小流域土地利用结构对氮素输出的影响

以丹江口库区的胡家山小流域为研究区,以资源二号卫星影像图为底图,通过实地调查获取胡家山小流域土地利用图,利用ArcGIS的水文模拟、空间分析模块提取15个集水区,并分析其土地利用结构.根据2008年1～12月各个集水区的出口的总氮、硝态氮浓度的监测数据,定量地分析土地利用结构对氮素输出时空变化的影响.结果表明,胡家山小流域内旱地、居民地对氮素输出起显著源作用,与TN、NO-3-N的Pearson相关系数分别为0.869、0.856和0.826、0.867.林地、疏林地、草地等对氮素输出起汇作用,其中林地、草地汇作用显著,与TN、NO-3-N的Pearson相关系数分别为-0.820、-0.851和-0.602、-0.518.土地利用结构是氮素输出空间变化的关键因素,土地利用类型的空间分布使得汇土地利用类型旱地、居民地对小流域氮素输出影响最大;在不同时间尺度上,土地利用结构对氮素输出浓度影响有所不同.年度上,对氮素输出影响最大的是旱地,季节上,春、夏、秋、冬四季对氮素输出影响最大的分别是旱地、居民地、居民地、旱地;土地利用结构对氮素输出浓度的影响受到降雨、气温、人为等因素的作用.     

不同施氮水平对再生水灌溉土壤释氮节律的影响

土壤供氮能力是影响土壤氮素利用效率的一个重要指标,再生水灌溉和施氮水平均影响着土壤供氮能力,研究不同施氮水平对长期再生水灌溉土壤氮素的转化特征可为合理施肥及农产品增产增效提供理论依据.本研究选择河南新乡洪门试验站温室大棚内长期再生水灌溉和清水灌溉土壤,试验共设8个处理:A(N200)(施氮量200 mg·kg-1)、A(N160)(施氮量160 mg·kg-1)、A(N140)(施氮量140 mg·kg-1)、A(N100)(施氮量100 mg·kg-1)、A(N0)(施氮量0 mg·kg-1)、E(清水灌溉常规施氮)、CK(清水灌溉不施氮)、Re CK(再生水灌溉不施氮),采用实验室内常温培养法,分别在培养的7、14、21、28、35、42 d测定土壤铵态氮、硝态氮及全氮含量,并分析了土壤氮素矿化量和氮素矿化速率的变化,通过Freundlich线性等温吸附模型及一级动力学方程拟合了土壤吸附参数Kd和氮素矿化势N0.结果发现,培养前期土壤氮素矿化较快,释放的氮量较高,中后期变化较慢,土壤供氮平稳,同一时段不同处理间土壤累积矿化氮量存在显著差异(p0.05),表明不同外源氮肥输入对土壤氮素的矿化能力影响显著,A(N160)处理的供氮能力最强;同时,在培养前期Re CK处理的土壤氮素矿化累积量显著高于CK处理,表明再生水灌溉较清水灌溉促进了土壤氮素的矿化,显著提高了土壤氮素活性;土壤氮素的矿化速率随着培养时间的增加而逐渐降低,但降幅依次减小并趋于平稳,且不同施氮处理再生水灌溉土壤氮素矿化速率显著高于清水灌溉;不同土壤肥力水平(B0)、外源施氮A(N160)调控,土壤氮素矿化潜势可表达为N0=B0+117.5072t-0.1062.因此,外源氮肥输入显著影响了土壤氮素释放节律,再生水灌溉辅以适宜的施氮量可促进土壤氮素矿化,提高土壤氮素活性.     

三江平原水田灌溉-排水过程中铁形态变化及输出贡献

采集三江平原农田灌溉地下水、稻田积水、渠系排水、土壤侧渗水,并采用切向超滤技术分离水体中不同形态铁,分析在灌溉排水及地下侧渗水中铁的迁移特征,并估算水田排水中铁的输出贡献.结果表明,在灌溉排水过程中,铁主要以低分子量形态和酸性不稳定形态迁移,地下水中Fe2+含量占可溶态铁的80.45%;地下水抽取到稻田后Fe2+含量显著降低,络合态铁含量升高,稻田积水中络合态铁占可溶态铁的75.50%;稻田积水排入渠系后,络合态铁中不稳定弱配位铁含量降低13.58%,其他铁形态变化不大.稻田积水通过地下侧渗进入渠系,随侧渗水体深度加深,Fe2+含量升高,络合态和胶体态铁含量降低,地下侧渗水向渠系水主要提供络合态和胶体态铁.三江平原湿地水田化改变了水体中铁的输出形态,同时,排水过程中铁的输出也对河流形成补给,水田灌溉排水过程可溶态铁的输出通量约为390kg.a-.1km-2,输出系数为0.186,灌溉-排水过程中残留在稻田土壤中铁的量约为1460kg.a-.1km-2,残留在排水渠系土壤中铁的量约为250kg.a-.1km-2,这对三江平原水土环境产生了深远影响.     

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.     

丘陵地区流域土地利用对氮素径流输出的影响

氮素是地表水体富营养化的一个限制因子,土地利用对农业非点源污染的氮素输出具有重要的影响.以位于亚热带低山丘陵地区的安徽省南部宣城市梅村流域为实例,通过航空遥感图像解译、GIS分析和实地定位动态监测方法,研究了具有不同土地利用结构的农-林生态系统地表径流水的氮素含量和输出通量及其与土地利用的定量关系.结果表明:氮素的输出以NO₃^--N的输出为主,土地利用类型或土地利用格局对径流水中氮素的含量和输出具有非常显著的影响.在同一种土地利用结构系统下,NO₃^--N与T-N的含量间具有极显著的正线性关系;而只有林地-水塘系统下,NH₄⁺-N与T-N的含量间有极显著线性关系.而各类氮素的输出量间都具有极显著正的线性相关关系.各类氮素的输出量都与土地利用类型具有指数相关性,林地、水塘对氮素输出具有负效应,而水田和村庄则具有正效应.同时,土地利用类型对径流中氮素的含量也有影响.     

湖南蔡家塘森林小流域氮和硫的输入输出特征

以湖南韶山蔡家塘小流域2001～2003年的监测数据为基础,对森林在酸沉降作用下无机氮(NH 4,NO-3)和硫输入、输出的月均通量进行了研究.结果表明,总氮的年输入通量为24～28 kg·hm-2·a-1,主要以NH 4形式(占总输入氮的62%～67%)输入该森林生态系统;年氮输出通量为2～3kg·hm-2·a-1,主要以NO-3形式(占总输出N的83%～98%)输出该森林生态系统.韶山森林年无机氮的滞留量达到22～26kg·hm-2·a-1,其中NH 4占到总氮净截留量的68%～72%.硫的截留量为13～21 kg·hm-2·a-1.高氮沉降导致了一部分氮的输出,但是输出氮仅占到输入氮的8%～9%.有超过90%的氮被生态系统截留.由此可以推断,韶山森林尽管有高氮输入,但是生态系统远没有达到氮饱和状态.     

流域氮素主要输出途径及变化特征

流域农业面源输出氮素是湖泊流域水体中氮的主要来源之一,对水环境安全造成了极大威胁.不同流域间地形、水文、植被覆盖等因子的差异及气象条件的变化,造成氮的输出途径具有流域异质性及时间变化特征.本研究以高原湖泊典型流域——凤羽河流域为例,基于2011-06~2013-05期间径流水量、水质高频监测数据,应用基流分割的方法,通过分析流域产流与氮素输出途径的季节性变化,探讨了流域氮素输出的主要途径及变化特征.结果表明,基流是高原湖泊流域水量输出的主要形式和总氮输出的主要途径;基流输出水量及总氮负荷分别占流域总输出水量的80. 0%和流域总氮输负荷的71. 1%;降雨显著增加了流域水量和总氮负荷的输出量,同时改变了总氮的输出途径;降雨导致地表径流量增加,进而使流域输出水量和总氮输出负荷中地表径流途径的比重升高;当地表径流占流域输出水量的比重约达40%以上时,流域总氮输出的主要途径由基流转变为地表径流;监测周期内,地表径流输出的总氮负荷占流域总输出负荷的比重最高达65. 6%.     

小流域农业面源氮污染时空特征及与土壤呼吸硝化关系分析

土壤呼吸与硝化特性是控制土壤生态系统中氮素转化和面源氮流失的关键因子,也是土壤氮循环的重要组成部分.选取位于巢湖北部的柘皋河流域作为案例研究区,应用BaPS技术测定林地和农田土壤呼吸、硝化和反硝化特性,运用SWAT模型分析农业面源氮污染输出的时空特征,并初步探讨土壤呼吸和硝化特性与农业面源氮污染的相互作用关系.结果表明,由于土地利用和施肥量的变化,1996~2012年间的年均和月均面源氮污染负荷明显大于1980~1995年间的模拟结果,不同月份的面源氮污染输出负荷均存在显著性差异,月均氮负荷受降雨量影响密切.1996~2012年流域面源总氮流失平均负荷为10.40 kg·hm-2,明显大于1980~1995年的8.10 kg·hm-2,方差分析表明两个时期面源总氮流失负荷的空间分布存在一定的差异.林地的呼吸速率远大于农田的呼吸速率.农田较高的总硝化速率和反硝化速率导致土壤氮库中的氮素减少,从而在一定程度上使得面源氮污染的输出负荷减小.农田土壤的总硝化速率大于反硝化速率,导致农田硝态氮的面源污染流失量增加,而有机氮的流失量有所减少.因此,土壤呼吸与硝化特性的研究有利于从土壤生物学角度深入分析土壤氮循环,对农业面源氮污染的防治具有重要的理论和现实意义.     

伊乐藻和氮循环菌技术对太湖氮素吸收和反硝化的影响

从太湖梅梁湾采集无扰动泥芯样,分别添加固定化氮循环细菌、水生植物伊乐藻建立室内微宇宙,模拟生态修复,探讨不同修复处理下,硝氮的去除机制.采用15N标记结合同位素配对技术测定了各生态模拟柱中的反硝化速率和植物吸收速率.结果表明,不同处理的实验柱反硝化速率差异明显,同时添加了水生植物和固定化氮循环细菌的实验柱反硝化速率最高,为99.35μmol·(m2·h)-1,植物氮吸收速率为36.55μg·(m2·h)-1.沉水植物伊乐藻在自身吸收氮素的同时也提高了耦合硝化反硝化的作用.与植物吸收相比,反硝化过程是主要的氮去除途径.沉水植物与固定化氮循环菌组合生态修复技术促进了湖泊水体氮素的脱除,起到了净化作用.     

宁南山区不同草地土壤原位矿化过程中氮素的变化特征

用顶盖埋管法对宁南山区天然草地、人工草地和自然恢复草地中有机氮、微生物生物量氮、可溶性有机氮、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮含量和土壤氮素矿化速率在原位培养中的动态变化特征进行了研究.结果表明,微生物生物量氮、可溶性有机氮、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮含量,总体上在培养60 d时(4~6月)基本保持不变,60~120 d(6~8月)明显降低,120 d(8月)后有所回升,各种氮素含量均在培养120 d(8月)时最低.有机氮含量在整个培养过程中基本保持不变.土壤氮净矿化速率、净硝化速率、净氨化速率均在60~120 d(6~8月)时最低.各种氮素占总氮的比例随培养时间的延长而变化:有机氮、亚硝态氮占总氮的比例相对稳定,微生物量氮、可溶性有机氮、硝态氮、铵态氮占总氮的比例在培养0~120 d(4~8月)时降低,培养120 d(8月)后升高.土壤有机碳、pH、容重与氮素含量极显著相关,各种氮素间极显著正相关.不同草地间,各种氮素含量均表现为天然草地>自然恢复草地>人工草地.     

西苕溪典型小流域土地利用对氮素输出的影响

在太湖地区的西苕溪流域不同地理位置选择了11个小流域,于2004年分3次野外监测氮素输出浓度.利用多年降雨径流关系估算径流量,用于计算各小流域氮素输出负荷与强度,结合2000年TM遥感影像获得的各小流域土地利用数据,综合分析了土地利用对流域氮素输出的影响.结果表明,流域土地利用结构对氮素输出具有重要影响,流域耕地面积比例与氮素输出水平呈正比,而林地比例与氮素输出水平呈反比;各小流域面积的大小与氮素输出负荷呈正相关,而小尺度流域面积对氮素输出浓度和单位面积氮素输出强度无关.     

基于AnnAGNPS模型四岭水库小流域氮磷流失特征的模拟研究

采用流域尺度的农业非点源污染模型——AnnAGNPS模拟预测苕溪流域四岭水库小流域氮磷流失情况,分析氮磷流失空间分布特征.结果表明,单位面积总氮、总磷流失量在空间分布上有一定的相似性,均呈现出南部大于北部,西部高于东部的特点.以竹林地为主的林地是氮磷输出的最主要来源,其对氮、磷流失总量的贡献率在90%以上.设定不施肥处理(CK)、适地养分管理(SSNM)、当地高产竹农普遍采用的施肥方法(FFP)这3种施肥方式对林地主要植被类型竹林进行情景分析,模拟结果表明,与FFP相比,SSNM在一定程度上减少了氮磷输出,其中溶解性氮和颗粒态氮流失量分别削减8.17%、4.33%,溶性磷和颗粒态磷流失量依次减少9.08%、1.02%.     

山谷型磷石膏渣场酸性工艺水渗漏分析

我国大多数磷石膏渣场建于山谷之中,并以黏土底垫层作为防渗层。通过建立针对典型山谷型磷石膏渣场的渗流模型,使用二维有限元渗流分析方法对山谷型磷石膏渣场酸性工艺水的渗漏模式和渗漏量进行了分析。分析表明:山谷型磷石膏渣场酸性工艺水渗漏量不仅和黏土防渗层的垂直渗透系数有关,而且与黏土防渗层下部风化岩层的水平渗透性相关。如水平渗透性较大,黏土防渗层对阻止酸性工艺水流失的作用有限。分析还表明,由于谷口垂直防渗帷幕不大可能封堵住所有风化岩层中的裂隙,很难阻止渗过黏土防渗层的酸性工艺水向渣场外渗漏。     

坡耕地薄层紫色土-岩石系统中氮磷的迁移特征

于2015年两场代表性降雨事件下研究了紫色土坡耕地(1 500 m~2)水文过程驱动的氮磷地表和地下迁移特征.结果表明:(1)前期土壤水饱和度和降雨量决定地表径流和裂隙潜流的产流深度和胶体浓度的基本水平;降雨强度则控制产流量的变化趋势和胶体浓度的峰值水平.(2)氮素主要以溶解态随裂隙潜流迁移;磷素则主要以细颗粒结合态通过地表径流流失.(3)氮磷迁移过程的水文驱动特征明显,氮素迁移主要受裂隙潜流的驱动作用影响,而磷素迁移则主要受地表径流的驱动作用影响.该研究结果丰富了对坡耕地薄层土壤-裂隙母岩二元系统中氮磷迁移对降雨响应规律的认识,可为农业氮磷非点源污染防治提供可靠的田间数据支持并明确关键的水文调控环节.     

我国出口贸易隐含污染排放变化的结构分解分析

利用投入产出分析方法,计算了我国2002~2007年出口贸易中隐含的SO2、COD和氨氮排放量,然后利用LMDI方法将影响上述排放量变化的因素分解为规模效应、结构效应和技术效应.结果显示:2002~2007年我国出口对国内SO2、COD和氨氮排放量的贡献都在20%以上,其中出口规模的扩大对于出口贸易中隐含SO2、COD和氨氮排放量增加起着重要的推动作用,而技术进步和出口结构变动的影响则随行业和时间的不同而呈现出显著差异性.分析我国出口贸易中隐含污染排放量较高的原因,主要来自于出口结构不合理,出口产品的环境效率低下,出口总量增速快.因此,本文对我国提出了几点政策建议,包括实施绿色贸易政策、绿化海关进出口产品目录、鼓励生态标志产品出口及采取进口替代政策.     

华北半干旱区2个农业流域地表氮素流失特征的对比研究

在2004和2005年2个水文年期间,通过野外降雨径流监测和室内分析,对位于华北半干旱地区天津市重要饮用水水源地于桥水库周边2个典型农业小流域地表径流氮素流失特征进行了对比研究.结果表明,2个农业小流域全年氮输出主要集 中在6-9月;试验期间桃花寺流域41%的地表径流和52%的总氮负荷发生在2次>60 mm降雨中,曹各庄流域输出地表径 流和总氮负荷较均匀地分布于不同降雨类型的降雨事件中;桃花寺流域和曹各庄流域地表径流氮素输出发生的最小降雨量 分别约为20 mm和10 mm;曹各庄流域和桃花寺流域年均径流系数分别为0.013 2和0.001 6,前者为后者的8.3倍;曹各庄流域 年均总氮输出量是1.048 kg·(hm2·a)-1,桃花寺流域年均总氮输出量是0.158 kg·(hm2·a)-1,前者是后者的6.6倍.2个农业流 域内的微地形地貌、景观格局和迁移廊道性质的不同是造成流域氮素流失特征差异的主要原因:受长期人为活动干扰形成的 复杂地形地貌结构降低了流域的降雨一产流能力;桃花寺流域地表径流氮素主要污染源(村庄)离受纳水体的距离约为 1 500 m,而曹各庄流域此距离约为200 m,较短的迁移距离增加氮素迁移到受纳水体的风险;曹各庄流域道路型的传输廊道可 以很快地将地表径流氮素迁移到受纳水体,而桃花寺流域地表径流氮素则可以在传输廊道中被小石坝、植被过滤带和干塘等 "汇"型结构所持留.     

Nitrogen interception in floodwater of rice field in Taihu region of China

A field experiment located in Taihu Lake Basin of China was conducted,by application of urea or a mixture of urea with manure, to elucidate the interception of nitrogen(N)export in a typical rice field through"zero-drainage water management"combined with sound irrigation,rainfall forecasting and field drying,N concentrations in floodwater rapidly declined before the first event of field drying after three split fertilizations,and subsequently tended to retum to the background level.Before the first field drying,total particulate nitrogen(TPN)was the predominant N form in floodwater of plots with no N input,dissolved inorganic nitrogen(DIN)on plots that received urea only,and dissolved organic nitrogen(DON)on plots treated with the mixture of urea and manure.Thereafter TPN became the major form.No N export was found from the rice field,but total nitrogen(TN)of 15.8 kg/hm~2 was remained,mainly due to soil N sorption.The results recommended the zero-drainage water management for full-scale areas for minimizing N export.     

A lake classification concept for a more accurate global estimate of the dissolved inorganic carbon export from terrestrial ecosystems to inland waters

The magnitude of lateral dissolved inorganic carbon (DIC) export from terrestrial ecosystems to inland waters strongly influences the estimate of the global terrestrial carbon dioxide (CO₂) sink. At present, no reliable number of this export is available, and the few studies estimating the lateral DIC export assume that all lakes on Earth function similarly. However, lakes can function along a continuum from passive carbon transporters (passive open channels) to highly active carbon transformers with efficient in-lake CO₂ production and loss. We developed and applied a conceptual model to demonstrate how the assumed function of lakes in carbon cycling can affect calculations of the global lateral DIC export from terrestrial ecosystems to inland waters. Using global data on in-lake CO₂ production by mineralization as well as CO₂ loss by emission, primary production, and carbonate precipitation in lakes, we estimated that the global lateral DIC export can lie within the range of \( {0.70}_{-0.31}^{+0.27} \) to \( {1.52}_{-0.90}^{+1.09} \) Pg C yr^?1 depending on the assumed function of lakes. Thus, the considered lake function has a large effect on the calculated lateral DIC export from terrestrial ecosystems to inland waters. We conclude that more robust estimates of CO₂ sinks and sources will require the classification of lakes into their predominant function. This functional lake classification concept becomes particularly important for the estimation of future CO₂ sinks and sources, since in-lake carbon transformation is predicted to be altered with climate change.     

西苕溪流域土地利用对氮素输出影响研究

以位于太湖地区的西苕溪流域为研究区,利用Arcview3.2的水文模拟和空间分析扩展模块进行子流域划分和典型小流域选择,通过对2000年TM/ETM遥感影像解译获得流域土地利用数据.在2004年分3次(7月、9月、12月)监测了各个小流域出口的总氮浓度,用以表征流域氮素输出强度.基于以上数据,分析了小流域氮素输出的时空变化差异以及土地利用结构对氮素输出影响.结果表明:各个小流域氮素输出差异很大,空间上有从上游到下游逐渐增大的趋势,时间变化上,西苕溪流域中下游的小流域氮素输出7月>9月>12月,上游地区的小流域则与之相反,这与流域的降雨径流分布和土地利用方式差异有关.多个小流域的对比分析表明,流域土地利用结构对氮素输出的影响更大.流域内林地面积比例越大,氮输出强度越小;相反,与人类活动有关的土地利用类型如耕地和居民地比例增大将带来氮素输出增大的后果,而氮素输出的强度似乎与流域面积大小无关.