磷在农田溪流中的动态变化

磷是水体富营养化的限制因子,河流系统是农业非点源污染物的主要运移通道,污染物在河流中的持留控制着污染物向受纳水体的输出.本次研究对象是巢湖流域一个长约1.8 km的农田源头溪流六岔河,河流由4个渠道型、1个水塘型和3个河口型断面构成,长度分别为1.3 km、0.15 km和0.36 km.在河流上设置9个监测点研究总磷、磷酸盐和悬浮物在六岔河中的持留空间特征,评价人为严重干扰下的农田溪流在农业非点源污染物运移中的生态功能.结果表明:总磷、磷酸盐、悬浮物在溪流中的持留和释放受溪流的渠道型、水塘型和河口型断面控制,水塘型和河口型断面是污染物持留的主要区域,总磷、磷酸盐和悬浮物在水塘型、河口型断面内的持留量分别占溪流持留量的58%、77%和58%;污染物在降雨-径流过程中的持留是溪流持留的主要部分,总磷、磷酸盐和悬浮物的持留分别占溪流持留量的96%、98%和93%;渠道型断面是溪流最主要的内在污染源,总磷、磷酸盐和悬浮物的释放分别占溪流释放量的93%、99%和94%;养分和悬浮物在渠道型断面中具有不同的持留特性,而位于水塘前的渠道型断面在基流和降雨-径流过程中均能有效地持留污染物.     

Relationship between catchment characteristics and forms of nitrogen in Cao-E River Basin, Eastern China

The distribution of different nitrogen forms and their spatial and temporal variations in different pollution types of tributaries or reaches were investigated. Based on the catchments characteristics the tributaries or reaches can be classified into 4 types including headwater in mountainous areas (type I), agricultural non-point source (NPS) pollution in rural areas (type II), municipal and industrial pollution in urban areas (type III), and combined pollution in the main stream (type IV). Water samples were collected monthly from July 2003 to June 2006 in the Cao-E River basin in Zhejiang, Eastern China. The concentrations of NO3-N, NH4+-N, and total nitrogen (TN) were measured. The mean concentrations of NO3-N were in the order type IV > type II> type III > type I, whereas, NH4+-N, total organic nitrogen (TON), and TN were in the order type III > type IV > type II> type I. In headwater and rural reaches, CNO3-N was much higher than CNH4+-N. In urban reaches, TON and NH4+-N were the main forms, accounting for 54.7% and 32.1% of TN, respectively. In the whole river system, CNH4+-N decrease with increasing distance from cities, and CNO3-N increased with the increasing area of farmland in the catchments. With increased river flow, the CNO3-N increased and the CNH4+-N decreased in all types of reaches, while the variations of CTON and CTN were different. For TN, the concentration may be decreased with the increase of river flow, but the export load always increased.     

Spatial and temporal variation of nitrogen exported by runo from sandy agricultural soils

The eutrophication problem has drawn attention to nutrient leaching from agricultural soils, and an understanding of spatial and temporal variability is needed to develop decision-making tools. Thus, eleven sites were selected to monitor, over a two-year period, spatial and temporal variation of runoff discharge and various forms of N in surface runoff in sandy agricultural soils. Factors influencing the variation of runoff discharge and various forms of N in surface runoff were analyzed. Variation of annual rainfall was small among 11 sites, especially between 2001 and 2002. However, variation of annual discharge was significant among the sites. The results suggest that rainfall patterns and land use had significant effect on discharge. The concentrations of total N, total kjeldahl N （TKN）, organic matter-associated N （OM-N）, NO3- -N, and NHn＋-N in the runoff ranged widely from 0.25 to 54.1, 0.15 to 20.3, 0.00 to 14.6, 0.00 to 45.3, and 0.00 to 19.7 mg/L, respectively. Spatial and temporal variations in the N concentration and runoff discharge were noted among the different sites. Annual loads of N in the runoff varied widely among monitoring sites and depend mainly on runoff discharge. High loads of total N, OM-N, NO3--N, and NHn＋-N in the runoff either in citrus groves or on vegetable farms occurred from June to October for each year, which coincided with the rainy season in the region. This study found that N in surface runoff was related to rainfall intensity, soil N level, and fertilizer use.     

Relationship between catchment characteristics and nitrogen forms in Cao-E River Basin, Eastern China

The distribution of different nitrogen forms and their spatial and temporal variations in different pollution types of tributaries or reaches were investigated. Based on the catchments characteristics the tributaries or reaches can be classified into 4 types, including headwater in mountainous areas (type I), agricultural non-point source (NPS) pollution in rural areas (type II), municipal and industrial pollution in urban areas (type III), and combined pollution in main stream (type IV). Water samples were...     

农业小流域粮食产量稳定与水环境质量提高途径研究

实地调研了我国典型黑土区农业小流域粮食产量与施肥量的空间异质性,通过建立产量施肥量模型对施肥量进行空间上的优化调整,并选用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)水文水环境模型进行流域水环境模拟.结果表明,施肥量在流域尺度上存在空间调整的可能和需要.在小流域粮食产量稳定目标下,通过施肥空间优化调整可减少小流域总施氮量的1.88%,同时SWAT模型模拟结果显示,施肥空间优化调整可降低NH 4+-N、NO 3--N营养盐输出分别为9.7%及5.6%.     

基于TASCC的典型农田溪流氨氮滞留及吸收动力学模拟

为揭示农田溪流氨氮滞留的动态变化性,选择NaCl为保守示踪剂、NH4Cl为添加营养盐开展野外瞬时投加示踪实验.在此基础上,采用TASCC方法和养分螺旋指标定量刻画 滞留动态,并以Michaelis-Menten模型(M-M方程)模拟 吸收动力学特性.结果表明:背景浓度的 吸收长度Sw-amb变化范围为93.94~295.54m,平均值为177.41m;质量传输系数Vf-amb变化范围为0.16~0.38mm/s,平均值为0.26mm/s;吸收速率Uamb变化范围为0.16~0.38mg/(m2×s),平均值为0.26mg/(m2×s).由M-M方程模拟得到的 最大吸收速率Umax为0.59~1.38mg/(m2×s),半饱和常数Km为1.10~5.03mg/L. 在从背景浓度到饱和浓度区间范围内展现出的Sw-add-dyn、Utot-dyn和Vf-tot-dyn动态变化性,验证了TASCC解析 滞留动态和吸收动力学特征的可行性和有效性.     

太湖丘陵地区农田氮素迁移的时空分布特征

在太湖丘陵地区选择4种有代表性的土地利用类型进行野外原位试验,研究自然降雨条件下氮素随地表径流迁移的时空分布特征.试验结果表明,随地表径流迁移的农田氮素以氨氮为主,其“次降雨径流平均浓度”中位值占总氮的44.5%,亚硝态氮浓度最小,仅占1.8%.地表径流中的氮素浓度存在显著的季节性差异,其分布主要受降水量、气温等气象条件以及农事活动的影响.总氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮的“多场降雨径流平均浓度”的时间变异性依次减小.菜地径流中总氮、氨氮和硝态氮以及竹林亚硝态氮的SMC值最高,不同土地利用下氮素浓度的空间分布主要与施肥条件以及植被覆盖度有关.各氮素形态SMC值的空间变异性小于其时间变异性.旱地和菜地的氮素迁移通量大于板栗林和竹林,径流量是导致迁移通量存在显著差异的主导因素.     

农村多水塘系统景观结构对非点源污染中氮截留效应的影响

多水塘系统在滞留和降解农业面源污染中发挥着巨大作用.不同景观结构特征的多水塘系统对农业面源污染的截留率也存在差异.本文针对多水塘系统的功能及特点,选择4个不同景观结构的小流域作为研究区域,分析降雨前后多水塘系统水环境的变化特征及其对氮元素的截留情况,并揭示其截留率与水塘系统景观结构之间的关系.结果表明:(1)雨前水塘水体中总氮(TN)浓度的变化范围在1. 32～6. 32 mg·L~(-1)之间,雨后TN质量浓度增加到2. 8～16. 99 mg·L~(-1)之间,其中,硝氮(NO_3~--N)占TN的质量分数为20%～74%;(2)多水塘系统对TN、NO_3~--N和氨氮(NH_4~+-N)的平均截留率分别为50. 09%、48. 71%和52. 75%;(3)小流域1中的水塘系统对氮的截留率最低,平均次降水过程中小流域2中的水塘系统对氮的截留量最低,仅为56. 10kg,远低于小流域4中水塘系统对氮的截留量324. 43kg;(4)多水塘系统对氮的截留率受到水塘个数、面积及水塘与水塘之间沟渠密度的影响,其中沟渠密度对氮截留率的影响最大.本研究结果可为农村多水塘系统的管理及规划提供科学依据.     

水文变化条件下农田溪流营养盐滞留效应模拟

以巢湖流域某一典型农田源头溪流为对象,基于溪流水文条件的动态变化性,从水文概率密度模型与营养盐滞留率模型综合集成角度,解析较长时间尺度下营养盐滞留有效流量的动态变化特征.在对水文概率密度模型Monte Carlo随机模拟的基础上,根据先前10次野外示踪实验获得的营养盐吸收速度等数据信息,定量评估溪流营养盐滞留的总体水平,估算最有效流量和等效流量.结果表明,农田溪流渠段的NH₄⁺、PO₄^3-滞留能力总体偏低,相应的期望滞留率分别为0.0671(6.71%)和0.0541(5.41%),最有效流量分别为0.0051,0.0049m³/s,功能等效流量分别为0.044,0.043m³/s.基于溪流营养盐吸收速度明显偏低的客观现状,有必要从溪流形态和河床地貌特征的改造着手,提升溪流水体营养盐滞留能力.     

流域土壤基质与非点源磷污染物作用的3种模式及其环境意义

以华北地区典型农业流域为研究对象,针对流域不同空间分布和干扰程度下的土壤基质与污染径流中磷素的相互作用过程进行了模拟研究.研究发现,土壤基质与磷的作用过程呈3种模式,持留型、释放型及持留-释放转换型.持留型土壤基质对污染径流中磷酸盐具有较强的吸附作用,能有效持留径流中的磷素;释放型土壤基质则以解吸过程为主导,向径流中释放大量的磷素;持留-释放转换型土壤基质则呈动态性,当径流中磷酸盐含量较低时,解吸过程占优,以磷素释放为主,当径流中磷酸盐含量较高时,吸附过程占优,以磷素持留为主.结果表明,在自然环境及人类干扰的作用下,流域异质性景观下的土壤基质与非点源污染物的作用过程差异明显,其生态功能具有时空动态性.从非点源污染发生的角度来看,在空间上,土壤基质可成为污染物的汇或释放源;在时间上,同一区域存在源-汇功能的动态转化.因此,异质性景观中土壤基质与污染物作用过程动态机制的认识与判定,对于流域尺度上有效控制非点源污染十分关键.     

Control of diffuse P-pollutants by multiple buffer/detention structures by Yuqiao Reservoir, North China

A case study on the transport process of agricultural diffuse P-pollutants was conducted in an experimental watershed locating in the north bank of Yuqiao Reservoir during 2001 and 2002. It was found that diversified artificial and natural buffer/detention landscape structures distributing along the ephemeral stream channel in this watershed played an important role of pollutants removal on downstream water quality, especially they have control effect on the diffuse P-pollutants transport process. Surface flow velocity was reduced sharply after passing through theses tructures. During continuous runoff events, the removal rate of TSS, TP, TDP, DRP by the whole system were 66.7%, 60.7%, 48.4%, and 43.3%, respectively. During discontinuous runoff events, removal rate of pollutants by the whole system was higher due to there was no or little surface water and pollutants exported from the watershed, of which removal rate of pollutants all exceeded 99%. The statistical analysis results of runoff events( n=8) indicated that dry pond was the steadiest structure for controlling diffuse P-pollutants export.     

Waterborne nutrient budgets for the riparian zone of an agricultural watershed

Agroecosystems in the southeastern United States Coastal Plain typically have uplands in agriculture with mixed hardwood forests along the stream channels. This study determined the inputs and outputs of waterborne nutrients for the riparian forest ecosystem of an agricultural watershed. Quantities of phreatic groundwater and precipitation nutrient inputs and phreatic and surface nutrient outputs were determined during 1979. Based on input/output budgets, these streamside forests were shown to be effective in retaining N, P, Ca, and Mg. Partial conversion of the riparian forest to cropland was projected to increase NO₃-N and NH₄-N loads by up to 800%. Total replacement of riparian forest with crops would increase loads of all nutrients studied except organic N, DMRP, and total P. Land managers can maintain the nutrient filtering capacity of the streamside forest by selective harvesting of hardwoods and by maintaining the present hydrologic regime.     

基于OTIS模型的巢湖十五里河源头段参数灵敏性分析

为探究城市地区渠道化源头河段水环境模型参数灵敏性,以巢湖流域十五里河源头段为对象,选择氯化钠(NaCl)为保守型示踪剂,采用瞬时投加方式,开展现场示踪试验. 在此基础上,利用OTIS模型(小河流水体溶质迁移扩散模型)模拟溶质(示踪剂)输移扩散规律,并以均方误差(RMSE)为目标函数,就±10%和±20%等参数多种变幅情景,采用扰动分析方法对A(河道过水断面面积)、A_s(暂态存储区断面面积)、α(交换系数)及D(扩散系数)等参数开展局部灵敏性分析. 结果表明:在十五里河源头段溶质迁移特征模拟方面,OTIS模型具有很好的适用性;尽管不同河段各参数的灵敏性排序存在一定的变化性,但总体趋势较为明显,表现为A＞α＞A_s＞D,这与欧美国家空间尺度相近的一些小河流水体基本相同;由于α和A_s的灵敏性超过D,表明在渠道化的城市小河流源头段,考虑暂态存储对于溶质输移扩散的影响十分必要. 研究结果进一步验证了扰动分析方法对于OTIS模型参数灵敏性分析的有效性.      

城镇分布对新安江水系及千岛湖营养盐浓度的影响

快速城镇化会加剧地表水体氮磷营养盐的富集,引起水体富营养化问题. 研究城镇分布对河流与湖库氮磷污染特征的影响,分析其污染热点与来源具有重要意义. 于2020年7月—2021年7月调查了新安江水系及千岛湖水体氮磷污染的时空变化特征,分析了水质与土地利用类型的关系,揭示了千岛湖水体氮磷污染的来源. 结果表明:①时间上,新安江水系氮磷浓度季节性变化差异明显. TN浓度表现为冬季枯水期〔(1.96±1.24) mg/L〕>主汛期〔(1.63±0.71) mg/L〕>春汛期〔(1.42±0.49) mg/L〕,TP浓度表现为主汛期〔(0.101±0.049) mg/L〕>冬季枯水期〔(0.067±0.068) mg/L〕>春汛期〔(0.06±0.033) mg/L〕,汛期氮、磷浓度分别是非汛期的1.6和2.4倍. ②空间上,城镇污染对水体营养盐浓度影响显著. 水体流经人口集中、城镇化程度高的屯溪区后,TN、TP、NH₄+-N浓度平均增幅分别为86.1%、77.7%和164.4%,干流水体受纳歙县城镇三大支流来水后,TN、TP浓度平均增幅分别为47.6%、70.3%. ③ Spearman相关分析结果表明,5 km缓冲区耕地和建筑用地面积占比与氮磷营养盐各形态浓度之间均存在显著正相关关系,其中建筑用地面积占比对NH₄+-N浓度影响较大(R=0.323,P<0.001),耕地面积占比对NO₃?-N影响相对较大(R=0.265,P<0.05). 研究显示,城镇面源污染是新安江水系氮磷污染的主要来源,降雨径流是水体磷富集的主要驱动力,枯水期城镇污染对水体氮浓度的影响较大,在千岛湖营养盐控制中应尤为关注上游城镇污染管控.      

基于空间数据的太子河河流生境分类

在文献调研的基础上,结合河流特征和专家经验确定分类使用的指标,利用DEM、河流水系等空间数据,在ArcGIS软件下提取子流域,并计算子流域内河流系统的坡降、蜿蜒度、河网密度和河流等级4个分类指标值,应用聚类分析方法对太子河河流生境进行分类,将太子河河流生境分为源头陡峭河流生境、源头弯曲河流生境、源头河流生境、支流中下游河流生境、平原支流密集河网生境、支流弯曲河流生境、干流下游生境和干流蜿蜒河流生境等8种类型,各类型河流长度在223.8~773.1km之间,其中支流弯曲河流生境最长,而干流下游生境最短. 根据各生境类型的特征,提出了我国东北地区河流生境分类的指标参考值;根据不同生境类型的河道侵蚀、水量以及多样性潜力等特征,提出了不同河流生境类型的环境管理对策.      

西苕溪支流河口水体营养盐的特征及源贡献分析

支流是干流营养物质的重要贡献源,也是流域水污染控制的关键区域.为探明西苕溪营养物质来源,有效控制该流域的水质污染,对西苕溪支流河口水质的时空变化特征及营养盐的输出通量进行了分析,利用PMF源解析模型对西苕溪10条典型支流的污染源贡献进行了定量解析.结果表明,中下游支流的TN、TP浓度高于上游支流,枯水期TN、TP浓度均值是4.25 mg·L~(-1)和0.11 mg·L~(-1),丰水期对应浓度均值为3.15 mg·L~(-1)和0.09 mg·L~(-1),枯水期高于丰水期,其时空变化较显著;支流水体的氮磷形态组成各不相同,反映支流流经区域周围土地利用的差异.污染源解析结果显示,影响西苕溪支流营养盐的污染源有农田径流、养殖废水和生活污水三类,在丰水期和枯水期,上游支流营养盐中农田径流的贡献率是40%和35%,中游养殖废水贡献率是33%和30%,而枯水期的生活污水则比丰水期贡献较多营养盐.因此,在整治改善西苕溪流域水质时,应考虑营养物的时空变化特点和支流周边环境.     

黑河上中游水质时空分异特征及污染源解析

在黑河上中游主要河道设置33个水样监测点,分别于2017年5月（平水期）、8月（丰水期）、12月（枯水期）进行水质调查,运用GIS和水质标识指数法对水环境质量进行评价,并采用多元统计的方法分析了水质时空分布特征及潜在污染物来源.结果表明：区域内水质类别以Ⅱ类和Ⅲ类为主,并具有一定的时空分异性.时间上水体污染程度表现为枯水期 > 平水期 > 丰水期,空间上表现为上游支流区 > 上游干流区 > 中游.依据土地利用类型将33个采样点划分为放牧与工矿企业用地（A组）、水库建设用地（B组）和农业与城镇人居用地（C组）.结合因子分析和主成分回归分析得出,NH₃-N、BOD₅和COD_Mn是该区域的典型污染物,其中A组污染源主要来自于有机物,其次是营养盐;B组水体主要受到机物和营养物的蓄积污染,而自然因素的影响相对较弱;C组主要是生物化学污染,其次为非点源营养盐污染.研究表明,人类活动依然是影响水质变差的主要因素,虽然大坝的拦截效应能改善下泄水质,但常年累积于库底的沉积物随环境变化有二次污染的潜在风险,如沉积物中营养盐的活化释放等问题.     

我国亚热带丘陵地区流域氮素的平衡与源汇特征

以位于北亚热带丘陵地区不同利用条件下的2个相邻小流域(F:森林、FA:森林/农田)为研究区域,2007年3月～2009年2月通过定期监测雨水和径流水以及对其NH 4+-N和NO 3--N的测定,分析了流域氮素的平衡与源汇特征.结果表明,雨水中无机氮的输入量为16.72 kg.(hm2.a)-1,NH 4+-N占56%;2个小流域(F、FA)径流水中无机氮的输出量分别为5.31kg.(hm2.a)-1和8.21 kg.(hm2.a)-1,NO 3--N占75%～82%,流域内农业活动加剧了径流水中氮素的输出.大气干湿沉降输入的无机氮总量为20.06～23.41 kg.(hm2.a)-1,约占当地氮肥施用量13%～15%.2个小流域(F、FA)由于氮沉降及其转化产生的H+量分别为355 mol.(hm2.a)-1和461 mol.(hm2.a)-1,流域内农业活动在一定程度上加速了土壤酸化进程.流域氮素收支平衡表明2个小流域(F、FA)氮素净滞留量分别为13.35～16.70 kg.(hm2.a)-1和17.89～23.38 kg.(hm2.a)-1,受到农业活动影响的流域(FA)氮素的净滞留率(33%～40%)远比森林流域(F)(65%～70%)低,表明我国亚热带地区以森林为主的流域目前仍具有氮汇作用,但流域内农业活动降低了生态系统的氮汇潜力.     

于桥水库周边农业小流域地表径流和亚表层流的磷素流失浓度特征

选择天津市重要饮用水水源地于桥水库周边2个农业小流域,连续5a进行了磷素流失的实验研究.结果表明,地表径流总磷浓度以果园为最高,浓度超过10 mg·L-1;村庄次之;农田最低,浓度在3 mg·L-1左右.降雨后亚表层流中磷浓度以果园为最高,且变幅最大,菜园次之,农田最低.在流域出口处,曹各庄流域地表径流总磷浓度达到10.07 mg·L-1,而桃花寺流域为0.69mg·L-1.土地利用类型格局和迁移廊道性质是造成2个流域磷素浓度差异的主要原因:曹各庄流域中村庄和果园同水库较近的距离(约200 m),以及道路型季节性河流增加了磷素迁移到受纳水体的风险;桃花寺流域中村庄和果园离受纳水体较远(约1500 m),在迁移过程中磷素被小石坝、植被过滤带和干塘等"汇"型结构所持留,从而减少了向受纳水体迁移的风险.     

中亚热带典型农业小流域氮素输出特征及监测采样频率研究

以湖南省长沙县的脱甲小流域为例,研究了中亚热带典型农业小流域中氮素输出的规律,并采用统计学方法确定合理的氮素输出监测频率.研究结果表明,该地区农业小流域氮素输出过程受降雨-径流过程和农业管理活动的影响明显,除颗粒态氮(PN)外,流域出口水体中铵态氮(NH+4-N)、硝态氮(NO-3-N)、可溶性氮(DN)和全氮(TN)的浓度均与沟渠径流量显著相关(p0.01).降雨-径流过程和农业管理活动也会影响河道水体中氮素化学形态,但其对氮素化学形态的影响往往是短期的,因为在整个观测期间内,仅NH+4-N/TN比例与径流量有显著相关关系(p0.01).对于不同形态氮素采样频率计算结果表明,水体中氮素浓度变异系数越大,在允许的误差范围内需要的监测频率越高.按照平均值误差的20%控制,NH+4-N和PN的采样频率要达到每天2次才能满足要求,采样频率显著高于NO-3-N、DN和TN(1天1次).如果将典型小流域中的氮素输出监测频率定为每天1次,NH+4-N和PN的相对误差将达到30%.该研究为阐明中亚热带农业小流域氮素输出规律和制定氮素监测策略和规范提供了样本.