黄土高原磷湿沉降特征及其对坝系流域磷输出影响-以羊圈沟为例

对黄土高原坝系流域磷(P)的湿沉降过程进行动态监测,分析了降雨-径流过程中各形态磷的输出变化,探讨了黄土高原坝系流域磷湿输出分异特征及其对水体的影响.结果表明:2015年湿季(7、8月)共11场降雨,产生的磷湿沉降负荷为30.8 kg,磷湿沉降通量为0.16kg·hm~(-2),干季(9月)共3场降雨,产生的磷湿沉降负荷为20.51 kg,磷湿沉降通量为0.11 kg·hm~(-2),干湿季磷湿沉降负荷呈现出明显差异性;选取3场降雨过程(降雨量从小到大)进行动态分析发现,流域磷湿沉降负荷分别为3.33、7.51和6.35 kg,相应的本地区磷湿沉降通量依次为0.02、0.04、0.03 kg·hm~(-2),3场降雨总磷(TP)的输出负荷为1.5×10-3kg,溶解性总磷(DTP)的输出负荷为1.24×10~(-3)kg,PO_4~(3-)-P的输出负荷为7×10-4kg,表明该地区磷湿沉降以可溶性磷为主.根据单因子评价方法中的标准指数法,发现流域水质不能满足Ⅴ类水质标准,应对流域水体加强管理.     

南方红壤区氮湿沉降特征及其对流域氮输出的影响

本研究通过对江西千烟洲香溪流域雨季氮湿沉降及径流过程进行监测,分析降雨及径流过程的各形态氮浓度变化,探讨南方红壤区氮湿沉降特征及其对流域氮输出的影响.结果表明:1 2014年雨季(3~6月)共27场降雨,产生的氮湿沉降负荷达43.64~630.59 kg,氮沉降通量为0.44~6.43 kg·hm-2,呈现出极大的季节变异性;2对其中3场降雨过程进行动态分析发现,当降雨量为8~14 mm时,流域氮沉降负荷达18.03~41.16 kg,而该地区氮湿沉降通量为0.18~0.42 kg·hm-2.其中3场次降雨事件导致流域水体的总径流量为4 189.38 m3,TN总流失负荷16.72 kg,输出通量为4.64 kg·hm-2;DTN总流失负荷为9.64 kg,输出通量为2.68 kg·hm-2;NH+4-N总流失负荷2.93 kg,输出通量为0.81 kg·hm-2;NO-3-N总流失负荷5.60 kg,输出通量为1.56 kg·hm-2.3流域氮湿沉降对流域氮输出的贡献率约为56%~94%,说明降雨对流域氮流失影响巨大,并以硝酸盐为主,流域水体中总氮浓度超过河流水体富营养化阈值(1.5 mg·L-1)存在发生富营养化的隐患.     

三峡库区兰陵溪小流域径流氮磷输出及其降雨径流过程特征

以三峡库区兰陵溪农林复合系统小流域为研究对象,对小流域氮磷流失量及其浓度进行连续监测,结合丰水期次降雨分析径流氮、磷输出变化特征及其响应过程.结果表明:(1)小流域雨季径流总量为50.92×10~4m~3,输出总氮载荷为52.43kg·hm~(-2),其中以硝态氮(30.26 kg·hm~(-2))和颗粒态氮(21.61 kg·hm~(-2))为主体,输出总磷为0.10 kg·hm~(-2);(2)降雨量分布具有阶段性特征,丰水期强降雨是土壤养分输出的主要驱动,其降雨径流贡献了雨季88%的总氮和90%的总磷流失;(3)小流域土壤养分氮、磷主要经由降雨形成地表径流过程输出,占养分总流失量的68%和74%;(4)降雨径流过程硝态氮浓度与径流量表现为负相关,养分输出主要在径流过程后期;径流的氨氮、总磷浓度与降雨量显著正相关,输出主要在径流过程前期;(5)雨季流域水体总氮浓度超标,降雨或非降雨期间均属劣Ⅴ类水质.     

黄土高原坝系流域干湿季交替下氮输出特征及其源解析:以羊圈沟为例

本研究通过对干湿季氮湿沉降过程、降雨过程及基流过程进行动态监测,分析干湿季交替下降雨及基流过程的各形态氮浓度变化,探讨黄土高原坝系流域氮湿沉降对流域氮输出的影响并利用同位素方法解析氮输出来源.结果表明,2015年湿季(7、8月)共11场降雨,产生的氮湿沉降负荷约达814.18 kg,氮沉降通量约为4.26 kg·hm-2;干季(9月)共3场降雨,产生的湿沉降负荷约达155.58 kg,氮沉降通量为0.83 kg·hm-2,呈现出极大的季节变异性.通过对其中4场降雨过程进行动态分析发现,不同降雨强度对水体氮输出过程影响不同,4场降雨对流域水体的氮贡献量为16.94 kg.降雨径流氮输出负荷占流域水体氮输出负荷的比率为14.45%~64.84%,说明降雨对流域水体氮输出贡献很大.羊圈沟坝系流域δ15N变化范围较大,为-0.844‰~12.791‰,δ18O值在8.166‰~15.115‰范围内波动.     

典型岩溶地区岩溶泉溶解性碳浓度变化及其通量估算

溶解性无机碳(DIC)和溶解性有机碳(DOC)是岩溶作用、碳汇与碳循环研究的重要指标.为增进对小流域岩溶泉DIC和DOC运移特征的认识,提升离散、有限的水质监测数据条件下碳通量的估算精度,研究了贵州普定陈旗岩溶泉DIC和DOC浓度的变化特征,采用LOADEST模型建立了估算DIC和DOC日通量的回归方程,并估算了陈旗岩溶泉的岩溶碳汇强度.结果表明,陈旗岩溶泉DIC和DOC的浓度分别为16. 47～42. 31 mg·L~(-1)和0. 87～6. 89 mg·L~(-1),它们分别随瞬时径流量的增加呈指数减小和增加.从LOADEST模型构建的回归方程可知,DIC日通量主要受径流量的影响,DOC日通量受径流量和时间的影响;陈旗岩溶泉DIC和DOC的估算通量分别为9 490. 01 kg·a~(-1)和1 704. 87 kg·a~(-1),陈旗岩溶泉的岩溶碳汇强度为3. 40 g·(m~2·a)~(-1). LOADEST模型是低频率水质监测条件下估算岩溶泉DIC和DOC通量的有效工具.     

闽江下游不同碳组分及其通量特征

河流连接着地表主要碳库,在全球碳循环中发挥着重要作用.河流水体中不同碳组分的水平输送、水-气界面通量及其比例对认识河流在区域碳循环的作用具有重要意义.2013年11月-2014年10月在闽江下游竹岐水文站连续进行采样,分析水样中c（DIC）（dissolved inorganic carbon,溶解性无机碳）、c（DOC）（dissolved organic carbon,溶解性有机碳）和c（POC）（particulate organic carbon,颗粒性有机碳）,并结合相关参数估算闽江不同碳组分的水平及垂直通量.结果表明:① c（DIC）、c（DOC）、c（POC）分别为230~892、112~209、14~183 μmol/L.②调查期间闽江总碳水平通量达46×1010 g/a,其中,DIC水平通量为29×1010 g/a,占总碳水平通量的63%;POC水平通量为6×1010 g/a,相当于DOC水平通量（11×1010 g/a）的55%.③不同组分的季节变化特征不同,c（DIC）在丰水期较低、枯水期升高,表明DIC输出受流域生态系统的供应限制;各月c（DOC）变化不大,表明流域DOC输出潜力较大;c（POC）在丰水期明显升高,枯水季较低;溶解态碳是河水碳组分的主要部分;年内各月DIC水平通量分配较均匀,有机碳水平通量集中在丰水期.④闽江竹岐水体pCO₂（二氧化碳分压）为1 500~6 400 μatm（1 atm=101 325 Pa）,是大气CO₂的"源",闽江下游水-气界面CO₂垂直通量约为DIC水平通量的2%,闽江下游河流DIC输出以水平输出为主.建议今后进一步开展闽江中典型流域和水域的碳组分调查,加强闽江碳组分输出的控制机制研究.      

山东省降雨和降雪中溶解有机碳、溶解无机碳和总氮的浓度变化及来源分析

测定了2014年山东省青岛、烟台和泰安三地32场降雨和4场降雪中溶解有机碳(DOC)、溶解无机碳(DIC)和溶解总氮(DN)的浓度.结果显示,降雨和降雪中DOC、DIC和DN的浓度具有很大的变化区间,范围分别为28~616μmol·L-1、22~371μmol·L-1和10~355μmol·L-1,平均浓度与其他研究报道的我国其它地区降雨中的浓度相当,但高于世界其它地区降雨中的相应浓度.溶解碳和溶解氮是山东降雨中重要的化学污染组分.分析发现,相对于陆地生成的降雨,海洋生成的降雨中含有较低的DOC、DIC和DN,说明雨水中溶解的碳和氮主要来自陆地人类向大气的排放.碳-14同位素分析结果证实,降雨中的DOC具有很老的年龄(平均达2840 a),主要来自化石燃料的排放,而雨水中的DIC主要来自大气中含碳酸盐的悬浮颗粒物的溶解;人类的排放也是造成雨水中高浓度DN的主要来源.计算结果表明,2014年山东降雨年输送通量分别为:DOC 1.51 g·m-2·a-1(以C计)、DIC 0.86 g·m-2·a-1(以C计)、DN 1.18 g·m-2·a-1(以N计),DOC通量与世界各地的降雨中DOC通量相当.降雨和降雪过程不仅是去除大气中可溶性碳氮污染物的重要途径,同时也是全球碳和氮循环过程中的重要一环.局部地区富营养化的降雨过程亦可能对陆地和海洋生态系统产生不可忽视的影响.     

高寒山区典型小流域河流溶解性有机碳输出的年内变化及其成因

高寒山区河流溶解性有机碳(DOC)的输出可能有别于北极、亚北极地区,但却少有人研究。选取青藏高原黑河上游的典型高寒小流域——葫芦沟流域为研究对象,通过流域出口处河水DOC浓度的连续观测,分析了河水DOC输出的季节性变化规律,并探讨了流域水文过程对河水DOC输出的影响。结果表明:河水的DOC通量与河道径流量的变化趋势一致,从冬季至春季逐渐降低,夏季急剧增高,秋季又逐渐降低;河水DOC浓度的变化则恰好相反,冬季时最高,春季时略有下降,夏季时急剧降至最低值,秋季再次增高;河水DOC的输出主要集中在夏、秋两季,7~11月份的输出量占河水DOC年输出总量的80%。各水源和流动路径对河水贡献比例的变化是导致上述季节性差异的深层机制:在夏季,低DOC浓度的冰川融水和山区产流对径流有更高的贡献,故河水具有较低的DOC含量,但因其流量远高于其他季节,故DOC通量为全年最高;秋季至初冬,高DOC浓度的寒甸带冻土层上水对径流贡献比例逐渐增大,导致河水的DOC浓度增高;冬季时,河水全部源于秋季时储存在平原区含水层中的高DOC浓度的地下水,故河水的DOC浓度最高;春季中后期,除秋季时储存起来的地下水外,具有较高DOC浓度和极低溶解性无机碳(DIC)浓度的寒甸带融雪水对河水也有一定贡献,故河水DOC浓度变化不大,但其DIC浓度明显降低。     

龙川江楚雄站碳侵蚀通量的动态分析

选取龙川江楚雄水文站进行了为期3年的采样,分析了水体中各形式碳的含量,并估算各碳的输送通量.结果表明:楚雄站3年的碳通量(FTC)分别为27.12×106g·km-2·a-1、24.87×106g·km-2·a-1和10.34×106g·km-2·a-1,分析流域在对碳输送过程中,以输送无机碳为主,分别占输送总量的89.7%、90.3%及91.9%;而汛期碳输送量分别占全年总量的90.9%、84.9%和83.8%,表现出流域汛期对碳的搬运量远远高于非汛期;溶解性有机碳通量(FDOC)与颗粒有机碳通量(FPO C)平均比为0.82,不同季节表现情况不一,非汛期溶解性有机碳(DOC)与颗粒有机碳(POC)含量相当,汛期机械侵蚀作用增强,导致FPO C远远大于FDOC,反映汛期对流域侵蚀作用以机械剥蚀为主,化学侵蚀为辅.研究期内恰遇2008年一场洪水,11月碳的侵蚀通量为8.53×106g·km-2·a-1,其中溶解性无机碳(DIC)、溶解性有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)的输送量分别为7.37×106、0.36×106、0.80×106g·km-2·a-1,分别占2008年全年相应形式碳总量的33.3%、34.4%和59.9%,为当年非汛期碳侵蚀总量的2.3倍,反映洪水期的碳输出量对流域碳输出总量及构成存在不可忽略的贡献.     

三峡库区石盘丘小流域氮磷输出形态及流失通量

小流域作为三峡库区非点源污染源头,是缓解水体水质恶化的重点防控对象.在三峡库区选取具有多种土地利用类型的石盘丘小流域为研究对象,对流域出水口断面水量水质进行连续监测,分析了小流域氮、磷污染物随降雨径流流失的浓度及形态变化特征,并计算小流域的污染物流失通量,分析影响氮、磷养分流失的主要人为和自然因素,对农业非点源污染特别是三峡库区的农业非点源污染研究具有相当重要的现实意义.结果表明,流域降雨量随季节变化明显,降雨多分布在4～6月,为小流域氮、磷流失的主要输出时期,占全年总氮、总磷负荷的58.94%和67.60%.石盘丘小流域年径流总量为8.02×10~4 m~3,总氮年流失通量为5.04 kg·hm~(-2),其中以硝态氮(2.54 kg·hm~(-2))为流失主体;输出总磷为0.534 kg·hm~(-2),可溶性总磷(0.422kg·hm~(-2))占总磷流失通量的79.00%.因此,对于石盘丘小流域来说,需要注意防范施肥和降雨期重合时水田氮磷流失.     

三峡库区典型紫色土小流域径流及氮磷流失特征

为了解三峡库区典型紫色土小流域径流污染特征,对新政小流域典型土地利用类型下降雨-径流时间过程和小流域集水区出口径流中氮磷浓度进行动态监测,监测分析库区小流域氮磷在降雨径流中的流失规律.结果表明,小流域径流氮磷损失量分别为13. 69 kg·(hm~2·a)-1和1. 50 kg·(hm~2·a)-1.农肥所含氮磷及降雨冲刷是小流域径流污染的主要原因.小流域的总氮(TN)和总磷(TP)平均浓度达10. 05 mg·L~(-1)和1. 10 mg·L~(-1),远超过富营养化发生标准,须引起关注.本研究观测的两场降雨中,8月15日降雨中硝态氮(NN)和颗粒态磷(PP)分别为69. 47 kg和6. 83 kg,分别占TN和TP的53. 91%和53. 78%; 8月26日降雨中NN、氨氮(AN)和PP分别为6. 68、5. 61和1. 36 kg,分别占TN和TP的37. 74%、31. 69%和57. 63%,表明氮素流失主要通过可溶态的方式,而磷素迁移则以颗粒态为主.小流域强降雨对于氮磷流失的影响显著.这与紫色土土层薄、耕作频繁、土壤相对疏松等性质有关.     

石盘丘小流域不同土地利用方式下土壤氮磷流失形态及通量

为了解三峡库区小流域不同土地利用方式下土壤氮、磷流失特征,为农业非点源污染防控提供科学依据;采用田间试验的方法,研究了三峡库区石盘丘小流域水田、旱坡地、林地、柑橘园和菜地这5种土地利用方式下地表径流不同形态氮、磷流失浓度与通量的特征.结果表明：全氮流失通量的顺序为水田[17.73 kg·（hm²·a）^-1] > 柑橘园[4.86 kg·（hm²·a）^-1] > 旱坡地[4.33 kg·（hm²·a）^-1] > 菜地[4.00 kg·（hm²·a）^-1] > 林地[2.41 kg·（hm²·a）^-1];全磷流失通量的顺序为菜地[4.97 kg·（hm²·a）^-1] > 柑橘园[1.87 kg·（hm²·a）^-1] > 水田[0.93 kg·（hm²·a）^-1] > 林地[0.27 kg·（hm²·a）^-1] > 旱坡地[0.19 kg·（hm²·a）^-1];5种土地利用方式下氮、磷流失主要集中在降雨频繁的4~5月,占全年氮、磷流失总负荷的53.80%~96.52%和56.03%~87.78%;氮流失主要以硝态氮（16.16%~52.70%）的形态流失,全氮流失通量与径流量呈现出显著正相关关系（R²=0.9826）;在菜地中颗粒磷是磷流失的主要形态（83.30%）,但在其他土地利用方式中表现不显著.不同土地利用方式下不同形态氮、磷流失存在显著差异,其中菜地应针对强降雨情况下颗粒磷流失的问题采取措施,水田应避免在降雨集中时期施肥;科学施肥和合理地土地利用方式配置是治理小流域农业非点源污染的重要途径.     

四川盆地桢楠和马尾松人工林土壤磷截留及淋溶流失特征

为理解人工林土壤磷截留与淋溶流失特征随降水格局的变化,研究了2013年12月至2014年12月期间,四川盆地桢楠和马尾松人工林土壤磷元素在旱季早期、旱季末期、雨季早期、雨季中期和雨季末期5个关键时期的输入、淋溶输出和截留过程.通过连续采样,分析了水溶性全磷(TDP)、水溶性有机磷(DOP)和溶解性反应磷(DRP).研究结果表明,桢楠和马尾松林土壤对TDP的截留量别为2.65和0.84 kg·hm-2·a-1,土壤TDP淋溶输出量分别为1.10和3.23 kg·hm-2·a-1,其中,截留和淋失的土壤DOP占TDP的84%以上.桢楠和马尾松林土壤的磷截留和淋溶输出过程主要集中于旱季早期、旱季末期和雨季早期,并且两地土壤DOP和TDP的淋溶输出量及桢楠林土壤DOP和DRP的截留量都随这3个时期呈显著增加趋势,马尾松林土壤DRP的截留量随5个时期呈递减趋势,且雨季早期的土壤DOP的截留量为-0.46 kg·hm-2,表现为净流失.桢楠人工林土壤在雨季中期和雨季末期的DRP也表现为净流失.桢楠林土壤DRP的输入量和截留量与降水量呈显著正相关(p0.01),其输出量与降水量不相关.马尾松林土壤DOP和DRP的输入量、土壤DOP的截留量和土壤DRP的输出量与降水量显著正相关(p0.01).此外,桢楠和马尾松林土壤磷的淋溶输出和截留量与对应磷组分的输入量呈显著正相关(p0.01),但马尾松林土壤DOP的截留量与DOP的输入量不相关.由此可见,桢楠和马尾松人工林土壤磷的淋溶输出形式以DOP为主,主要发生在旱季和雨季早期.     

基于RZWQM模型模拟太行山低山丘陵区农田土壤硝态氮迁移及淋溶规律

太行山低山丘陵区是华北平原地下水补给区,近年来山区农田面积增加,农田过量氮肥投入造成地下水硝酸盐浓度逐年升高,因此,研究典型农田土壤氮淋溶过程对保护补给区地下水具有重要意义.本文以位于太行山低山丘陵区的中国科学院太行山生态试验站冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象,应用根区水质模型（root zone water quality model,RZWQM）对太行山低山丘陵区2015~2016年冬小麦-夏玉米的1个轮作周期内1m土壤剖面水分和硝态氮运移进行模拟.结果表明,土壤硝态氮淋溶主要发生在夏玉米季（雨季）,当全年施氮量为300 kg·hm^-2时,夏玉米季硝态氮淋失量达到59.9 kg·hm^-2,而冬小麦生长季硝态氮淋失量仅为2.12 kg·hm^-2.不同施氮量和不同降水年型下玉米季土壤硝态氮淋溶模拟结果表明,当施氮量为0、300和450 kg·hm^-2时,2016年（丰水年）极端降水后,玉米季土壤硝态氮潜在淋失量分别为10.5、59.9和136.5 kg·hm^-2;当全年施氮量为300 kg·hm^-2时,2013（枯水年）、2015（平水年）和2016年（丰水年）玉米季硝态氮淋失量分别占轮作周期总施氮量的9%、10%和20%;当全年施氮量为450 kg·hm^-2时,2013（枯水年）、2015（平水年）和2016年（丰水年）玉米季硝态氮淋失量分别占总施氮量的11%、17%和30%,表明大降水事件不仅对地下水形成大量补给,很大程度上也增加了累积在农田土壤中的硝态氮淋溶损失,增加了对区域地下水硝酸盐潜在污染威胁.     

戴云山国家级自然保护区大气氮沉降特点

利用干湿沉降采集器,持续观测戴云山国家级自然保护区内大气氮素干、湿沉降,调查当地大气氮沉降的种类和沉降通量.结果表明,2015-03-27~2015-10-09观测期间,戴云山自然保护区大气氮干、湿沉降量分别为2.30 kg·hm~(-2)和14.79kg·hm~(-2),以湿沉降形式为主(87%).干沉降中可溶性有机氮的沉降量为1.21 kg·hm~(-2),占干沉降通量的53%;无机氮以硝态氮为主(0.71 kg·hm~(-2)),铵态氮相对较低(0.37 kg·hm~(-2)).湿沉降中无机氮和可溶性有机氮沉降量分别为9.41 kg·hm~(-2)和5.38 kg·hm~(-2),其中无机氮以铵态氮为主(6.07 kg·hm~(-2)).大气氮湿沉降量和当地降雨量显著正相关,降雨量越大,对应的湿沉降氮量也越大.戴云山国家级自然保护区大气氮素沉降量较高,可能会对当地生态环境产生较大的影响.     

华西雨屏区典型人工林对降雨过程中NH_4~+-N和NO_3~--N的过滤作用

氮沉降已成为河流、湖泊及城市等生态系统的主要污染威胁因素之一,森林生态系统能从林冠、地被和土壤自上而下截留过滤大气降雨中的NH+4-N和NO-3-N,是区域大气环境污染生态防治的重要途径.选取华西雨屏区几种典型人工林森林生态系统为研究对象,采用定位监测与室内分析相结合的研究方法,于2011年4—12月对大气降水、穿透雨、树干茎流、地表径流和地下渗滤NH+4-N和NO-3-N的含量与分配进行了研究.结果表明:观测期内40次降雨总雨量为492.72 mm,NH+4-N和NO-3-N的总沉降量分别为13.248 kg·hm-2和16.320 kg·hm-2;3种人工林林冠层对NH+4-N和NO-3-N的过滤能力表现为香樟林混交林柳杉林,而地表和土壤层均表现为混交林香樟林柳杉林;无林地、香樟林、柳杉林和混交林生态系统无机氮截留过滤净输入量分别为19.557、44.079、42.331、64.896 kg·hm-2,对无机氮的综合过滤作用表现为混交林香樟林柳杉林无林地.这些结果说明华西雨屏区合理配置混交林能更加有效地降低大气氮沉降对生态系统的影响.     

基于非点源溶解态氮负荷估算的率水流域土地利用结构优化研究

利用区域营养盐管理模型(ReNuMa)对率水流域2000~2010年的溶解态氮(DN)负荷进行了定量估算和来源解析.在率定期和验证期,径流和DN负荷模拟的Ens和R2都大于0.9,模型具备可靠的模拟能力.结果表明,率水流域的年均非点源DN负荷为1.11×103t·a-1,负荷强度为(0.75±0.22)t·km-2.在所有土地利用类型中,水田的DN负荷强度最大[28.60kg·(hm2·a)-1],林地的DN负荷强度最小[2.71 kg·(hm2·a)-1].农业生产用地(水田、谷物、经济作物、果园和茶园)对DN负荷的贡献最大,表明人类影响下的农业生产活动是流域非点源污染的最主要来源.基于污染负荷适量削减和农业经济产值最大化原则,开展了流域2015年土地利用结构优化分析,规划结果表明在土地利用结构最优情况下,经济收益的增长依然伴随着负荷的增加,但经济产值的增幅大于DN负荷的增幅.