湘江与洞庭湖水体氮素时空变化特征及湘江水体中氮浓度预测方法研究

发布时间：2020-08-05 17:27

【摘要】： 湘江是湖南的母亲河,水体污染日趋严重引起社会的广泛关注,随着点源污染的有效控制和治理,农业非点源造成的氮污染成为水体污染的主要因素。本文在全面分析湘江与洞庭湖水体氮素时空变化特征的基础上开展水稻合理施氮研究,为防止湘江发生富营养化、抑制水体氮进一步恶化提供科学依据；同时,优选出湘江水体中氮浓度最佳预测模型,为今后在水环境规划管理和水污染综合防治过程中对湘江水质模拟预测提供一种新的方法和思路。研究主要内容与结论如下：对湘江、洞庭湖水环境因子(水温、pH值、溶解氧)与水体中总氮、氨氮、硝态氮的年度变异特征进行分析,研究结果表明：2006年4月-2007年3月,湘江、洞庭湖水体中水温和溶解氧均表现出显著的季节性变化特征、pH值年内变化不显著；湘江水体中氨氮、硝态氮、总氮浓度变化范围分别为0.03-1.76mg／L、0.02-1.68mg／L、1.11-7.62mg／L,洞庭湖水体中氨氮、硝态氮、总氮浓度变化范围分别为0.03-1.56mg／L、0.04-1.72mg／L、0.04-9.81mg/L；非点源污染对湘江、洞庭湖水体中总氮浓度影响比较大,年内峰值出现在农忙且降水较多的7月或8月；湘江熬洲、乔口以及洞庭湖的万子湖、目平湖等四个断面水体中总氮浓度与水温之间存在显著正相关；湘江熬洲、乔口、鹿角以及洞庭湖的万子湖、目平湖等五个断面水体中氨氮浓度与水温之间存在显著负相关；湘江熬洲、乔口、鹿角三个断面水体中氨氮浓度与溶解氧与之间存在显著正相关。对湘江水环境因子与水体中氨氮、硝态氮、总无机氮的年际变异特征进行分析,研究结果表明：1990～2005年,湘江水体中氨氮、硝态氮、总无机氮浓度年际变化范围分别为0.01-1.50mg／L、0.02-1.28mg／L、0.26-2.29mg／L,硝态氮浓度随年际变化略有上升,大部分年份硝态氮年均浓度高于氨氮；氨氮、硝态氮、总无机浓度与水环境因子年际变化之间相关性均不显著。以湘江干流归阳至衡山段集雨控制区为研究范围,采用灰色系统理论预测法、指数平滑预测法、模糊线性回归预测法、神经网络预测法等四种能捕捉非线性变化规律的预测方法分别构造了控制区输出断面水体中总氮浓度及其有关影响因素的预测模型。以该断面水体中2002～2005年总氮浓度的预测值和已有的实测值为基础数据,以最大拟合误差值、平均误差、平均绝对误差、平均相对误差、平均相对误差绝对值、均方根误差、Theil不等系数等7个衡量预测方法精度的评价指标为依据,运用因子分析法对所建模型进行综合评判,优选出BP神经网络预测模型为该断面水体中总氮浓度未来变化预测的最优拟合模型。并对所优选出的模型进行预测效果分析,可知BP神经网络预测模型在水体总氮浓度预测中完全能满足实际应用对误差的要求,预测合格率为100%。研究表明湘江水体中来源于研究区域内人类活动所产生的非点源总氮负荷量与区域内单位耕地面积氮肥施用量相关性极显著(R=0.899)；并且,研究发现水稻生产中总氮的径流损失总量(y,kg·hm-2)与氮施用量(x,kg·hm-2)存在极显著的线性相关：y=0.0087x+3.5248(r=0.9585,p=0.0036)。基于农业生产中氮肥施用量及施肥方法是影响氮流失的两个能被种植者控制的因子,本文开展水稻生产有机无机肥配合施用以及适宜生态、经济施氮量研究。有机无机肥配合施用大田试验研究结果表明：有机-无机肥料配合施用比纯化肥处理增产135.00-562.OOkg／hm2,增幅9.87%～23.68%；有机无机肥料配合施用比例对水稻产量影响较大,五个有机-无机肥料配合施用处理中,以施50%有机肥：50%无机肥的处理产量最高、达7050.00 kg／hm2,以施60%有机肥：40%无机肥用的处理平均氮素累积量、平均氮素回收率、平均氮素农学利用率最高,分别为：124.25 kg／hm2、31.44%、20.91%。适宜生态、经济施氮量大田试验结果表明：湘江流域水稻生产氮素经济最佳施用量为132.31kg／hm2；在估算出湘江干流归阳至衡山段集雨控制区域内水稻生产中氮肥施用的环境成本的基础上,得到水稻生产氮素生态效益最佳施肥量为129.31kg／hm2。
【学位授予单位】：湖南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X52
【图文】：

网络训练,方法,网络误差

图4一Levenberg-Marquard方法网络训练Fig4一 3ThenetworktrainofL忍venberg一 Marquardalgorithm在图4一1、4一2、4一3中，能够很好体现三种函数在训练中的无擦黑记录与学习速率。Levenberg一Marquard方法只用了n步训练之后，就能够达到网络误差的要求;而梯度下降法经过2000步训练后还远远没有达到网络误差要求;有动量和自适用lr的梯度下降法经过1600步达到网络误差的要求。鉴于以上训练函数的网络收敛性，选择基于数值最优理论的训练函数廿 ainlm(Levenberg一Marquard方法)作为训练函数。23.2网络模拟当网络训练结束之后，训练好的网络权值和神经元闭值保存在wl，bl和b2中。同时，将表4.4中湘江干流归阳至衡山段控制区输出断面2002一2005年总氮变化特征值以及影响该断面氮浓度的区域内农药使用量、氮肥使用量、生活污水和工业废水中氨氮总量、大家畜数量、家禽数量、水产品总产量、总人口数、湘江流入研究区域的断面浓度的因素变化值等学习样本输入网络，进行运算，得到该断面水体中2002一2005年总氮浓度为 :1.12omg·L一

表面水,总氮,施氮量

图5一不同施氮量处理对双季稻田表面水总氮浓度的影响Flgs并Thee拓沈 tsofsurfaCewaterTNindlfferentnitn艰enaPPli咖ontr巴山旧entofdoublericefield由图5一4可以看出，不施肥处理的表面水总氮仅表现移栽后有所抬升，随后逐渐下降，至巧天后趋于平稳。由于碳酸氢按极易溶于水，其他三种处理表面水总氮浓度均在第1天达到最高值，其后随时间的推移而下降，但在巧天时由于追施尿素而使表面水浓度有所上升，其后又随时间的推移而浓度下降。

硝氮,表面水,施氮量,水迁移

图5一5不同施氮量处理对双季稻田表面水硝氮浓度的影响F梦一尸fl姆e价比ofsur企cew副睑 rNQ3一indi蛋淤喊n恤 genaPPli画on旅别m。滋ofd以止 lerieefield由图5一5可以看出，表层水中的硝态氮浓度峰值出现在施肥后的第7天，这可能是由于碳钱施入水体后，需要一定的时间转化为硝态氮。7天以后浓度迅速下降，这可能与硝酸盐氮易随水迁移有关，5月3~5号发生了一次24小时的降雨，降雨量达24.6~，5月8~9号又发生了一次30小时的降雨

【引证文献】