流域非点源氮污染的滞后效应定量研究

发布时间：2020-06-22 22:30

【摘要】：随着点源污染逐步受到控制,非点源污染已成为许多水体氮过量的主要原因,不仅严重威胁着水体生态系统健康,而且导致了下游河口、海岸带等水体的富营养化与低氧区问题。然而,不少流域经过多年的非点源污染控制努力,但是水体的氮污染水平并未得到显著降低。非点源氮污染的滞后效应是造成以上尴尬局面的其中一个关键原因。然而,目前对流域非点源氮污染滞后效应的定量认识还很有限,阻碍了氮污染控制进程。基于浙江省永安溪流域1980-2018年连续逐月的水文水质数据以及气象、污染源、土地利用等相关流域属性数据资料,本研究通过多种同位素分析、多模型模拟等,分析了长时间序列的流域人为氮输入和河流氮输出动态特征分析,初步解析了河川径流的组成及水文滞留时长,初步揭示了流域氮输移过程的转化特征,初步估算了当前氮源vs遗留氮源、点源vs非点源、地表径流vs非地表径流(侧向流、地下径流)对河流氮输出通量的贡献,为实现氮污染有效控制提供了关键科学依据。主要研究结果如下:(1)1980-2010 年间净人为氮输入(Net Anthropogenic Phosphorus Inputs,NANI)呈现先增加后降低的趋势,总体净增加了 70%以上。然而,河流总氮(TN)输出通量呈持续增加趋势,总体增加了 90%以上。2000-2010年期间NANI与河流TN输出通量之间呈现相反的变化趋势,这与土地利用方式和NANI组分变化以及滞后效应的影响有关。(2)模型法和同位素正弦波拟合法的估算结果表明,河川径流主要来源于的地下径流(73-91%),而地表径流的贡献较小(9-27%)。与之相对应,年轻水(年龄在44-68天内)的贡献仅为6%-21%,径流汇流过程的平均滞留时间为15.1年。暴雨次数及水田面积可能导致了年轻水比例的时空变异性,而地形因子则是影响平均滞留时间空间变异性的主要因素。以上研究结果表明,永安溪流域存在较为显著的水文滞后性。(3)水文水质和氮氧同位素数据分析结果表明,非点源污染是河流氮污染的主要原因,流域氮输移过程经历了较为显著的硝化反应,但反硝化反应较弱,有利于氮进入深层土壤和地下水系统并逐年累积,从而促进了滞后效应的形成。硝化为主的特征也促进了永安溪氧化亚氮(N2O)的产生。永安溪的N20产释规律与全球荟萃分析结果基本一致,河流N20的释放通量主要由河流氮浓度所决定,而释放因子不仅与可溶性无机氮(DIN)呈显著的负相关关系,还与流量大小、有效碳源浓度呈负的幂函数关系。(4)引入交叉相关分析和“考伊克”转化方法,初步识别了流域氮污染的滞后时长,改进了区域养分管理(ReNuMa)模型,发展了流域氮污染过程动态模型,结合同位素及水文水质数据初步验证了以上模型模拟结果。永安溪流域氮污染的滞后时长为10年以上;每年河流总氮输出中～77%来自遗留氮库,仅～10%来自当年人为输入氮。以上结果与同位素分析结果基本一致,即地下水和土壤氮对河流硝态氮的分别为～50%和30%。(5)1980-2010年期间,人为累计输入的1923 kg N ha-1氮中,25%形成了遗留氮库,使得流域遗留氮量由1980年的380 kg N ha-1 yr-1增加到了 2010年的534 kg N ha-1 yr-1;62%通过反硝化、非收获性植物吸收等过程去除;13%通过河流输出。综上所述,以地下径流为主且具有较长汇流时间、硝化作用强而反硝化作用较弱以及人为氮过量输入,使得永安溪流域非点源氮污染具有显著的滞后效应。所发展的相关模型和方法初步明确了人为氮输入和河流氮输出之间存在的滞后时长以及遗留氮对河流氮污染的贡献。为有效控制河流氮污染,在削减化肥等主要人为氮源的过量输入的同时,需重点关注地下水氮污染的修复和土壤氮的高效管理。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52
【图文】：

溪流,监测点,人居,支流

２．１研究对象概况逡逑２．１．１自然环境状况逡逑永安溪流域（图２．１）位于中国较发达地区，东南部地区的浙江省台州市，其地理逡逑位置的经纬度为：东经丨２０。２１＇２９〃－１２１°０３＇３８〃，北纬２８。３０＇４８＂－２８。５２＇４３〃（图２．丨）。永安逡逑溪发源于浙江省仙居与缙云交界处的天堂尖，自仙居县西南端安岭乡迂回东北，流经缙逡逑云县境，在大源附近折回称曹溪（又名金坑）。在曹店附近与发源于陈岭水壶岗的曹店逡逑港汇合后称永安溪。本研究以柏枝岙监测点以上作为永安溪流域的研究区域，整体流域逡逑面积约为２４７４平方公里，下游出口处约距台州湾５５ｋｍ，最终汇入台州湾和中国东海逡逑（图邋２．１，邋Ｃｈｅｎ邋ｅｔａｌ．，２０１４ａ；郭艺，２０１７）。逡逑／邋－邋ｉ；逦Ｖ％？ｒ＊ｈｅＪ邋Ｂｏｕｎｄａｒｙ逡逑＾逡逑Ｍ伽逡逑Ｘｔ￥０逦Ｉ邋Ｍ00逦３０．８００逡逑图２．１永安溪流域区位图与河水、地下水和雨水监测点《＞其中“Ｍ”代表干流，“Ｔ”逡逑代表支流；下标ａｇｒ

耕作面积,溪流,变化趋势,产水量

１０３．２千卡／ｃｍ２邋（郭艺，２０１７）。地方小气候优越，利于当地作物生长。流域夏季受来自逡逑于热带海洋（太平洋和大西洋）的暖湿气流影响，炎热多雨，台风天气频发；冬季受西逡逑伯利亚吹来的冬季风控制，寒冷干燥（图２．２）。多年平均气温约１７．４邋°Ｃ，邋１月份最冷逡逑（５．８°Ｃ），邋７月份最热（２８．３邋°Ｃ）。全年主导风向为东北风，夏季以西南风为主，冬季则逡逑以西北风为主，四五月份则风速较小，静风频率较高。逡逑Ｅ邋３５０邋逦：逦逡逑￡邋３００逡逑｜邋２５０逦Ｔ邋ｉ邋Ｔ逦Ｔ逡逑ｔ２００逦Ｔ邋ｔ邋Ｉ邋［１逡逑Ｉ１５０；邋Ｍ邋ｎ邋ｎ邋；邋Ｉ邋｜：］逡逑１５：逡逑Ｊａｎ．邋Ｆｅｂ．邋Ｍａｒ．邋Ａｐｒ．邋Ｍａｙ．邋Ｊｕｎ．邋Ｊｕｌ．邋Ａｕｇ．邋Ｓｅｐ．邋Ｏｃｔ．邋Ｎｏｖ．邋Ｄｅｃ．逡逑图２．２邋１９８０－２０１０年永安溪流域月均降水量分布逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｍｏｎｔｈｌｙ邋ａｖｅｒａｇｅ邋ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｙｏｎｇａｎ邋ｗａｔｅｒｓｈｅｄ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｙｅａｒ邋１９８０－逡逑２０１０逡逑永安溪流域１９８０－２０１０年间平均降水量为１４２３ｍｍ邋（图２．３ａ），降水日数为丨４０－１８０逡逑天不等，降雨量在年内分配不均，约６７％的降水集中在５－１０月（图２．２），且降水年际、逡逑年内及地域差异较大。全年共２个明显的雨季，一为五六月份的梅雨期，雨量大但降雨逡逑强度小；二为八九月份的台风期，台风暴雨等灾害性天气频发，降雨强度大，易酿成洪逡逑涝灾害。多年平均陆地蒸发量６７１．５ｍｍ，水面蒸发量可徸１００７．２ｍｍ，其中７－９月伏旱逡逑期

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