、凍融坡崗地水土與氮磷流失綜合控制、稻田生態(tài)溝渠網(wǎng)絡(luò)的氮磷聯(lián)控與多級次排灌改造、河岸緩沖帶擬自然濕地修復(fù)與退水安全入河控制等4大技術(shù)模式，并在120平方公里示范區(qū)開展了工程化示范與輻射推廣，使示范區(qū)排水進入螞蟻河的氨氮和總磷穩(wěn)定地控制在1.0mg/L和0.22mg/L以下的水平，明顯好于考核指標的要求，對松干流域乃至我國類似地區(qū)農(nóng)田面源污染控制和流域水質(zhì)改善，以及農(nóng)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展提供了有力支撐。
目標管理引領(lǐng)，全過程技術(shù)跟進
課題開展了示范區(qū)污染源監(jiān)測與解析，明確了氮磷污染負荷時空變化特征，制定了示范區(qū)與全流域雙尺度的水質(zhì)目標管理方案，構(gòu)建了農(nóng)田面源水質(zhì)目標管理決策支持系統(tǒng)，并據(jù)此開展了防控關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、模式集成與工程示范，形成了以流域水質(zhì)目標管理為導(dǎo)向的寒冷凍融區(qū)農(nóng)田氮磷面源污染全過程控制技術(shù)思路與流域控制模式(見圖1)。
稻田技術(shù)升級，源頭遏制成效大
針對松花江流域稻田氮肥過量施用、利用率不高、水肥耦合能力差等問題，課題組從肥、水、種植方式三個關(guān)鍵點入手，進行綜合施策，精準聯(lián)控，實現(xiàn)了氮磷減排。以水田精準施肥、肥水聯(lián)控減負、水稻施肥插秧一體化等3項關(guān)鍵技術(shù)為支撐，形成了稻田肥水精準控制技術(shù)模式，改過量施肥為精準施肥，變多次施肥為一次施肥，解決了傳統(tǒng)種植技術(shù)排水多、氮磷流失量大、追肥環(huán)節(jié)多、水肥耦合能力差等問題，推動了稻田傳統(tǒng)技術(shù)的變革。示范區(qū)稻田在增產(chǎn)增收的同時，氮磷肥減量15%以上，氨氮和總磷流失量減少76%和36%。該技術(shù)模式體現(xiàn)了松花江流域乃至東北稻區(qū)稻田水肥技術(shù)的突破與創(chuàng)新。
控-調(diào)-用組合拳，坡地徑流變害為利
針對目前坡崗地種植模式單一、過量施肥、施肥結(jié)構(gòu)不合理、坡耕地徑流向下游輸送及順坡種植水土流失嚴重等問題，課題組建立了“植物籬埂阻控-種植與施肥結(jié)構(gòu)調(diào)控-徑流再利用”一體化的坡耕地氮磷流失小流域控制模式，通過土壤耕作改制、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、施肥結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及徑流導(dǎo)流再利用手段，把坡耕地水土與氮磷流失的“控、調(diào)、用”有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)了坡耕地面源污染的有效控制。植物籬埂壟作區(qū)田技術(shù)通過坡耕地微地形與微生境改造，顯著提升了水土流失的控制效果;通過源頭減量和施肥結(jié)構(gòu)優(yōu)化使坡地玉米肥料減量15%以上，實現(xiàn)了氮磷的高效利用及流失控制;坡耕地徑流導(dǎo)流及再利用技術(shù)，使徑流匯流及再利用率達到90%，旱改水的稻田種植效益提高了2—3倍。
灌排有序，有效阻控氮磷輸送
針對松花江流域稻田現(xiàn)有溝渠結(jié)構(gòu)氮磷阻控能力不強、排水體系薄弱等問題，課題組集成出基于稻田生態(tài)溝渠網(wǎng)絡(luò)的氮磷聯(lián)控與多級次排灌技術(shù)模式，創(chuàng)造性地提出了雙梯形斷面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了溝渠流水的分層控制，并通過鄉(xiāng)土凈水植物蘆葦和香蒲等形成立體植物墻阻控系統(tǒng)，獲得了理想的氮磷阻控效果;在農(nóng)田尺度上，以最小工程量構(gòu)建起了形式靈活、結(jié)構(gòu)簡單的排渠-田塊鑲嵌式回灌井，實現(xiàn)了退水就地回灌，將水利用效率從0.50提高到0.65;在小流域尺度，提出了“一點、兩線、三層次”的稻田新型排灌模式，分別從點、線、面三個控制單元考量稻田灌溉與排水控制，通過不同單元組合與設(shè)計，有針對性地提升了不同稻田灌區(qū)退水利用效率。
荒灘變濕地，筑構(gòu)生態(tài)防線
針對流域農(nóng)田退水末端河岸緩沖帶濕地植被退化、氮磷截留功能羸弱和河岸帶退水無序等問題，課題組通過“溝渠-緩沖塘-濕地-水域”生態(tài)格局設(shè)計，在濕地分布調(diào)查基礎(chǔ)上，模擬自然濕地群落與自組織演替過程，形成了以濕地類型精準區(qū)劃為基礎(chǔ)的擬自然群落修復(fù)技術(shù)體系，使?jié)竦鼗旌先郝渖锪刻岣?0%以上，生物多樣性指數(shù)增加了0.12，退水經(jīng)過濕地后氨氮和總磷負荷削減36%和44%以上。通過核算濕地單位面積的氮、磷削減能力閾值(mg/m2)，確定濕地氮磷安全負荷區(qū)間，確定了退水入濕閘門控制方法，解決了濕地缺水問題，獲得了濕地修復(fù)與氮磷截留雙增益，實現(xiàn)了濕地排水水質(zhì)氨氮、總磷分別控制在1.5mg/L、0.3mg/L以下的流域水質(zhì)管理目標。
全民齊動員，流域清潔化
課題組以流域水質(zhì)目標管理方案為導(dǎo)向，以稻田及坡崗地源頭氮磷流失控制為核心，以新型灌排溝渠體系建設(shè)為紐帶，以河岸帶匯流安全入河控制為保障，在地方政府的大力支持下，在30余平方公里的核心示范區(qū)開展了4大技術(shù)模式的工程化示范，并在120平方公里示范區(qū)開展了農(nóng)業(yè)企業(yè)、農(nóng)業(yè)合作社與農(nóng)民的技術(shù)培訓(xùn)與重點推廣，取得了良好的示范推廣效果。經(jīng)第三方評估，核心示范區(qū)稻田氮磷肥投入量降低15%以上，灌區(qū)退水回灌率達到30%，氨氮和總磷流失量平均減少76%和36%以上，單產(chǎn)平均增加5%以上;坡崗地小流域的徑流匯流及再利用率達到90%，旱改水的稻田種植效益成倍提高，化肥減量15%以上;濕地示范工程控制農(nóng)田面積約25平方公里，氨氮和總磷負荷削減36%和44%以上，退水入河氨氮和總磷濃度降低到0.5mg/L左右和0.22mg/L以下，實現(xiàn)了退水安全入河。
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