北京山区森林植被对非点源污染的生态调控机理研究

发布时间：2020-04-22 04:23

【摘要】： 本文在密云水库上游流域选取北京山区的2个典型林分(油松人工林和栎柏人工混交林)作为研究对象,设置固定和临时标准地进行了长期的对大气降水和凋落物等生态因子的连续观测,同时在野外建立径流小区和在室内利用土槽,通过便携式和针头式人工降雨器模拟人工降雨试验的方法,分析了典型森林生态系统的水文生态特征、非点源污染物氮、磷、钾在典型森林生态系统的生物地球化学循环规律和非点源污染物在坡面尺度的迁移规律以及森林植被对非点源物迁移的影响,揭示了森林植被生态调控非点源污染的机理,在此基础上使用非点源污染模拟模型SWAT,对流域尺度上的非点源污染进行了模拟。得出如下结论: 单次降水过程的观测表明,油松人工林和栎柏混交林林冠截留量、穿透降水量和树干茎流量占林外降水的比例分别为7.23～87.39%、12.56～91.58%、0.007～1.77%和0.53%～33.67%、64.57%～93.71%、1.76%～5.76%;平均截留率分别为31.67%和18.94%。油松人工林和栎柏混交林枯落物最大持水量分别为2.45mm和1.27mm。油松林地0～30cm土层的最大贮水能力和有效贮水能力分别为204.90mm和68.23mm,栎柏林地的为160.80mm和41.87mm,灌木林地的为161.10mm和39.90mm,荒草地的为123.45mm和12.36mm。研究结果表明,森林生态系统的林冠层、林地枯落物层和林地土壤层改变和调节水文的作用显著,能够有效减少非点源污染发生的原动力。大气降水经过油松人工林后,其穿透降水与树干茎流中N、P、K含量均有不同程度的增加,通过降水淋溶输入的归还量为31.56kg·hm~(-2)。33年生油松人工林年凋落物量为2193.75kg·hm~(-2),凋落物中N、P、K的年归还量为18.00kg·hm~(-2);油松人工林凋落物现存量为13.70t·hm~(-2),油松人工林凋落物层N、P、K总贮量为162.44kg·hm~(-2)。油松林乔木层的现存生物总量为82152.01kg·hm~(-2),乔木层现存生物量N、P、K积累总量为612.37kg·hm~(-2)。油松人工林生态系统从土壤中吸收N、P、K的总量为126.58kg·hm~(-2)·a~(-1),其中77.01kg·hm~(-2)·a~(-1)存留于油松人工林中,49.56kg·hm~(-2)·a~(-1)通过淋溶和凋落物归还土壤。大气降水经过栎柏混交林冠层和树干后N、P、K含量在穿透降水中均呈增加趋势,树干茎流中的N、K含量也大幅度增加,但P含量却略微减少,通过降水淋溶输入的归还量为16.48kg·hm~(-2)。12年生栎柏混交林的年凋落物量为1455.71kg·hm~(-2),混交林凋落物中N、P、K的年归还总量为14.06kg·hm~(-2);凋落物层现存量约为5.66t·hm~(-2),凋落物层N、P、K总贮量为50.72kg·hm~(-2)。栎柏混交林乔木层生物现存量为31624.13kg·hm~(-2),现存生物量的N、P、K积累量为273.25kg·hm~(-2)。栎柏混交林生态系统从土壤中吸收N、P、K总量为54.96kg·hm~(-2)·a~(-1),其中24.42kg·hm~(-2)·a~(-1)(44.43%)存留于混交林中,30.54kg·hm~(-2)·a~(-1)(55.57%)通过凋落物和淋溶归还土壤。研究结果表明森林生态系统有较强的吸收和转化非点源污染物的能力。室内人工降雨试验结果表明,降雨强度、坡度和前期土壤含水量对坡地溶质迁移影响显著。径流中N、P、K含量和流失量一般随着雨强、坡度和前期含水量的增加而增高。野外人工降雨试验结果表明,枯落物覆盖度越大,消减径流和泥沙的作用越明显;枯落物覆盖对非点源污染物氮、磷、钾的流失有双重效应,一方面增加了降雨径流与表层土壤的相互作用,加剧了磷和钾向地表径流中的释放,使得径流中磷和钾含量增大以及泥沙中氮、磷、钾含量的增加;另一方面,由于枯落物覆盖降低了雨滴的溅蚀能力,拦蓄和减缓了径流、泥沙的产生,从而减少了非点源污染物的流失总量。 SWAT模型模拟结果表明,森林植被的增加能够有效减少非点源污染物的流失;不同土地利用类型对土壤侵蚀和非点源污染的产生具有很大的影响,其中以植被覆盖较少的其他土地利用类型土壤侵蚀和非点源污染物负荷模数较大,而林地减少土壤侵蚀和非点源污染负荷的作用显著;随着降水量的递增,泥沙量、有机氮负荷量、有机磷负荷量和硝态氮负荷量呈现出幂函数递增趋势,而泥沙吸附态磷负荷量呈指数函数递增趋势。本文针对北京山区非点源污染的现状和特点,结合国内外的研究成果,提出了植物篱和河岸带森林植被缓冲系统两种有效的控制非点源污染的对策。
【图文】：

怀柔水库,流域,位置图

根据 1990 统计资料，本地区共有大小乡镇企业 153 家，职工数为 15135 人，主要是从事机械、食品加工业、采矿业、修理业等，其设备水平较低，技术簿弱远未形成规模化生产。在农业总产值中，种植业为 10080.7 万无，林业为 2033 万元，牧业为 10160.7 万元，副业为 1201.3 万元，渔业为 690.2 万元。从中可以看出：牧业产值最高，其次为种植业，这充分说明该区域的农业经济是以牧业、种植业、林业为主导的山区经济类型。2.2 怀柔水库流域自然和社会经济概况2.2.1 地理位置怀柔水库位于北京市怀柔区城西，，潮白河支流怀河山峡出口，流域总面积为525km2，水文站以上控制流域面积为 487km2域面占总流域面积的 90%以上。水库上游分为南北两支流，南支怀九河流域面积为 332km2，主河道长 62km，河道纵坡为5.65‰，北支怀沙河流域 155km2，主河道长 36 km2，河道纵坡 6.00‰。如下图 2-2所示。

试验区,位置,次数,降雨量

图 2-3 试验区位置Fig.2-3 Location of experimental plot表 2-5 研究期间不同雨量级的降雨量及次数统计Tab.2-5 Statistics of different rainfall levels and times in study session2003 年 2004 年 2005 年 2006 年200降雨标准降雨量级(mm/次)降雨(mm)次数(％)降雨(mm)次数(％)降雨(mm)次数(％)降雨(mm)次数(％)降雨(mm)0~571.8 61 9.89 39.4 14 4.88 23.5 15 2.68 37.5 15 7.3025.3 小雨5~10 46.9 7 6.46 120.6 14 14.94 35.4 6 4.03 144.9 19 28.20 106 10~15 35.8 3 4.93 40.8 3 5.05 48.4 4 5.51 54.8 4 10.66 74.9 中雨15~25 284.1 14 39.15 155.5 8 19.26 95.2 5 10.85 86.2 5 16.77 114.7 25~35 29.7 1 4.09 127.2 4 15.76 179.2 6 20.42 60.5 2 11.77 95.3 大雨35~50 120.4 2 16.59 201.7 5 24.99 126.5 3 14.41 78 2 15.18 84.5 50~70 0 0 0 122 2 15.11 69.5 1 7.92 52 1 10.12 0 暴雨70~100 0 0 0 0 0 0 80.4 1 9.16 0 0 0 74.0 暴雨 100~200 137 1 18.88 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特大
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X52

【参考文献】