三峡库区小流域氮磷流失规律与模型模拟研究

发布时间：2019-07-01 10:35

【摘要】：三峡库区是长江中上游地区重要的生态屏障,对整个长江流域生态安全发挥着重要作用。但三峡库区特殊的生态环境条件、人口资源、社会经济状况和来自于三峡工程建设对生态环境的压力使农业面源污染问题十分尖锐,库区面临日趋严重的农业面源污染问题亟待解决。预防和控制库区农业面源污染就必须要了解和掌握其产生的机理、迁移转化的规律,有针对性地采取控制和管理措施,从源头将污染物截留,减少进入河流的污染物总量。作为一个相对独立的汇水单元,小流域是农业面源污染发生发展的源头,开展三峡库区典型小流域农业面源污染中氮磷流失规律和防控措施的研究,对减轻三峡库区水环境压力、维护库区生态环境可持续发展具有重要的理论意义和实践价值。本文以三峡库区腹心地带典型小流域王家沟为研究对象,基于长期田间原位监测和大量实地调研数据,从坡面、子流域尺度研究了不同时空变量因素影响下地表径流氮磷流失动态变化的规律,深入剖析了土地利用类型、稻田空间格局对地表径流氮磷流失的影响机制,探讨了坡面土壤氮磷养分含量与地表径流、浅层地下水氮磷浓度的关系,并在此基础上设计和选择相应的防控措施,利用Ann AGNPS模型对其削减效果进行定量评价,为三峡库区农业面源污染最佳管理措施的制定提供理论依据和参考方案。论文的主要研究结论如下:(1)地表径流氮磷流失时空变化规律及其影响因素研究。利用2014~2015年次降雨坡面、干渠地表径流样品分析得出,春秋两季作物时期地表径流氮磷流失浓度呈明显下降趋势,但春季作物时期(5~7月)下降迅速,秋季作物时期(10~12月)缓慢;夏季空闲时期(8~9月)则呈上升趋势。不同空间监测点春季作物时期地表径流总氮(TN)、总磷(TP)流失浓度空间差异最大,且突出表现为水田监测点远低于其它监测点,夏季空闲时期差异逐渐缩小,秋季作物时期已无明显差异。对旱地、桑树套种地和水田3种主要农用地坡面分析得知,不同时空变量因素对不同形态氮磷流失影响作用不一:坡面地表径流TN流失浓度与所选的时空变量因素均具有显著相关性,硝态氮(NO_3~--N)与之相似,但坡面坡度和降雨强度对其影响作用不显著;铵态氮(NH_4~+-N)流失浓度与榨菜面积比显著正相关,与施肥间隔显著负相关;TP流失浓度与坡面坡度显著正相关,与水稻面积比、叶面积指数显著负相关;总溶解态磷(DTP)流失浓度则与所选变量均无显著性相关关系。坡面地表径流中TN流失以为NO_3~--N主,两者极显著正相关,且随着TN浓度的升高,NO_3~--N占TN的比重也逐步增加;TP则不同,随着TP浓度的升高DTP占TP的比重逐渐减小。子流域尺度上,地表日径流氮磷流失浓度和负荷随时间变化规律和特征更为明显,两个子流域氮磷流失的差异也在其高峰值时段凸显。基于2015年监测数据,两个子流域TN、NO_3~--N和TP月平均流失浓度2~5月稳步上升至年内第一个峰值后,6~7月迅速下降,且月内浮动较大;8~10月再次升高至年内第二个峰值,之后再次下降且月内浮动较小。子流域TN、NO_3~--N和TP全年排放负荷的高峰期集中体现在5月中旬至6月中下旬和9月中旬至10月上旬两个时段,其累积排放负荷占全年排放负荷的75.1%~82.3%,两个子流域氮磷流失负荷的差异也突出表现在这两个时段。(2)土地利用类型对地表径流氮磷流失浓度影响。通过对旱地、桑树套种地和水田3种土地利用类型不同作物时期定量比较得出:春季作物时期3种地类TN、NO_3~--N平均流失浓度差异最大,旱地玉米地TN、NO_3~--N平均流失浓度分别是桑树套种地的1.45、1.42倍,是水田的3.32、4.94倍;水田秋季轮种榨菜后TN、NO_3~--N平均流失浓度分别上升了84.8%、167.8%,而旱地和桑树套种地则有所下降,此时,3种地类差异最小。春季作物时期水田的NH_4~+-N平均流失浓度最高,是桑树套种地的1.78倍,但其TP平均流失浓度最低,只有旱地玉米地的62.1%。次降雨事件进一步比较发现,春季作物时期不同土地利用类型TN流失浓度的差异主要体现在小到中雨事件中,中雨事件更明显,TP则主要体现在大雨事件中;夏季空闲时期有所不同,TN主要体现在大雨事件中,中雨或暴雨差异相对较小,而TP的流失浓度更多的受地表覆盖变化和坡度影响。坡面尺度上,由水田组合而成的复合型坡面春季作物时期TN、TP平均流失浓度显著低于单一型坡面。其中,上坡桑树套种梯田与下坡水田组合的复合坡面3个时期TN、TP平均流失浓度均为最低,旱地梯田单一型坡面均为最高,两者TN、TP平均流失浓度最大相差2.66倍、1.87倍。子流域尺度上,受其土地利用构成差异影响,春、秋两季作物时期的次降雨事件,子流域B的TN、NO_3~--N流失浓度平均高出子流域A约38.1%~56.2%。选取两个子流域土地利用构成差异最大时期(2012年)的地表日径流样品进一步对比发现,从3月中下旬至12月底,子流域B地表日径流TN、NO_3~--N和TP平均流失浓度分别比子流域A高出33.3%、43.7%和67.9%。(3)稻田空间格局对地表径流氮磷流失浓度影响。选取流域内3个坡面稻田面积比、坡度水平相当且空间格局有明显差异的稻田坡面,利用2014~2015年春季作物时期12次自然降雨事件和2次降雨过程采集的样品分析得出:布局于坡底、田块整体性保持较好且最大田块优势度较高的稻田,在不同的雨型条件下对地表径流TN、NO_3~--N和TP平均去除率分别高出坡腰布局的稻田约12.2%、11.6%和18.4%,且中雨和大雨事件差异更为明显。次降雨过程中,3种空间格局稻田TN、NO_3~--N和TP流失浓度在大雨事件降雨前中期(3h左右)差异最明显,而中雨事件则为降雨中后期。与2010年相比,2015年两个子流域稻田减少对地表日径流氮磷流失浓度的影响主要表现为:小到中雨事件和基流时期TN流失浓度明显升高,中到大雨事件TP流失浓度极易呈现跳跃性浮动。(4)不同土地利用类型“土壤-水体”氮磷含量特征及其相互关系。利用2014~2015年采集的土壤样品和2012~2015年采集的浅层地下水样品分析得出:不同地类中,梯田的土壤TN平均含量显著高于其它地类;TP则不同,旱地坡耕地和桑树套种坡耕地土壤TP平均含量显著高于其它地类。坡面土地利用类型对浅层地下水TN、NO_3~--N浓度影响显著,但对TP浓度影响较小;浅层地下水TN浓度与NO_3~--N浓度显著相关,不同坡面浅层地下水中NO_3~--N对TN平均贡献率在67.8%~78.5%之间;浅层地下水TN、NO_3~--N月平均浓度变化规律基本一致,春秋两季农作物施肥后均呈现明显上升趋势,TP略有不同。结合2014~2015年采集的坡面地表径流样品,对坡面土壤氮磷养分含量与浅层地下水、坡面地表径流氮磷浓度的相互关系分析得出:坡面土壤TN、NO_3~--N平均含量与浅层地下水TN、NO_3~--N浓度显著相关,其中,TN呈指数函数关系,NO_3~--N则呈对数函数关系;坡面土壤TN、NO_3~--N、TP平均含量与地表径流TN、NO_3~--N、TP浓度无显著相关性,但当坡面地表径流TP浓度大于0.1mg·L~(-1)时,坡面土壤TP平均含量与其呈显著线性相关;坡面地表径流与浅层地下水TN、NO_3~--N浓度均呈显著的幂函数关系,且NO_3~--N相关性更强。(5)基于Ann AGNPS模型最佳管理措施效果模拟评价。构建了Ann AGNPS模型数据库,利用实测数据对模型的适应性进行校验。模型对径流量的模拟效果最优,总氮的模拟效果优于总磷,不同输出物模拟值与实测值可决系数R2值均大于0.909,Ann AGNPS模型较为适用于三峡库区小流域。不同污染物输出负荷空间分布模拟结果显示,由旱地坡耕地构成的分室单元总氮和总磷单位面积年产出负荷均为最高,平均分别为63.88 kg·hm~(-2)·a~(-1)、5.53 kg·hm~(-2)·a~(-1)。不同管理措施配置方案氮磷模拟削减效果比较来看,基于流域现有的土地利用结构进行优化调整的方案减控效果最明显,总氮、总磷削减率分别为54.3%、63.0%,溶解态和颗粒态氮磷削减率均在47.6%~67.4%之间。由此表明,库区土地利用结构优化调整是农业面源污染治理的重要手段。坡改梯可有效防止颗粒态氮磷流失,将占流域面积约27.1%的旱地坡耕地设置为梯田后,颗粒态氮、磷输出分别减少44.2%、45.7%。减量施肥技术和保护性耕作措施简单易行,总氮、总磷削减率分别可达29.8%、24.3%,效果也较为理想,应作为现阶段三峡库区农业面源污染治理优先考虑的措施。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X52
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本文编号：2508398