三峽庫區(qū)小流域氮磷流失規(guī)律與模型模擬研究.pdf

1、三峽庫區(qū)是長江中上游地區(qū)重要的生態(tài)屏障，對(duì)整個(gè)長江流域生態(tài)安全發(fā)揮著重要作用。但三峽庫區(qū)特殊的生態(tài)環(huán)境條件、人口資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況和來自于三峽工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力使農(nóng)業(yè)面源污染問題十分尖銳，庫區(qū)面臨日趨嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染問題亟待解決。預(yù)防和控制庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染就必須要了解和掌握其產(chǎn)生的機(jī)理、遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律，有針對(duì)性地采取控制和管理措施，從源頭將污染物截留，減少進(jìn)入河流的污染物總量。作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的匯水單元，小流域是農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生

2、發(fā)展的源頭，開展三峽庫區(qū)典型小流域農(nóng)業(yè)面源污染中氮磷流失規(guī)律和防控措施的研究，對(duì)減輕三峽庫區(qū)水環(huán)境壓力、維護(hù)庫區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。本文以三峽庫區(qū)腹心地帶典型小流域王家溝為研究對(duì)象，基于長期田間原位監(jiān)測(cè)和大量實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，從坡面、子流域尺度研究了不同時(shí)空變量因素影響下地表徑流氮磷流失動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律，深入剖析了土地利用類型、稻田空間格局對(duì)地表徑流氮磷流失的影響機(jī)制，探討了坡面土壤氮磷養(yǎng)分含量與地表徑流、淺層地下

3、水氮磷濃度的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和選擇相應(yīng)的防控措施，利用AnnAGNPS模型對(duì)其削減效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，為三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染最佳管理措施的制定提供理論依據(jù)和參考方案。研究主要內(nèi)容包括：
　?、诺乇韽搅鞯琢魇r(shí)空變化規(guī)律及其影響因素研究。利用2014~2015年次降雨坡面、干渠地表徑流樣品分析得出，春秋兩季作物時(shí)期地表徑流氮磷流失濃度呈明顯下降趨勢(shì)，但春季作物時(shí)期（5~7月）下降迅速，秋季作物時(shí)期（10~12月）緩慢；夏季空閑

4、時(shí)期（8~9月）則呈上升趨勢(shì)。不同空間監(jiān)測(cè)點(diǎn)春季作物時(shí)期地表徑流總氮（TN）、總磷（TP）流失濃度空間差異最大，且突出表現(xiàn)為水田監(jiān)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)低于其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)，夏季空閑時(shí)期差異逐漸縮小，秋季作物時(shí)期已無明顯差異。對(duì)旱地、桑樹套種地和水田3種主要農(nóng)用地坡面分析得知，不同時(shí)空變量因素對(duì)不同形態(tài)氮磷流失影響作用不一：坡面地表徑流TN流失濃度與所選的時(shí)空變量因素均具有顯著相關(guān)性，硝態(tài)氮（NO3--N）與之相似，但坡面坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)其影響作用不顯著；銨

5、態(tài)氮（NH4+-N）流失濃度與榨菜面積比顯著正相關(guān)，與施肥間隔顯著負(fù)相關(guān)；TP流失濃度與坡面坡度顯著正相關(guān)，與水稻面積比、葉面積指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)；總?cè)芙鈶B(tài)磷（DTP）流失濃度則與所選變量均無顯著性相關(guān)關(guān)系。坡面地表徑流中TN流失以為NO3--N主，兩者極顯著正相關(guān)，且隨著TN濃度的升高，NO3--N占TN的比重也逐步增加；TP則不同，隨著TP濃度的升高DTP占TP的比重逐漸減小。子流域尺度上，地表日徑流氮磷流失濃度和負(fù)荷隨時(shí)間變化規(guī)律和特

6、征更為明顯，兩個(gè)子流域氮磷流失的差異也在其高峰值時(shí)段凸顯。基于2015年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，兩個(gè)子流域 TN、NO3--N和TP月平均流失濃度2~5月穩(wěn)步上升至年內(nèi)第一個(gè)峰值后，6~7月迅速下降，且月內(nèi)浮動(dòng)較大；8~10月再次升高至年內(nèi)第二個(gè)峰值，之后再次下降且月內(nèi)浮動(dòng)較小。子流域TN、NO3--N和TP全年排放負(fù)荷的高峰期集中體現(xiàn)在5月中旬至6月中下旬和9月中旬至10月上旬兩個(gè)時(shí)段，其累積排放負(fù)荷占全年排放負(fù)荷的75.1%~82.3%，兩個(gè)子流

7、域氮磷流失負(fù)荷的差異也突出表現(xiàn)在這兩個(gè)時(shí)段。
　?、仆恋乩妙愋蛯?duì)地表徑流氮磷流失濃度影響。通過對(duì)旱地、桑樹套種地和水田3種土地利用類型不同作物時(shí)期定量比較得出：春季作物時(shí)期3種地類TN、NO3--N平均流失濃度差異最大，旱地玉米地TN、NO3--N平均流失濃度分別是桑樹套種地的1.45、1.42倍，是水田的3.32、4.94倍；水田秋季輪種榨菜后TN、NO3--N平均流失濃度分別上升了84.8%、167.8%，而旱地和桑樹套種地

8、則有所下降，此時(shí)，3種地類差異最小。春季作物時(shí)期水田的NH4+-N平均流失濃度最高，是桑樹套種地的1.78倍，但其TP平均流失濃度最低，只有旱地玉米地的62.1%。次降雨事件進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，春季作物時(shí)期不同土地利用類型TN流失濃度的差異主要體現(xiàn)在小到中雨事件中，中雨事件更明顯，TP則主要體現(xiàn)在大雨事件中；夏季空閑時(shí)期有所不同，TN主要體現(xiàn)在大雨事件中，中雨或暴雨差異相對(duì)較小，而TP的流失濃度更多的受地表覆蓋變化和坡度影響。坡面尺度上，由

9、水田組合而成的復(fù)合型坡面春季作物時(shí)期 TN、TP平均流失濃度顯著低于單一型坡面。其中，上坡桑樹套種梯田與下坡水田組合的復(fù)合坡面3個(gè)時(shí)期 TN、TP平均流失濃度均為最低，旱地梯田單一型坡面均為最高，兩者TN、TP平均流失濃度最大相差2.66倍、1.87倍。子流域尺度上，受其土地利用構(gòu)成差異影響，春、秋兩季作物時(shí)期的次降雨事件，子流域B的TN、NO3--N流失濃度平均高出子流域A約38.1%~56.2%。選取兩個(gè)子流域土地利用構(gòu)成差異最大時(shí)

10、期（2012年）的地表日徑流樣品進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從3月中下旬至12月底，子流域B地表日徑流TN、NO3--N和TP平均流失濃度分別比子流域A高出33.3%、43.7%和67.9%。
　?、堑咎锟臻g格局對(duì)地表徑流氮磷流失濃度影響。選取流域內(nèi)3個(gè)坡面稻田面積比、坡度水平相當(dāng)且空間格局有明顯差異的稻田坡面，利用2014~2015年春季作物時(shí)期12次自然降雨事件和2次降雨過程采集的樣品分析得出：布局于坡底、田塊整體性保持較好且最大田塊優(yōu)勢(shì)

11、度較高的稻田，在不同的雨型條件下對(duì)地表徑流 TN、NO3--N和 TP平均去除率分別高出坡腰布局的稻田約12.2%、11.6%和18.4%，且中雨和大雨事件差異更為明顯。次降雨過程中，3種空間格局稻田TN、NO3--N和TP流失濃度在大雨事件降雨前中期（3h左右）差異最明顯，而中雨事件則為降雨中后期。與2010年相比，2015年兩個(gè)子流域稻田減少對(duì)地表日徑流氮磷流失濃度的影響主要表現(xiàn)為：小到中雨事件和基流時(shí)期TN流失濃度明顯升高，中到大

12、雨事件TP流失濃度極易呈現(xiàn)跳躍性浮動(dòng)。
　?、炔煌恋乩妙愋汀巴寥?水體”氮磷含量特征及其相互關(guān)系。利用2014~2015年采集的土壤樣品和2012~2015年采集的淺層地下水樣品分析得出：不同地類中，梯田的土壤TN平均含量顯著高于其它地類；TP則不同，旱地坡耕地和桑樹套種坡耕地土壤TP平均含量顯著高于其它地類。坡面土地利用類型對(duì)淺層地下水TN、NO3--N濃度影響顯著，但對(duì)TP濃度影響較小；淺層地下水TN濃度與NO3--N濃度

13、顯著相關(guān)，不同坡面淺層地下水中 NO3--N對(duì) TN平均貢獻(xiàn)率在67.8%~78.5%之間；淺層地下水TN、NO3--N月平均濃度變化規(guī)律基本一致，春秋兩季農(nóng)作物施肥后均呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，TP略有不同。結(jié)合2014~2015年采集的坡面地表徑流樣品，對(duì)坡面土壤氮磷養(yǎng)分含量與淺層地下水、坡面地表徑流氮磷濃度的相互關(guān)系分析得出：坡面土壤TN、NO3--N平均含量與淺層地下水TN、NO3--N濃度顯著相關(guān)，其中，TN呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，NO3--

14、N則呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系；坡面土壤TN、NO3--N、TP平均含量與地表徑流TN、NO3--N、TP濃度無顯著相關(guān)性，但當(dāng)坡面地表徑流TP濃度大于0.1mg·L-1時(shí)，坡面土壤TP平均含量與其呈顯著線性相關(guān)；坡面地表徑流與淺層地下水TN、NO3--N濃度均呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，且NO3--N相關(guān)性更強(qiáng)。
　?、苫贏nnAGNPS模型最佳管理措施效果模擬評(píng)價(jià)。構(gòu)建了AnnAGNPS模型數(shù)據(jù)庫，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型的適應(yīng)性進(jìn)行校驗(yàn)。模型對(duì)徑流

15、量的模擬效果最優(yōu)，總氮的模擬效果優(yōu)于總磷，不同輸出物模擬值與實(shí)測(cè)值可決系數(shù)R2值均大于0.909，AnnAGNPS模型較為適用于三峽庫區(qū)小流域。不同污染物輸出負(fù)荷空間分布模擬結(jié)果顯示，由旱地坡耕地構(gòu)成的分室單元總氮和總磷單位面積年產(chǎn)出負(fù)荷均為最高，平均分別為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擬削減效果比較來看，基于流域現(xiàn)有的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的方案減控效果最明顯，總氮、

16、總磷削減率分別為54.3%、63.0%，溶解態(tài)和顆粒態(tài)氮磷削減率均在47.6%~67.4%之間。由此表明，庫區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整是農(nóng)業(yè)面源污染治理的重要手段。坡改梯可有效防止顆粒態(tài)氮磷流失，將占流域面積約27.1%的旱地坡耕地設(shè)置為梯田后，顆粒態(tài)氮、磷輸出分別減少44.2%、45.7%。減量施肥技術(shù)和保護(hù)性耕作措施簡單易行，總氮、總磷削減率分別可達(dá)29.8%、24.3%，效果也較為理想，應(yīng)作為現(xiàn)階段三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理優(yōu)先考慮的措