中-加综合治理三峡库区水体富营养化课题白皮书

关键词：三峡水库流域、营养、富营养化、水华、生态安全、水质、水供给、土地利用、作物生产、精准农业、肥料、面源污染、渔业、消落带、支流、气候变化及其多样性、预防及修复、创新性科技和应对能力的训练和培养

合作单位：

中国 西南大学（Southwest University）

中国科学院（Chinese Academy of Sciences）

重庆市环保局(Chongqing Environmental Protection Bureau）

贵州师范大学（Guizhou Normal University）

重庆市政府（Chongqing Municipality）

开县县政府（Kaixian County）

加拿大University of Windsor

（温莎大学）University of Waterloo

（滑铁卢大学）University of Toronto

（多伦多大学）Canadian Museum of Nature

（加拿大国家自然博物馆）Agriculture & Agri-Food Canada

（加拿大农业及农业食品部）Ritchie Feed & Seed Inc.

（里奇股份有限公司）RBR. Ltd.

（RBR 责任有限公司）

二 〇 一 一 年 一月

一、课题立体依据和研究内容

   三峡工程

   三峡工程可能是人类历史上最为宏大的防洪和水利工程。中国政府将它作为未来可持续发展的重要战略而投入了巨额资金。三峡工程在经济、社会和生态等方面的影响都将是全球性的。

   长江是世界上最大河流之一，年均入海水量约1012立方米。整个流域占中国国土面积约20%，出产粮食占国家粮食总产量的35%。在农业、工业和交通运输的重要性之外，长江还是流入中国东海的泥沙、营养物和污染物的主要来源，因而影响全球海洋。

三峡工程在完成蓄水近400亿立方后，长江航道的660km回水已经将长江中游变为一个高度调度中的水库型湖泊，根本性地改变了原有河流系统的水文和生态功能。其变化之巨大，对社会、生态及环境的影响之深远，向科技界提出了极为独特的机会和挑战。

富营养化

   三峡库区内高度密集的人口、集约种植的农业和显著减缓的河水流速，引起各方对由此可能导致的富营养化对水库水质、水资源供应、生态安全和大坝运营等的影响投入越来越多的关注。本中国-加拿大双边合作课题将以此为焦点，集中研究三峡水库流域营养的来源、运移和转化，及其生态影响。预期课题成果将包括生态风险评估和监测、环境预警预报创新技术、土地和水资源利用，以及库区生态修复综合管理优化措施。

   二、课题研究目标

   不断增加的营养物排放是当今世界范围内人类对水生态系统影响的主要方式。本课题旨在前瞻性地理解和掌握在三峡水库这个新近建立起的、其水生态系统正逐渐发生和发展的体系内大量元素氮、磷、硅的源和库， 及其内在循环机制。特别地，研究重点将放在目前机理、规模和多样性研究都相对薄弱的面源污染方面。具体研究目标如下：

  量化在不同作物栽培和土地利用模式下氮、磷、硅的面源污染和多样性；

  建立农田营养减排、土壤保护和作物栽培管理示范技术体系，用以指导当地政府、环境保护官员、农民和公共团体；

  评估季节性消落带在调节营养由农地流入水体方面的作用；

  揭示整个三峡库区流域和支流中控制营养迁徙动态、水体营养水平和水华发生的因素和过程；

  确定可诊断生态系统指标，用以综合监测环境和评价水库安全；

  最后，集中上述研究成果，应用于三峡水库流域的水文-生态模型，以模拟和预测流域环境发展。

   三、 研究手段

   将运用综合的和多重尺度的方式进行研究。本课题将基础研究和技术开发相结合，既进行全面准确的监测研究，又研究最优管理模式。来自农业、土壤、水文、生态、地球化学和计算领域的专家将在相互重叠的时空尺度下联合监测和分析养分动态。下图显示了试验和模型研究中的不同尺度和相应环境变量（见图注）。

图注：

 研究方法：采用多重尺度、多学科角度，遵循田间试验小区土壤-小流域-支流-流域的序列方向，运用联合模型进行研究。具体采用如下尺度：

 机理尺度

 小区-农田尺度（1-104m2）:研究当地土壤类型、作物类型、气候、地质、地貌类型；地表和土壤中营养物质流；营养元素在作物和土壤间分配和运移；改善农业生产措施，例如引进高密度集约化作物栽培技术、先进便易的农田排水系统、高效化肥施用技术和水资源管理技术；研究引进技术的农学、经济、生态及环境综合效益

 小流域尺度（106---107m2）:具体研究N、P、Si等元素季节性和年度性的时空变化格局和多样性

 支流尺度：着眼三峡库区33条主要支流（107---109m2），研究 季节间多样性直至数年间 变异性；以消落带作为面源营养源/汇界面，研究营养物浓度、营养混合、水生态系统规律；研究 点源污染源、生态敏感物种等

 流域尺度 (1010m2)：模型将以天为单位拟合现有状态，并预测100年内面源污染动态

 为建立上述模型的监测研究工作也将在同一尺度下进行。

   四、课题安排

   研究活动将分为以下三部分进行：

  陆地系统：该部分将集中研究氮、磷、硅等元素在农业生态系统和小流域内的形态分布、转化机理和迁移途径。 除了研究当前状态下从土壤到水体的营养流，相关研究还将评估不同耕作管理措施和生态修复措施对农田面源污染排放的影响。具体目

标是在减少N、P 面源污染的同时，提高作物产量、最大程度地减少土壤流失，提高农民收入。研究将在1到2个106-107 m2试验小流域进行。

  水体系统：该部分研究将选取3或4个三峡库区支流（库区共有33条支流）和长江主河道，确定并调校作为水生态安全指示的化学、新陈代谢和生物指标，并实际用于监测。主要研究方法将包括生物采样、高时空分辨率的物理、化学性状数据库的获得和稳定同位素监测技术。研究结果将可以使水生态系统的反应与陆地营养排放变化、水流量和流速变化、水体物质混合规律变化等数字化地联系起来。该部分研究还将着重探讨湿地和河滨地带的营养物滤过作用；根据营养物性质、浓度和影响性制定营养物阈值，并建立毒性水华早期预警指标体系。

  系统模型：该部分研究将采用现有模型如Agro-4D, HydroGeoSphere, RIVE+，并在必要情况下扩展现有模型，以描述在上述不同时空尺度下N、P、Si等元素的迁徙和去向。在上述陆地和水体系统研究中获得数据将用于模型的确定和调适。模型的调适还需要自三峡水库2003年蓄水以来的水质和生态数据。研究成果可用于模拟和预测诸如干旱、洪水等极端自然现象、土地利用方式改变和气候变化对库区生态的影响。

   上述研究活动计划始于2012年初，持续三年时间。

五、课题创新性

本课题的一个鲜明而至关重要的特点是以产出致力于三峡库区面源污染有效防控技术的可操作性产品为目的，集以高效生产为目标的农业技术开发、水体生态保护和水库管理研究和技术于一体。课题将产生一系列创新的科学技术手段和措施，用以监测、分析和保护三峡库区流域内相互联系的水资源和陆地资源。中国三峡建设委员会对三峡库区的统一协调管理将使这些手段和措施得以付诸实施。本课题还将为高层次人才培养提供难得的学习和培训机会。同时，课题将增进中国和加拿大学术界与工业企业伙伴的密切合作。其他相关商业化价值包括农产品产量提高、渔业的改善和提高、营养流失防控技术、水质监测技术、低成本水质营养监测感应元件、水华早期预警系统、营养远程监控和通信交流技术、大地观测技术和软件等。

   六、研究队伍

   合作单位已列于封面，包括学术机构、政府机构和商业伙伴，涉及领域包括水文学、气象学、土壤学、农学、精准农业、淡水生态、生物地球化学、地理信息系统、远程监控、环境监测感应元件和动态系统模型研究。课题组成员凭借优异研发记录分别在中国、加拿大及国际上均享有崇高学术声誉。此外，课题组还将邀请或加强与营养远程监控和通信交流技术、大地观测技术的中加专家的进一步合作。

   七、课题实施

   课题研究的实施将主要通过来自中国和加拿大合作单位的资深专家指导青年学者，例如博士生、博士后，来完成。在课题进行的5年期间将计划招收12名全职青年学者，12个名额在中国和加拿大之间平均分配。课题执行决议将细化研究活动、伙伴关系和课题成果等的相关准则。