非点源污染模型AnnAGNPS在三峡库区林农复合小流域模拟效果评定

应用连续农业非点源污染AnnAGNPS模型(Annualized AGricultural NonPoint Source Model)模拟三峡库区林农复合小流域的径流、泥沙和营养物输出,以2003年和2004年的小流域观测数据对模型分别进行校准和验证,并以统计参量决定系数(R2)、Nash-Sutcliffe效率系数(E)和相对误差(VE)对模拟结果进行评定.结果表明,径流量模型模拟结果误差在可接受范围之内,模型校准期模拟值VE值为5.0%(R2=0.93,p<0.05),验证期内模型VE值为6.7%(R2=0.90,p<0.05);与径流模拟比较,泥沙模拟结果精度较低,校准期内模型VE值为15.1%(R2=0.63,p<0.05),验证期内模型VE值为26.7%(R2=0.59,p<0.05);次降水较小,产生径流和泥沙较少时,模型模拟值则偏高,反之则偏低.氮输出模拟决定系数R2值0.68(p<0.05),略高于磷输出模拟决定系数(R2=0.65,p<0.05).模型对径流输出的模拟精度高于对泥沙和营养物的输出模拟.在三峡库区农林复合小流域应用AnnAGNPS模型模拟农业非点源污染输出满足流域管理要求.     

三峡库区典型退耕还林模式土壤养分流失控制

选择三峡库区典型退耕还林模式,包括园地(茶园)及林地(板栗)与原有坡耕地对照,观测并分析其土壤养分(氮磷)输出途径及数量情况,以评估实施退耕还林工程对流域土壤养分输出的影响.结果表明:1退耕后土壤养分氮磷年流失量(包括随泥沙和地表径流流失的量)减少;总氮(TN)年输出量从大到小依次为坡耕地(2 444.27 g·hm-2)茶园地(998.70g·hm-2)板栗林地(532.61 g·hm-2);总磷(TP)为坡耕地(1 690.48 g·hm-2)茶园地(488.06 g·hm-2)板栗林地(129.00 g·hm-2);与坡耕地比较,退耕还林模式(园地、林地)总氮、总磷年输出载荷分别减少了68.68%和81.75%.2茶园地、板栗林地与坡耕地相比,土壤养分速效态氮流失量明显减少,硝态氮(NO-3-N)输出总量依次为坡耕地(113.79g·hm-2)茶园地(73.75 g·hm-2)板栗林地(56.06 g·hm-2);铵态氮(NH+4-N)养分输出次序为茶园最大(69.34 g·hm-2),坡耕地次之(52.45 g·hm-2),板栗林地最小(47.23 g·hm-2).3硝态氮、铵态氮主要通过地表径流输出,所占总量比例分别为91.4%和92.2%;总氮和总磷主要通过泥沙输出,所占总量比例分别为86.6%和98.4%.通过退耕还林等措施,该地区地表径流以及土壤侵蚀输出明显减少,土壤养分流失得到有效控制.     

三峡库区主要森林植被类型土壤有机碳贮量研究

根据全国森林资源清查资料,按主要优势树种和分布面积将三峡库区主要森林植被划分为马尾松针叶林、栎类混交林、灌木林等11种主要森林植被类型。基于196个土壤剖面数据,分析了11种主要森林植被类型下土壤有机碳含量、碳密度大小和分配特征。研究发现,三峡库区主要森林植被类型下土壤有机碳含量和碳密度均存在较大差异,二者总体上都随土层加深而降低。11种主要森林植被类型中以杉木针叶林土壤有机碳密度最大,达16.0 kg/m2,温性松林下土壤碳密度最小,仅为7.9 kg/m2。不同植被类型下土壤有机碳贮量在土层中的分配比例也不同,以灌木林和柏木林土壤碳贮量在土层间的差异最大。11种主要森林植被类型土壤平均厚度为56.3～98.5 cm,其中杉木针叶林土壤最厚,达98.5 cm,灌丛土壤最薄,平均厚度仅56.3 cm。三峡库区11种主要森林植被类型总面积为3 313 251 hm2,土壤总有机碳贮量为 366.36 t,其中0～10、10～20、20～40和＞40 cm土层分别占22.90%、18.36%、28.33%和30.41%。     

三峡库区森林植被分布的地形分异特征

基于森林植被GIS数据库和群落调查，对三峡库区森林植被分布的地形分异特征进行分析。结果表明：（1）三峡库区森林植被主要分布在海拔400~1200 m，随海拔上升和坡度增大，森林覆盖率逐步提高,海拔为400 m以下区间森林覆盖率最低。（2）不同海拔级的优势森林类型分别为灌木林（400 m以下、1 200~1 600 m、1 600~2 000 m和2 000 m以上）、马尾松林（400~800 m和800~1 200 m）。各森林类型分布面积占该类型总面积百分比在不同海拔级上的分布都为单峰型，海拔由低到高出现峰值的森林类型依次为竹林、经济林和柏木林（800 m以下）、暖温性针叶林（1 600 m以下）、针叶混交林和针阔叶混交林（400~1 600 m）、阔叶林（800~2 000 m）、温性针叶林（1 200~2 000 m）。（3）柏木林、马尾松林、杉木林、温性松林、针叶混交林及针阔混交林主要分布在坡度低于35°区域，竹林和经济林主要分布在坡度小于25°区域。在坡度低于5°、6°~15°和16°~25°的区域，马尾松面积均最大，在坡度为26°以上的区域，灌木林分布面积均最大。（4）各类植被类型在各个坡向上分布面积变化不大。研究结果为三峡库区生态规划和建设提供科学依据.     

三峡水库蓄水运行后入出库断面水质评价与预测

三峡工程运行后库区水质问题关系库区环境安全和当地社会经济发展,把握三峡库区水质变化趋势是水污染治理的基础。采用内梅罗污染指数法,基于2004—2016年三峡库区长江干流入库断面(重庆朱沱)和出库断面(湖北宜昌南津关)水体DO、高锰酸盐指数和氨氮的水质监测数据评价库区水质,并利用差分自回归移动平均模型(ARIMA模型)建立入出库断面水质变化趋势模型。结果表明:2004—2016年入库断面梅罗污染指数(Ip)为1.72～3.22,水质属轻污染—重污染,变化波动大;出库断面Ip为0.82～1.46,水质属清洁—轻污染,总体保持平稳;入库断面水质指标逐年偏向《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ级标准,出库断面水质指标逐年偏向Ⅰ级标准,入出库断面首要污染物是氨氮,ARIMA模型预测显示未来入出库断面水质好转。     

DEM格网尺度对AnnAGNPS预测山地小流域径流和物质输出的影响

为了解流域地形空间参数和其它参数的精度对农业非点源污染模型AnnAGNPS预测准确性的影响,利用三峡库区黑河小流域观测资料校准了AnnAGNPS模型,分析了1.5-12.5m格网尺度DEM对地形参数和模型负载输出的影响.结果表明,1.5～12.5m格网尺度DEM对流域径流量、洪峰流量、总N输出影响不显著,但对泥沙、总P、有机碳输出影响显著.三峡库区类似小流域宜采用5m格网尺度DEM,AnnAGNPS模型较不适合于尺度较小、坡度较大的小流域泥沙负载预测.     

三峡库区兰陵溪小流域土地利用及景观格局对氮磷输出的影响

以三峡库区兰陵溪小流域为研究对象,分析了流域水体氮、磷等输出时空特征及土地利用景观格局对其产生的影响.结果表明,流域总氮(TN)、总磷(TP)、硝态氮(NO-3-N)主要来源于园地,6~9月汛期的氮磷输出显著大于1~5月的非汛期;非汛期铵态氮(NH+4-N)主要来源于住宅用地,汛期NH+4-N则来源于园地,以林地为主的集水区氮磷输出在两个时期均较低.林地面积比与非汛期NO-3-N、TP及汛期的TN、TP显著负相关;住宅用地面积比与非汛期的NO-3-N、TN及汛期的NO-3-N、TN、TP显著正相关;园地面积比与汛期的NH+4-N、TN显著正相关.PD与非汛期的氮素及汛期的NO-3-N、NH+4-N显著正相关;CONT与汛期的氮素及非汛期的TP呈负相关;耕地、未利用地比例以及景观格局指数ED与氮磷输出的相关性较弱,而SHMN和水域比例尚未表现出显著相关性.此外,两个研究时期NH+4-N与土地利用及景观格局变量的回归关系要优于NO-3-N、TN和TP,R2分别为0.885和0.969,而汛期的回归关系也比非汛期显著.典型相关分析进一步显示,不同土地利用斑块类型导致的景观破碎化能较好解释氮磷输出的影响,两典范轴累积解释氮磷输出变量的90%,景观变量PD贡献最大,对流域水质评价与预测具有重要意义.     

基于Mann-Kendall法的三峡库区长江干流入出库断面水质变化趋势分析

三峡大坝对三峡库区水生态环境的影响广受国际关注,水质问题关乎三峡库区生态环境安全和社会经济发展。基于中华人民共和国生态环保部发布的2004～2017年三峡库区长江干流入库断面(重庆朱沱)和出库断面(湖北宜昌南津关)水质因子(DO、高锰酸钾指数和氨氮)监测数据,采用Mann-Kendall非参数统计检验法分析水库水质变化趋势。结果表明:入库和出库断面DO均保持Ⅰ级水质标准,均呈不显著下降趋势;入库断面高锰酸钾指数呈上升趋势,氨氮呈下降趋势,近年均保持Ⅱ级水质标准;出库断面高锰酸钾指数和氨氮呈显著下降趋势,近年保持Ⅰ级水质标准。相对于入库断面,出库断面水质在逐步改善,近年出库断面水质优于入库断面。突变趋势分析结果表明:入库断面各项水质因子均存在不显著的突变,突变时间主要发生在2005年和2008年;出库断面水质因子无突变,表明出库断面水质维持状况比入库断面平稳。库区水体中DO、高锰酸钾指数和氨氮含量与水情特征和库区生产生活方式密切相关;水库水位抬高,水流速度下降和泥沙沉积,有利于污染物沉入底泥。三峡水库水质维持及改善需要控制和削减农业面源污染、工业污水排放、城镇生活污水排放和船舶污染排放。     

三峡库区兰陵溪小流域养分流失特征

三峡库区蓄水后,库区部分支流速度变缓,小流域面源污染已经成为库区面临的重要环境问题.本文以兰陵溪小流域的一个封闭式集水区为研究对象,监测集水区尺度典型降雨条件下氮磷流失的过程和负荷,比较不同养分流失途径,结果表明:①TN的浓度随着径流量的增加的逐渐降低,降雨停止后缓慢上升,而TP的浓度随着径流量的增加而迅速升高,降雨停止后则迅速下降;②TN的负荷流失过程和降雨量关系较为密切,TP的负荷流失受降雨强度影响较大,N素的流失以溶解态为主,而P素则以颗粒态为主;③地表径流是研究区P素和N素流失主要途径,同时壤中流对N素流失的影响也非常大;④N和P各形态的流失负荷与径流量均呈显著的线性关系;⑤集水区TP的年流失负荷为28.94 kg·(a·km2)-1,TN的年流失负荷为1 040.41 kg·(a·km2)-1。     

三峡库区小流域土地利用结构变化及其氮素输出控制效应:以兰陵溪小流域为例

基于三峡库区兰陵溪小流域退耕还林后土地利用结构变化分析,结合2015年汛期流域氮素养分输出监测数据,利用逐步回归定量分析土地利用结构特征对氮素输出的控制效应.结果表明:1退耕还林工程小流域土地利用结构发生改变,林地、园地面积比例分别增加到76.85%和13.87%,园地多以茶园单一类型片状分布,耕地面积比例锐减至1.16%,且零星分布于林地、园地之间.2小流域部分监测点总氮浓度超过国家Ⅴ类地表水水质标准,各监测点铵态氮(NH_4~+-N)、硝态氮(NO_3~--N)和总氮(TN)输出浓度分别为0.089~0.214 mg·L~(-1)、2.925~13.203 mg·L~(-1)以及3.561~14.572 mg·L~(-1),硝态氮输出浓度占总氮比例超过80%.3集水区氮素输出浓度与园地和住宅用地极显著正相关,与林地、未利用地则成极显著负相关,住宅用地和园地类型是主要的氮素输出源.4小流域土地利用结构调整应优先增加林地,适当控制园地发展,且将住宅用地面积比例控制在5%以下,并通过林茶、林果间作等方式改变小流域部分园地单一类型片状分布格局.