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.     

基流对亚热带农业流域氮素输出的贡献研究

随着经济的迅猛发展和人民生活水平的逐步提高,亚热带农业小流域的面源污染日趋严峻,恶化的水体环境质量已经成为该区域可持续发展和生态文明建设的重要障碍.基流过程对流域生态水文过程有重要影响,因此本研究选取湖南省长沙县的脱甲和涧山两个农业小流域作为调查对象,通过流域观测和模型估算方法,对比分析2011年1月至2013年12月间流域基流过程对总氮(TN)输出的贡献.结果表明,在较高强度水稻种植的脱甲流域的月平均基流流量、平均基流TN流量加权浓度和平均基流对TN输出贡献[15.2 mm·month~(-1)、4.14 mg·L~(-1)和0.54 kg·(hm~2·month)~(-1)],均大于较低强度水稻种植的涧山流域[11.4 mm·month~(-1)、1.72 mg·L~(-1)和0.20 kg·(hm2·month)~(-1)].基流对TN输出贡献呈现明显的季节性变化,如在水稻生长季,脱甲和涧山流域基流对TN输出贡献分别为23.2%和18.6%,均低于休耕季的46.9%和40.0%,表明水稻种植会提高休耕季的流域基流过程对TN输出的贡献.因此,为缓解农业小流域水体面源污染,应当在农业小流域中实施合理的稻田管理措施来降低基流对TN输出的贡献.     

流域溶解有机氮输出特征与迁移路径研究——以凤羽河流域为例

为研究流域溶解性有机氮的输出特征,在云南省西部大理白族自治州洱源县的凤羽河流域出口进行了水质水量连续监测,收集了2011年1月-2013年12月连续的逐日水量监测数据和777个的水质监测数据.采用了LOADEST负荷估算方法和基流分割方法研究了凤羽河流域DON输出特征与水文迁移路径.结果表明:(1)汛期与非汛期降雨量的变化对流域DON负荷的输出变化影响显著;(2) LOADEST负荷估算结果表明8月份DON负荷流失最多,达到3110.6kg,其次分别为9和7月,约2604.9和2540.2kg,表明汛期为DON负荷流失的关键期;(3)基流分割结果表明基流输出DON占流域DON总负荷的60.0%～96.0%,从而表明2011～2013年凤羽河流域DON的流失途径主要是基流.     

基于LOADEST和数字滤波的水源地基流氮素输出定量方法应用实例

地表直接径流和基流均是流域非点源氮/磷养分输出的重要水文途径.科学认识和定量模拟基流氮/磷养分输出对于准确解析水源地水体非点源污染来源至关重要.基于Load Estimator模型和数字滤波算法,建立了定量水源地基流氮素输出的方法体系.以浙江省珊溪水源地的玉泉溪流域为例,利用玉泉溪2010-01—2013-12期间逐月总氮(TN)水质监测数据和逐日流量数据,展示了该方法的计算过程.结果表明,本文建立的水源地基流氮素输出定量方法结果合理,模拟精度高,决定系数和纳什系数分别为0.83和0.80;玉泉溪流域2010—2013年TN负荷量为141.21～274.68 t·a~(-1),平均208.63 t·a~(-1),年基流TN负荷量为84.39～168.68 t·a~(-1),平均127.69 t·a~(-1);基流对玉泉溪年均TN负荷量贡献率高达60%以上,流域基流养分输出对地表水体的污染应引起足够重视.     

基于LUCC的南四湖流域面源污染输出风险评估

基于1990-2015年土地利用和统计数据,运用输出风险模型、CA-Markov模型及回归模型,结合GIS技术,对南四湖流域的1990-2015年间土地利用覆盖变化情况和面源污染输出风险空间变化情况进行分析,模拟了2020年土地利用变化和输出风险空间分布。结果表明：研究期间,南四湖流域主要的土地利用类型为耕地和建设用地,共占总研究面积的85%以上;TN、TP有明显的风险变化对比,TN风险值分布在0~0.65,TP风险值约在0~0.12之间,氮为流域内主要污染物;在1990-2005年间,TN风险呈先增加后减少的趋势,2010年之后急剧增大。TP风险随着时间的增加一直下降;从空间分布上来看,风险较高的污染区多位于南四湖区以西的平原地带,南四湖东部的山地地区污染风险型较低,多为低风险污染区。较2015年,2020年的未利用地面积变化不大,除建设用地数量增加外,其他用地面积均有不同幅度的减少,TN风险略有减小,TP风险变化不大。为了控制研究区域面源污染的发展,相关部门需把提高农业科技、减少肥料施用作为当下的工作重心,从源头上控制污染发生。     

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.     

太湖蠡河小流域水质的空间变化特征及污染物源解析

为了解太湖流域河流中污染物的来源及时空变化特征,于2014年在太湖湖西区蠡河小流域开展水质监测,对从上游到下游的5个监测点汛期和非汛期水体中的总磷(TP)、氨氮(NH_4~+-N)、化学需氧量(COD)浓度的变化规律及其影响因素进行了研究.结果表明,监测期间流域水体中TP、NH_4~+-N、COD的浓度均值为0.176、1.075、10.626 mg·L~(-1),水质状况总体较好,未超过Ⅳ类水标准.从上游到下游TP、NH_4~+-N浓度逐渐升高,下游水质较差,均属于劣Ⅴ类水质;而COD浓度较低,未超过Ⅳ类水标准.受降雨的影响,污染物浓度在汛期略高于非汛期.在非汛期,污染物浓度从上游到下游逐渐升高,而在汛期,各监测点污染物浓度没有明显的变化趋势.随着居民地面积的增加,林地面积的减少污染物浓度逐渐升高.流域人口密度、畜禽养殖与水体中污染物浓度显著相关.蠡河流域农业面源污染的主要来源是生活源和畜禽养殖源.     

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.     

太湖上游流域下垫面因素对面源污染物输出强度的影响

应用流域断面监测、GIS的流域空间分析等手段建立太湖上游地区流域基础数据,通过多元逐步回归和冗余分析(redundancy analysis, RDA)手段,研究了太湖上游流域下垫面要素对流域出口污染物输出影响特征以及不同要素影响的相对强度,提取了影响太湖上游流域面源污染产出的主要下垫面因素并分析各小流域水质控制性要素的空间特征.研究结果表明,流域面源污染与下垫面要素具有很大的相关性,其中流域土地利用对面源污染产出的影响最为显著,其次是流域土壤特征、流域坡度,流域面积的影响最小;影响流域面源污染输出变化的控制性因素为居民用地、耕地面积比例和流域平均坡度,对水质数据进行解释的显著性和重要性水平均较高,能解释59.5%的流域水质信息、98.6%的下垫面特征-水质指标关系信息,且在不同小流域中这3个因素对流域水质影响的贡献率不同.     

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.     

三江平原水田氮的侧渗输出研究

为探讨三江平原水田面源污染物氮的输出机制,通过不同尺度田间原位实验,研究了氮在水田-田埂-渠系系统侧渗输出过程中氮含量、田埂截留率及侧渗速率的变化规律.并对水田氮流失负荷进行了量化.结果表明,近沟渠田埂宽度对侧渗速率和截留氮素的能力影响明显.随田埂宽度的增加,侧渗速率降低,而田埂对氮素的截留能力增强,其中,田埂对氨氮(...     

茅坪河流域非点源污染负荷模拟

为定量化研究茅坪河流域农业非点源营养物质氮、磷的输出负荷,在茅坪河的亚流域陈家冲,利用2004-05～2004-10降雨期的监测数据,通过实测值和模拟值的比较对非点源污染模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)进行了率定和验证,采用Nash-Sutcliffe系数(R²)、均方根差(RMSE)和相对误差(CV)检验实测值和模拟值的拟合度.利用验证后的模型模拟了茅坪河流域营养物质氮、磷的输出负荷量.经验证径流、总氮和总磷的Nash-Sutcliffe系数分别为0.71、0.51和0.62,最小相对误差分别为1.8%、1.1%和10%,模型对氮和磷的输出模拟效果稍差,但对径流的模拟取得了较好的效果,表明该模型可运用于茅坪河流域非点源污染的模拟研究.模拟结果显示,2004-05～2004-10,茅坪河流域共有102.5 t氮和9.46 t磷流入长江,大量农业非点源污染的产生是造成茅坪河水质恶化的重要原因之一.     

源头农业区不同类型水塘中水体沉积物磷吸附容量

湖泊和湿地沉积物性质受到其所在流域土地利用的显著影响.本实验以一个源头小流域的水塘系统为例,研究了位于不同土地利用中的水塘沉积物磷吸附特征.由于水塘分散于不同土地利用中,接收来自于不同土地利用的径流和土壤颗粒,水塘系统提供了研究磷吸附性质的极好范例.研究表明:水塘沉积物具有强的磷吸附容量.吸附最大值(S_max)为228～974mg·kg^-1,平衡浓度(EPC0)为0.004～0.032mg·L^-1,平均饱和度(DPS)仅为9.5%.水塘周围土地利用明显影响沉积物物理化学性质和吸附性质.对于S_max,周围土地利用为林地的山塘最大,而周围土地利用为村庄的村塘最小,其顺序为山塘>旱塘>田塘>河塘>村塘.对于EPC_O则正好相反,山塘<旱塘<田塘<河塘<村塘.分析表明,草酸浸提态铁(Fe_ox)同磷吸附最大值S_max具有显著正相关关系(r²=0.85,p<0.001),而KCl浸提态磷(KCl-P)同平衡浓度EPC_O具有显著正相关关系(r²=0.83,p<0.001).多重回归分析表明草酸浸提态铁(Fe_ox)和KCl浸提态磷(KCl-P)是控制水塘沉积物磷吸附的关键因子.     

滇池流域农田氮、磷肥施用现状与评价

2001年6月至9月分别对流域内晋宁，呈贡，西山，官渡和嵩明调查了365家农户有关化肥施用情况，调查分析和计算表明，每年从种植业流失的化肥中纯氮（N）达2575t，纯磷（P）达218t，蔬菜和花卉地的单位面积氮流失量是水田和旱地的7-20倍。菜地年每公顷流失氮204kg，水田的氮流失量最低，平均每公顷每年流失10kg。磷的流失也以蔬菜，花卉地为最高，蔬菜和花卉地的单位面积磷流失量是水田和旱地的9-10倍。研究结果证明，大量的氮，磷化肥施用，通过地表径流和地下水流入滇池是造成其水体富营养化的重要原因之一^[6]，随着农业和农村经济的发展，蔬菜，花卉等经济作物在滇池流域的种植面积将会逐年扩大，因氮，磷化肥的施用面造成的氮，磷流失量将会不断加大，为了实现减少氮，磷化肥对滇池的污染，应积极推广精确施肥，平衡施肥等科学施肥技术，提高化肥利用率，减少化肥流失。增施有机肥，降低化肥用量，同时提高农村居民的环境意识，加强环境管理，依法保护农村环境，控制农业面源污染。     

滩涂农业垦区排水沟连接度对氮磷输出的影响

沟渠廊道提供了氮磷输送与排放通道,同时还提供氮磷滞留降解的环境,因此排水沟渠及其连通程度与氮磷输移及面源污染排放密切相关。为揭示不同连接度水平对氮磷污染物质扩散功能和净化功能的影响,论文以江苏盐城农业垦区排水沟为研究对象,分别在2015年8月和10月两次降水事件前后对不同等级排水沟进行4次水质（氮磷）监测,研究构建了基于氮磷输移过程关系的沟渠廊道连接度模型,进而利用回归模型分析了垦区排水沟连通度与氮磷输移的关系,结果显示：1）氮磷负荷呈现出10月雨前 < 8月雨前 < 10月雨后 < 8月雨后的时间变化特征,并有从上游到下游先升后降的空间变化特征;2）回归模型分析表明,排水沟TN、TP 输出随沟渠廊道连接度的增大呈先增后减的趋势,且其拐点分别位于沟渠廊道连接度为0.79、0.77时。研究表明,排水沟连接对于农田排水沟的扩散和净化功能的发挥起着重要作用,农业面源污染可以通过提高排水沟连接度来控制。     

生态工程综合治理系统对农业小流域氮磷污染的治理效应

以典型农业小流域——开慧河流域源区为研究对象,基于研究区农业面源污染的主要排放特征,建立以生态湿地为主的小流域面源污染生态工程综合治理系统,重点探讨其对水体氮磷污染物的去除效果.结果表明,畜禽养殖业是开慧河流域源区水体氮磷污染物的主要来源,需要重点防控.组合生态湿地处理工程对农村分散式生活与养殖混合废水总氮(TN)、总磷(TP)的平均去除率为87. 1%和90. 9%;多级人工湿地拦截工程对农田排水与分散式养殖混合废水TN、TP的平均去除率为85. 7%和84. 9%;景观型生态湿地净化工程对末端汇水区水体中TN、TP的去除率在27. 1%～67. 4%和13. 3%～81. 5%之间.整个生态工程综合治理系统对流域TN和TP污染物的总拦截量分别为5 292 kg·a~(-1)和1 054 kg·a~(-1),占研究区农业面源TN、TP总污染负荷的35. 3%和43. 6%.因此,构建的生态工程综合治理系统对流域农业面源氮磷污染具有较好的治理效应,适合在我国南方小流域水环境治理中推广应用.     

基于机器学习的长江流域农田氮径流流失负荷估算

定量解析长江流域农田氮径流流失特征是实现长江及其河口氮污染有效控制的关键科学基础.基于收集的长江流域570个旱地和434个水田田间氮径流流失数据组,采用相关性分析、结构方程模型、方差分解和机器学习方法,探究了影响旱地和水田总氮径流流失强度的主要因素,建立了基于机器学习的长江流域旱地和水田总氮径流流失强度预测模型,量化了长江流域农田总氮径流流失负荷.结果表明,径流深、施氮量和土壤氮含量是影响旱地总氮径流流失强度的主要因素;径流深和施氮量是水田总氮径流流失强度的主要影响因素.与分类与回归树、多元线性回归和增强回归树方法相比,采用随机森林算法构建的长江流域旱地和水田总氮径流流失强度预测模型具有更高的精度（R²为0.65~0.94）.基于随机森林算法的预测模型估算的2013年长江流域农田总氮径流流失负荷（以N计）为0.47 Tg ·a^-1（旱地：0.25 Tg ·a^-1;水田：0.22 Tg ·a^-1）,中下游地区贡献了58%的流失负荷.模型预测5种防治情景下的长江流域农田氮流失负荷可削减2.4%~9.3%,其中减少径流量的削减效果最为显著.长江流域农田氮面源污染防治必须协同加强氮肥精准管理、减少农田径流量和提高土壤氮利用,且应将重点放在中下游地区.所发展的基于机器学习建模方法克服了氮径流流失强度与影响因素之间函数关系难以确定的问题,为估算区域或流域农田氮流失负荷提供了简便且可靠的方法.     

东江湖流域农业面源污染负荷研究

水土流失是吸附态氮磷污染输出的主要方式,也是面源污染评估的重要环节。以东江湖流域为主要研究区域,采用土壤侵蚀经验模型和氮磷污染负荷经验模型对研究区的吸附态氮磷污染负荷进行了估算,重点提取并分析了耕地面源污染负荷,并划分出农业面源污染重点控制区,为流域农业面源的氮磷流失防治提供理论依据。结果表明,东江湖流域农业面源污染土壤侵蚀总量为144.7万t,吸附态氮磷的流失总量分别为2 658.3和504.1 t,其中旱地吸附态氮磷流失风险高于水田;由化肥施用而产生的吸附态氮磷流失量分别为1 561.9和215.4 t,分别占耕地吸附态氮磷流失总量的58.8%和42.7%;东江湖流域农业面源污染防治的主要区域包括沤江区、浙水区以及主要河流入湖的环湖区。     

云蒙湖流域土地利用变化对非点源氮污染负荷的影响

以临沂市水源地云蒙湖流域为研究区域,利用人工模拟降雨实验,结合输出系数模型获取流域内各土地利用类型氮素输出系数,在GIS和RS支持下,分析近25年来土地利用变化对非点源污染氮素负荷时空变化的影响.结果表明,1986、1995与2010年非点源污染氮素负荷分别为3.77×103、4.45×103、5.5×103t,呈上升趋势;从土地利用类型来看,耕地非点源污染TN逐年增加,其贡献率也逐年增加,贡献率由1986年的80.11%,1995年82.60%上升至2010年85.59%,林地、草地TN变化较小,贡献率呈减小趋势,居民用地TN增加幅度大,但由于面积较小,其贡献率较小;就子流域而言,耕地面积比例高的子流域,氮素污染负荷增加程度较大;流域耕地与氮素负荷呈显著正相关,对氮产出负荷起＂源＂作用,林地、草地与氮素负荷量呈负相关,对氮产出负荷起＂汇＂作用.因而,可通过调整土地利用结构以减少和控制流域氮流失对水体环境的污染.