三峡库区石盘丘小流域氮磷非点源污染特征研究

发布时间：2020-06-01 10:43

【摘要】：非点源污染所引起的最主要危害形式就是水体的富营养化。根据2015年长江三峡工程生态与环境监测公报显示,长江干流水质总体为良,但是多条支流以及部分回水区水体富营养化程度较往年有所加重。农业非点源污染是水体富营养化的主要来源。三峡库区农业小流域作为相对独立的汇水单元,是非点源污染发生的源头;小流域地表径流和土壤侵蚀引起的氮、磷流失是导致非点源污染的重要原因,同时也是非点源污染的重点控制对象。土地利用综合反映了人类活动的情况,是影响非点源污染的关键因子,土地利用类型、结构等的组合对非点源污染的发生有重要影响。从土地利用格局整体优化和局部最佳管理措施控制的角度研究非点源污染是当前的研究趋势,也是目前国内外研究的热点。近年来,国内外的学者对不同土地利用类型与非点源污染关系的研究主要通过人工模拟降雨、径流小区试验、不同尺度流域观测以及模型模拟等方法进行,而自然降雨条件下小流域内的长期定位观测相对较少,因此,本试验选取了土地利用类型、土壤类型以及地势地貌在三峡库区腹心地带较为典型的石盘丘小流域作为研究对象,将其作为基本水文单元对库区非点源污染物来源与通量进行试验研究。试验于2017年11月至2018年11月对石盘丘小流域出水口径流进行连续采样,并测定观测期内小流域氮、磷素各形态的流失特征及规律;同时,对不同土地利用类型(菜地、柑橘园、自然林地、旱坡地、水田)设置径流小区,测定降雨产流后地表径流中氮、磷素各形态的流失浓度及通量;进一步分析了降雨集中期的始末(2018年3月、10月)各土地利用类型下土壤理化性质,包括:全氮、碱解氮、硝态氮、铵态氮、全磷、速效磷、有机质、pH、阳离子交换量(CEC)、容重,以期为不同土地利用类型下土壤的理化性质与其地表径流中非点源污染物氮、磷素各形态的浓度以及流失通量建立联系,为非点源污染的治理提供理论依据。主要研究结果如下:(1)观测期内(2018年3月-11月),不同土地利用类型下TN流失通量的大小顺序为水田柑橘园旱坡地菜地自然林地,且氮素、磷素随径流流失的峰值主要集中在4-5月份的降雨径流事件中。水田径流流失的总氮(TN)、硝态氮(NN)、铵态氮(AN)流失通量及年平均浓度最大。观测期内水田径流流失的氮素各形态的流失通量分别为19.94 kg/hm~2(TN)、2.40 kg/hm~2(NN)、2.95 kg/hm~2(AN),且水田氮素各形态的流失均集中在4月末5月初的耕作、施肥、降雨期。自然林地TN、NN、AN全年流失通量最小,分别为0.64 kg/hm~2、0.36kg/hm~2、0.05 kg/hm~2,水田TN流失量是自然林地的31倍;柑橘园、旱坡地和菜地TN流失通量在4.00-4.98 kg/hm~2之间,也是小流域氮素流失的主要贡献者。从氮素各形态所占TN的比例来看,5种土地利用类型中,虽然自然林地TN流失通量最小,但是其NN所占TN的比例最高,达56.07%,最小的是旱坡地,占比为16.14%;AN流失量占TN比例最大的是水田,达21.42%,最小的是柑橘园,仅有3.28%。各种土地利用类型下,径流中总磷(TP)和颗粒态磷(PP)的流失浓度呈显著相关。TP流失通量的大小顺序为菜地柑橘园水田自然林地旱坡地。其中,菜地TP、PP流失通量最高,分别为4.42 kg/hm~2、4.14 kg/hm~2。旱坡地TP、可溶性总磷(DTP)的流失量最小,分别为0.19 kg/hm~2、0.08 kg/hm~2,菜地TP流失通量是旱坡地的23倍。从磷素各形态流失量所占TP的比例来看,柑橘园(1.08 kg/hm~2)地表径流中DTP的流失通量相对其他土地利用类型下较大,且DTP是柑橘园磷素随径流流失的重要形态,占TP的56.79%;PP是菜地磷素流失的最主要形式,占TP的93.67%。总体上,为预防氮磷的流失给水体造成非点源污染,应重点预防水田在施肥期与降雨期的重叠,菜地主要防止强降雨下PP的损失。(2)不同土地利用类型下土壤有机质含量表现为水田柑橘园菜地自然林地旱坡地,而同时水田土壤容重(1.18-1.28 g/cm~3)明显低于其他土地利用类型。自然林地和旱坡地土壤pH偏碱性(8pH9),菜地土壤偏酸性(5pH6),柑橘园与水田偏中性。自然林地和旱坡地土壤CEC值高于其他土地利用类型,水田土壤CEC含量均最低。水田和柑橘园土壤总氮、碱解氮含量高于其他土地利用类型,而旱坡地的最低。柑橘园3月和10月的土壤硝态氮含量差异显著,且均明显高于其他土地利用类型;而柑橘园土壤铵态氮含量并不高,这与柑橘园施肥及降雨量有关。本试验条件下不同土地利用类型的土壤氮形态,包括总氮和碱解氮受到有机质、pH和CEC影响较大,有机质含量越高,土壤总氮和碱解氮含量越高。土壤总磷含量与母质、施肥量相关。柑橘园由于施肥量大表层土壤总磷含量最高。土壤速效磷含量与土壤总磷含量间呈极显著的正相关关系(r~2=0.802,p0.01),与土壤pH呈显著的负相关关系(r~2=-0.446,p0.05),因此导致了pH偏中性、总磷含量高的柑橘园以及pH偏酸性的菜地土壤中速效磷较高,而偏碱性的自然林地和旱坡地的土壤速效磷含量相对于其他土地利用类型的较低。(3)石盘丘小流域出水口汇集的地表径流中,各形态氮素(总氮、硝态氮、铵态氮)流失浓度及通量较大的月份主要集中在耕作、施肥、降雨期相对重合的年末(2017年12月、2018年11月)与年中(2018年4-6月)。总氮、铵态氮流失通量最大的月份在2018年5月,分别达到1.417 kg/hm~2、0.065 kg/hm~2,NN在5月(0.570 kg/hm~2)也达到了较高水平,但是最大值出现在2018年11月(0.997 kg/hm~2)。硝态氮是小流域氮素流失的主要形态,占总氮流失总量的50.34%,且二者之间浓度存在极显著正相关关系(r~2=0.73,p0.01);铵态氮流失量较少,仅占总氮流失总量的5.06%。总磷、可溶性总磷和正磷酸盐的月流失通量在2018年4月开始逐渐升高,6月达到最大值,分别为0.187 kg/hm~2、0.165 kg/hm~2、0.126 kg/hm~2;颗粒态磷在2018年4-6月流失通量波动范围为0.024-0.027 kg/hm~2,月流失通量在2017年12月达到最大值(0.060 kg/hm~2);磷素的主要流失形态是可溶性总磷,占总磷的79.01%;颗粒态磷流失量较小,占总磷流失总量的21.99%,且总磷与颗粒态磷浓度之间呈极显著相关关系(r~2=0.90,p0.01)。小流域内总氮(5.04 kg/hm~2)的流失通量是总磷(0.53 kg/hm~2)的9.51倍,氮素的非点源污染风险远远大于磷素。因此,对于石盘丘小流域来说,治理非点源污染的重点控制对象是氮素,尤其需要注意防范施肥和降雨期重合时水田氮素的流失;同时还需采取措施防范菜地在强降雨的天气条件下造成的颗粒态磷的流失。
【图文】：

技术路线图,技术路线

磷（总磷、可溶性总磷、正磷酸盐、颗粒态磷）流失浓度时序变化特征，并进一步结合不同土地利用类型下的地表径流流失量，研究了不同土地利用类型下的氮、磷流失通量，并探讨了时空变化对不同土地利用类型下的地表径流氮、磷流失的影响作用。（2）不同土地利用类型下的土壤氮、磷养分特征以小流域内主要的土地利用类型为研究对象，分别采集 3 月和 10 月的土壤，通过室内分析方法，定量比较了 2 个时期菜地、自然林地、柑橘园、旱坡地和水田 5 种主要土地利用类型不同形态氮（总氮、铵态氮、硝态氮、碱解氮）、磷（总磷、有效磷）含量；并进一步测定了土壤其他理化指标，包括土壤 pH、有机质、容重及 CEC，对比分析不同土地利用类型的土壤养分含量对不同土地利用类型下的地表径流氮、磷流失的影响作用。（3）小流域氮、磷流失规律利用小流域出口水文、气象等设备，连续监测了 2017 年 11 月至 2018 年 11 月小流域降雨径流流失量，以及氮、磷等污染物随径流流失的浓度、形态变化特征，并计算小流域的污染物排放通量；进一步结合不同土地利用类型，揭示不同土地利用类型的氮、磷流失特征与小流域氮、磷流失特征的相互关系。2.5 技术路线

采样分布,地理位置

西南大学硕士学位论文Fig. 2.1 Technology roadmap2.6 研究方案2.6.1 研究区概况石盘丘流小域位于重庆市忠县石宝镇（图 2.2），流域位于东经 108°08'~108°12'和北纬30°24'~30°30'之间，地势南部低北部高，属丘陵山区。流域内海拔在 119~780m，山地起伏，低山、丘陵、阶地、低洼地和河谷地相间分布。石盘丘流小域总面积约为 33 hm2，，土壤以中性紫色土、水稻土为主，多年平均降雨量为 1140mm，每年 5 月~9 月为雨季，雨量占全年降水总量的 70%左右。石盘丘小流域各主要土地利用各类型面积由大到小依次为：旱坡地（15.25hm2），柑橘果园（5.51 hm2），自然林地（4.32 hm2），水田（4.19 hm2），菜地（3.07 hm2），占小流域总面积比例分别为 46.2%、16.7%、13.1%、12.7%、9.3%。石盘丘集水区的土地利用、土壤类型以及地貌在三峡库区腹心地带较为典型，可以作为基本水文单元对库区非点源污染物来源与通量进行试验分析。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52

【参考文献】