基于氮磷输出风险控制的小流域土地利用结构优化研究

以沂蒙山区典型小流域——双河峪小流域为研究对象,将线性规划模型与GIS有效耦合,以控制N、P等面源污染物输出与增加经济效益作为土地利用优化配置首要目标,以地块为单元对研究区土地利用结构进行优化配置。结果表明:线性规划模型与GIS有效结合,使土地利用优化配置结果既具有面积上的约束,又同时与具体的空间位置相匹配;将N、P等面源污染物输出纳入土地利用优化配置所考虑的因素当中,使配置结果兼顾经济与环境效益的统一;双河峪小流域优化方案提高园地与林地面积,降低了耕地与未利用地面积比重,N、P年输出量降低15.3%,年经济效益提高41%。

普者黑流域土地利用及“源-汇”景观的氮磷输出响应研究

以滇东南典型岩溶流域普者黑为研究对象,在将流域划分为26个子流域的基础上,以2018年3个水期各子流域的水质数据为依据,结合子流域内土地利用结构和景观格局特征,采用相关性分析、冗余分析和回归分析,探讨流域氮、磷输出与景观特征指数的定量关系。结果表明:丰水期氮、磷输出要高于枯水期和平水期,全流域从外围到中部呈"汇"景观逐渐减小,"源"景观逐渐增大趋势,耕地是流域氮、磷输出的主要"源"景观,水域具有改善水质的"汇"景观功能;耕地、水域面积比例和斑块密度、香农多样性指数与水质之间相互关系显著,说明农业活动是影响普者黑流域氮、磷输出的主要原因,景观的破碎化促使了这一生态过程的发展;3个水期景观空间负荷对比指数(LWLI)与TP、PO4^3--P和NH4^+-N均呈正相关,枯水期和丰水期时LWLI与所有水质指标均集中于同一象限,LWLI与丰水期TP的回归系数最大,R2为0.856,表明LWLI对水质指标的解释能力远大于传统景观指数,对水质评价及预测有重要意义。

亚热带中尺度流域氮磷输出的长期变化规律与影响因素

选择中亚热带红壤丘陵区赣江上游的潋水河流域(579 km2),基于长期监测和SWAT模型反演研究了流域尺度养分输出的长期变化规律,采用集成推进树(ABT)和部分典范对应分析(PCCA)方法揭示了流域尺度养分输出的影响因素。2003—2009年的监测结果表明:潋水河流域氮磷输出量年际差异显著,流域年均总氮和总磷输出量分别为1.10 t/(km2·a)和0.12 t/(km2·a)。SWAT模型反演分析显示,长期大规模的水土流失治理显著减少了流域氮磷流失,1983—1990年年均总氮和总磷输出量比治理前分别下降了43.8%和51.0%,1993—2002年则比前一阶段分别下降了28.3%和27.2%。总体上,人为因素对流域养分输出量长期变化(1978—2009)的影响高于气候因素,人为因素对31年间流域总氮和总磷年输出量变化总的贡献率分别为48.7%和38.9%,气候因素总贡献率分别为23.2%和22.8%。人为因素中人口是主要的影响因素,其他重要的影响因素包括氮磷肥施用量、疏林地面积、土地利用程度和植被指数。研究区需要在控制流域人口密度和合理施肥基础上,通过流域治理措施合理调整流域土地利用,以实现对流域氮磷输出的控制。

典型自然降雨条件下太湖地区水稻田氮磷输出特点

为了探究典型自然降雨径流过程中氮、磷的水稻田输出特点,了解各形态污染物之间径流输出关系,在2013 年对太湖何家浜流域两次典型降雨全过程中产生的径流污染物进行了系统的原位监测分析.通过绘制田块混合出水及独立单田块出水的污染物浓度变化曲线、M（V）曲线以及计算径流事件平均浓度（EMC）、降雨径流过程中PN/TN（颗粒态氮/总氮）、PP/TP（颗粒态磷/总磷）质量输出百分比,发现：在中雨条件下,强降雨使水稻田中的SS（悬浮态颗粒物）、PN、PP 输出浓度激增,最大变幅分别为628.77、4.43、0.46 mg·L^-1,对AN（氨氮）、NN（硝酸盐氮）、PO（磷酸盐）无明显影响;降雨前期氮素磷素污染物输出以颗粒态为主,且颗粒态土壤对磷素的富集作用强于氮素,在径流量输出前35%时,颗粒态污染物（PN、PP）占据总污染物（TN、TP）输出量的60%左右;整场降雨PN/TN、PP/TP 输出EMC 比重在40%-60%之间波动;在氮肥进入低水平稳定期后,降雨中氮素输出峰值稳定;独立田块出水中颗粒态污染物（SS、PN、PP）初期效应明显,而在混合田块出水中初期效应被弱化;污染物EMC 指标输出特点为SS〉TN〉PN〉AN〉NN〉TP〉PP〉PO.

亚热带典型农林混合流域河岸带景观格局对河流磷输出的影响

为进一步明确流域河岸带景观尺度范围差异性及对河流磷(P)输出的影响,量化解析河岸带尺度下景观与河流P之间的关系。以亚热带典型农林混合流域为研究对象,基于长期水文、水质监测数据,利用冗余分析明确不同河岸带尺度景观格局特征与不同水文季节河流P浓度的关系,并采用变点分析量化导致丰水期、平枯水期河流P浓度突变的核心景观指数的阈值范围。结果表明:(1)河岸带景观格局对河流P浓度的影响具有显著的空间尺度性特征,300,400 m分别是影响丰水期和平枯水期河流磷浓度变化的关键临界尺度。(2)河岸带居民地斑块最大斑块面积指数(LPI_(居))和农田斑块分散指数(SPLIT_(农))分别是影响平枯水期和丰水期河流磷浓度的核心景观格局特征指数,当SPLIT_(农)>15.76~23.83,LPI_(居)<28.8%~36.5%时,能够降低河流P浓度的突变概率。研究结果可为以缓解P面源污染为目标的土地利用和景观规划提供重要理论依据。

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（NO3-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（NH4-N）主要来源于住宅用地，汛期NH4-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NO3-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NO3-N、TN及汛期的NO3-N、TN、TP显著正相关；园地面积比与汛期的Nh4-N、TN显著正相关．PD与非汛期的氮素及汛期的NO3-N、NH4-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NH4-N与土地利用及景观格局变量的回归关系要优于NO3-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．

横坡与顺坡垄作径流氮磷输出及其富营养化风险对比研究

以沂蒙山区典型的坡耕地为例,通过2种雨强(40 mm.h-1和70 mm.h-1)下的野外原位模拟降雨试验,分析了横坡与顺坡垄作地表径流溶解态无机氮Inorganic-N(NO 3--N、NH 4+-N)以及溶解态磷(DP)的输出特征,并利用Inorganic-N/DP、NO 3--N/DP和NH 4+-N/DP等3种氮磷比对2种耕作方式径流的富营养化风险进行比较.结果表明,与传统顺坡垄作相比,相同雨强下,横坡垄作径流中DP浓度增加,而不同形态Inorganic-N浓度的变化不一致;横坡垄作可有效地控制径流并减少径流Inorganic-N和DP的输出率;雨强增大时,横坡较顺坡垄作控制径流的效果增强,其径流Inorganic-N和DP的输出量也大幅度减少,其中,40 mm.h-1雨强下可分别减少43%与5%,70 mm.h-1雨强下分别为68%与55%.较高的Inorganic-N/DP和NO 3--N/DP率表明,2种耕作方式下的径流均存在一定程度的富营养化风险,且风险水平在降雨过程中呈增加趋势,但横坡较顺坡垄作不仅能够明显地延缓这一增加趋势,而且可降低径流的富营养化风险水平,从而相应减轻坡耕地径流对于受纳水体富营养化过程的影响.

草海湿地小流域土地利用与景观格局对氮、磷输出的影响

识别主要污染物和污染源对草海湿地生态系统的保护与管理具有重要的现实意义.基于2012年5—10月6个小流域的水质观测数据、土地利用结构与景观格局指数,研究了草海湿地入湖小流域氮、磷输出的时空变化规律及其与景观格局的关系,以期为草海湿地综合治理提供参考.结果表明,草海湿地北面建设用地面积比例呈西北、东南方向逐渐降低和景观破碎度逐渐减小的趋势,具有明显的城市-城郊-农村的景观格局梯度,景观格局影响流域水质.多元统计分析表明,小流域氮磷输出受景观组成属性和空间属性综合影响,城镇建设用地百分比与TN、TP和COD呈显著正相关关系(r分别为0.995、0.978和0.996,p<0.01),景观破碎度(CONTAG、ED、MPS)和多样性(SHDI)与水质(TN、TP、COD)具有显著的相关关系,CCA的第一排序轴解释了建设用地面积比例、景观指数与水质指标相关性的96.0%.可见,威宁城镇化快速发展威胁了草海湿地生态安全,需进行草海周边城镇化进程的调整和控制.

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。

红壤丘陵区小流域典型土地利用的面源氮磷输出特征

科学识别不同土地利用方式下的径流污染输出特征是治理流域面源污染的前提.以南方红壤丘陵地区小流域为例,野外实地观测对比了不同降雨特征下林地、种植用地和建设用地的水文过程和面源污染物输出过程.结果表明,土地利用方式影响着地表径流的水文水质过程,典型降雨下3类用地类型产流时间及产流累积雨量的特征为:建设用地(9 min,2.0 mm)、种植用地(35 min,11.4 mm)和林地(108 min,24.0 mm);而3种用地类型的总悬浮物(TSS)、总氮(TN)和总磷(TP)的污染物浓度、形态、氮磷比变化及输出强度等污染输出过程特征也呈现明显差异.典型降雨下不同用地类型具有相似的污染输出阶段,径流初期的TSS、TN和TP质量浓度均偏高,之后逐步趋于稳定;产流过程的前30 min贡献TSS、TN及TP负荷的范围均在23%~43%之间.年尺度下,各用地类型对TN和TP负荷的贡献率及单位面积负荷比存在明显差异,表现为种植用地污染负荷贡献最高(57%和45%),而建设用地单位面积负荷比最高(9.50~12.50).结果亦表明小流域面源污染关键源区的分布具有时空动态变化特征,由汇水单元内的用地类型组成和年降雨特征等综合决定;随着次降雨量的增加,主要贡献源由建设用地向种植用地动态转变,治理时需要根据关键源区的分布特征及下垫面产流过程规律进行针对性生态拦截.

红壤丘陵区典型小流域不同下垫面非点源磷输出特征

深入了解不同下垫面非点源污染物的输出特征是小流域综合治理的前提之一。以红壤丘陵地区的典型小流域为例,实地对比观测了降雨条件下林地、农业种植用地(园地和耕地)和建设用地(村镇道路和屋顶)的主要下垫面非点源磷污染物输出过程后发现,典型降雨事件中5种主要下垫面总磷(TP)的场降雨平均浓度为:耕地(0.75 mg·L^(-1))>园地(0.59 mg·L^(-1))>村镇道路(0.38 mg·L^(-1))>林地(0.25 mg·L^(-1))>屋顶(0.08 mg·L^(-1));而TP输出强度依次为:村镇道路(0.07 kg·hm^(-2))>耕地(0.06 kg·hm^(-2))>园地(0.04 kg·hm^(-2))>屋顶(0.021 kg·hm^(-2))>林地(0.019 kg·hm^(-2))。下垫面类型影响着非点源磷的输出形态,建设用地溶解态磷占比最高(51%~71%),林地溶解态磷次之(44%),而种植用地溶解态磷占比最低(25%)。整个小流域土地利用面积占比和磷污染负荷贡献比分别为:林地(87%;55%)>种植用地(9%;42%)>建设用地(1%;3%)。以上结果再结合当地降雨特征及水土流失现状,可为我国红壤丘陵地区小流域非点源污染治理提供参考。

昆明市水源区不同利用类型坡地径流氮和磷的输出特征

采用径流小区法对昆明市松华坝水源区牧羊河中游5种不同利用类型坡地2007年雨季地表径流氮和磷的输出情况进行观测分析.结果表明,随着雨季降雨次数的增加,径流小区产生的水样中,输出的ρ(TN)和ρ(TP)逐渐下降,在7月3日—9月17日的7次采样中,裸地、黄豆地、林地、土豆地和草地径流输出的ρ(TN)分别下降83.2%,79.8%,78.4%,75.9%和75.3%;输出的ρ(TP)分别下降74.6%,62.2%,54.2%,75.3%和72.1%,由此说明氮和磷的输出与地表径流及土壤侵蚀具有一致性.在氮和磷的输出过程中,强降雨对输出影响较大,施肥对输出影响明显.输出的可溶态氮素主要以NO3--N为主.

九龙江流域河流磷输出对土地利用模式及水文状况的响应

本研究应用现场监测、地理信息技术(GIS)、模型模拟和数理统计等方法,基于2015年3月至2017年2月九龙江流域不同主导土地利用类型源头小流域和两条干流河流表层水总磷(TP)、总溶解态磷(TDP)和颗粒态磷(PP)的浓度监测,探究河流磷浓度与输出负荷的时空变化特征,揭示九龙江流域磷输出对土地利用模式及水文状况的响应.结果发现,九龙江流域河流磷浓度和磷输出负荷具有明显的时空变异性.在空间上,农业流域>城市流域>自然流域,西溪>北溪.在季节上,不同类型流域不同形态磷浓度总体表现为春、冬季节较高,而夏、秋季节较低. TP、TDP、和PP输出负荷春、夏季高于秋、冬季,与径流深度的变化趋势基本一致.磷浓度、输出负荷与林地和裸地面积百分比呈负相关关系,与耕地、果园面积百分比呈正相关关系.但不同季节,磷浓度和输出负荷对土地利用和水文状况的响应存在差异,在夏季的相关性最强.结果表明农业非点源污染是九龙江流域河流磷的关键源,提升林地比例有助于保持水土,改善河流水质,尤其在雨季.

天然降雨条件下等高反坡台阶整地对坡耕地氮磷输移的影响

[目的]揭示等高反坡阶整地措施对于坡耕地产流产沙及面源污染物输出的规律,为源头控制坡耕地水土流失和农业面源污染提供科学依据和技术支撑。[方法]以滇中昆明市松华坝迤者流域试验区内已布设等高反坡台阶措施的坡耕地(15°和22°)径流小区样地为对象,基于2019-2021年降雨、径流及水质数据,采用对比分析的方法,研究样地内的产流、产沙、面源污染物氮素、磷素输出的特征。[结果]相同雨型下,研究区样地布设等高反坡阶之后坡度为22°的坡耕地比坡度为15°的坡耕地有更显著的减少坡面产流产沙以及面源污染物氮、磷输出的作用。[结论]等高反坡阶对坡耕地的产流产沙及面源污染物的输出等有显著的控制效果,布设等高反坡阶能够有效地增加坡耕地尤其是坡度较大的坡耕地的保水保土能力。

中国区域土壤表观氮磷平衡清单及政策建议

利用OECD表观氮平衡模型框架,建立了中国表观氮磷平衡核算的框架、方法和数据库.模型结果表明,2003年中国土壤表观氮磷盈余总量分别为640×104t和98×104t,氮磷盈余强度分别为16.56 kg/hm2和2.53 kg/hm2.由于中国氮磷平衡区域分布严重不平衡,面临着氮磷盈余管理和氮磷缺损管理的双重压力.化肥和畜禽粪便是中国土壤氮磷投入最主要的来源,因此是中国氮磷盈余管理最佳切入点.由于各地氮磷投入结构各异,在氮磷盈余严重的中东部地区,不宜采用“一刀切”的政策,而应针对不同地区氮磷输入的特点进行氮磷盈余管理.

九龙江西溪流域沉积物磷的形态与时空分布特征

沉积物磷的内源释放是导致水体富营养化和水华爆发的重要原因。本研究通过现场监测、GIS技术、模型模拟、数理统计等方法,在人类扰动剧烈的九龙江西溪流域开展河流沉积物磷的赋存形态及分布特征研究。研究结果表明,西溪表层水磷浓度和沉积物TP含量在空间上都呈下游较高、上游较低的分布形态;此类TP含量处于143至1516 mg·kg^(-1)的范围内,均值是691 mg·kg^(-1),常见赋存形态是IP,但IP内主要的还是Fe/Al-P,多种形态磷的具体含量变化几乎都满足下列关系式:Ca-P<OP<Fe/Al-P;10月份沉积物TP含量最低,3月份含量最高,和水体内SRP浓度具有相同的变化规律。Fe/Al-P是西溪表面沉积物内TP含量提升的首要原因,OP次之。除此之外,IP与Ca-P对水体内磷含量产生了巨大影响,而氯离子与叶绿素a同样会对水体中磷的浓度产生显著影响,这两个值升高的时候,SRP、TDP与TP均会随之增多,同时温度升高也会增大水体的SRP与TDP浓度。研究结果对人类扰动剧烈的近海流域富营养化防治与水环境保护具有参考价值。

伊通河流域农业非点源污染对水环境的影响模拟研究

针对伊通河流域的农业非点源污染问题,在GIS技术和流域基础数据库的支持下,采用SWAT模型建立了该区农业非点源污染模型。对研究区农药化肥中的氮、磷元素,泥沙的时空分布状况及总氮进入地下水的状况进行了模拟研究。模拟结果表明该模型精度满足要求。通过模型模拟计算,泥沙的输出量1985及2008年分别为7.04×106和3.46×106 t。1985年总氮和总磷的输出量分别为20 400和2 300t;2008年的输出量分别为1985年的1/2。6,7,8这3个月污染物质输出所占比例较大,约占全年的90%。同时模拟结果还显示,通过渗透进入地下水的氮量不能被忽视,1985年和2008年通过下渗进入到地下水中的氮量约为当年其他形式输出量的2.4和5.5倍。

中亚热带不同森林类型对地表径流磷动态的影响

磷是亚热带森林生产力的主要限制因子之一,其随地表径流的输出是森林磷流失的重要途径,且可能受不同森林类型的显著调控,但缺乏必要关注.着眼于中亚热带不同类型森林的地表径流,分析米槠(Castanopsis carlesii)人工幼林、杉木(Cunninghamia lanceolata)人工幼林、米槠次生林及杉木人工成熟林对地表径流总磷浓度及输出的影响,为深入认识亚热带森林磷迁移过程及有效森林经营提供一定科学基础数据.结果显示:(1)不同森林类型的地表径流产流量大小为米槠人工幼林(1506.06±5.18 m^(3)/hm^(2))>杉木人工幼林(971.56±2.88 m^(3)/hm^(2))>米槠次生林(552.85±2.45 m^(3)/hm^(2))>杉木人工成熟林(468.83±1.81 m^(3)/hm^(2));(2)不同森林类型地表径流总磷浓度之间存在显著差异,表现为米槠次生林(0.239±0.093 mg/L)>杉木人工成熟林(0.138±0.042 mg/L)>杉木人工幼林(0.064±0.033 mg/L)>米槠人工幼林(0.057±0.040 mg/L);(3)4种类型森林地表径流磷输出量为米槠次生林(124.54±1.53 g/hm^(2))>米槠人工幼林(93.24±0.98)g/hm^(2)>杉木人工幼林(72.11±0.1.22 g/hm^(2))>杉木人工成熟林(56.49±0.49 g/hm^(2));(4)4种类型森林的地表径流量与降水之间均存在极显著(P<0.01)的相关关系.上述结果表明不同森林类型磷随地表径流的输出差异显著,阔叶林磷随地表径流的流失可能显著大于针叶林.(图3表2参34)

长江流域磷及“三磷”入河通量及其对干流关键断面磷通量的贡献:模型与情景分析

河流磷含量是河流水质的一个重要指标.全球和区域尺度上河流磷的循环和含量的关系已经被广泛关注,但河流磷的来源及其对河流磷通量的贡献在空间格局上存在巨大的差异.近10年来,长江流域磷矿、磷化工和磷石膏(简称“三磷”)的陆源输入可能是河流磷的重要来源之一,但“三磷”的入河量及其对长江关键断面磷通量的贡献仍然不清楚.本研究基于流域高分辨率(100 m×100 m)的土地利用、磷的生物地球化学收支、河流strahler分级理论、河道截留的“spiraling”理论等,模拟流域陆源磷的入河量、长江关键断面磷输送通量及“三磷”入河量对长江输送磷通量的贡献份额,并将模型结果与长江关键断面连续2年(2016—2017年)的实测结果进行对比验证.结果表明,长江流域2010—2017年多年总磷入河量约为52.0×10^(7)kg,总磷入河模数为(285.19±23.38)kg·km^(-2)·a^(-1).流域总磷入河量主要受到面源输入和“三磷”输入的控制,其中,“三磷”入河量从9.23×10^(7)kg增加到26.57×10^(7)kg.长江流域“三磷”入河量存在显著的空间变化,金沙江下游、乌江流域、长江上游地区、岷沱江流域、汉江和长江中游等子流域“三磷”贡献了长江磷输送通量的32.8%,是长江磷的主要来源之一.模型情景分析揭示情景3、4、9减排效果显著且可以实现,建议作为当前长江水环境磷规划管理工作的首要选择.

基于物质流分析的密云水库上游流域磷循环特征

运用物质流分析方法,对北京市地表饮用水源地——密云水库流域进行了磷循环特征的研究;分析了研究区域内种植业、畜牧业、人口和简单子系统内部及子系统间的磷输入输出状况,以及系统整体的代谢效率特征,讨论了流域水体磷污染负荷的影响因素.研究结果表明:①化肥、饲料添加剂和农药是流域磷输入的主要来源,占直接物质磷输入总量的52.9%;整个系统向环境输入磷2868.44t,其中的26.5%直接进入水体.②在水体磷负荷中,畜牧业系统的贡献最大,为1800.26t,达到输出总量的82%,其次为种植业系统,占9.4%.③系统整体结构不协调,呈现单向和开放状态.研究区种植业系统运行出现磷亏缺,并具有区域性和不均衡性的特点;而畜牧业系统则出现磷盈余,整体结构不协调;畜禽的排泄物未能得到有效处置和循环再生,其中进入水体的量占畜禽粪尿磷总量的40.9%,从而造成严重的资源浪费和广泛的生态环境影响.④水体污染负荷与城市化率密切相关.