基于Morris和Sobol法的茶园地上部生物量与氮磷流失模拟敏感性分析

[目的]揭示土壤、地形和作物参数对DNDC模型模拟的茶园地上部生物量与氮磷流失量的影响程度,识别各模型输出的最敏感参数,为模型的率定提供指导方案。[方法]基于天目湖流域茶园径流小区数据和DNDC模型,应用定性的Morris法和定量的Sobol法对模拟的茶园地上部生物量、氮磷流失量(包括氮磷淋失量和含氮气体排放量)和水分渗漏量进行敏感性分析,评估了各个模型输出结果的敏感参数,并借助蒙特卡洛方法量化模型输出的不确定性。[结果]对地上部生物量产生最主要影响的参数为成熟作物中籽粒占总生物量之比;对氮淋失量产生最主要影响的参数为土壤黏粒含量;对磷淋失量产生最主要影响的参数为土壤容重;对水分渗漏量产生最主要影响的参数为坡度;对N_(2)O排放量产生最主要影响的参数为初始土壤有机碳含量;对NO排放量和对NH3排放量产生最主要影响的参数为土壤pH。各输出结果中,磷淋失量的不确定性最大,变异系数为43.84%;水分渗漏量的不确定性最小,变异系数为2.36%。Morris法和Sobol法相比,Morris法优在方便省时,Sobol法优在准确全面,两种方法得到的参数敏感度排序总相关性为0.86,具有一定可替代性。[结论]在率定模型之前,先应用Morris法确定敏感参数的范围,再应用Sobol法精确量化,从而快速准确地筛选出模型敏感参数。在此基础上,固定非敏感参数,先重点校正敏感作物参数,再校正敏感土壤参数。本研究可为DNDC模型参数的本地化提供科学支撑,提高该模型对天目湖流域茶园生态系统的模拟精度和效率。

天目湖流域茶园不同施肥水平与方式对茶叶品质和土壤氮磷淋失浓度的影响

[目的]出于对天目湖流域水环境保护的需要,揭示施肥对茶叶品质和土壤氮磷淋失的影响机制,遴选流域内茶园最佳施肥模式,进而为天目湖流域面源污染治理提供理论支撑。[方法]基于长期定位试验,考虑了两种施肥方式(传统复合肥CF和优化缓释肥OF),并设置了CF/OF 1(214.73,74.26 kg/hm^(2)),CF/OF_(2)(245.40,84.86 kg/hm^(2)),CF/OF 3(306.75,106.08 kg/hm^(2))和CF/OF_(4)(368.10,127.30 kg/hm^(2))4个氮磷施用水平,以探讨其对天目湖茶园土壤氮磷淋失浓度和茶叶品质的影响。[结果]在同等施肥水平下,相较于CF处理,基于OF的茶园土壤溶解性总氮、硝态氮、溶解性总磷和正磷酸盐淋失浓度分别减少40.22%~82.31%,44.86%~62.39%,26.67%~96.36%和20.00%~97.29%;不同施肥水平和方式对茶叶水浸出物含量的影响很小(变化范围47.4%~48.7%),但对茶叶酚氨比的影响显著,其中2022年春茶以CF_(4)最低(2.52),其次为CF 1(2.71)和OF 1(2.76)。[结论]综合考虑茶叶品质和土壤氮磷淋失浓度等因素,采用OF 1施肥模式可在确保研究区茶叶品质不降低的条件下有效减少土壤的氮磷淋失。

天目湖沙河流域近20年土地利用变化对叶绿素浓度的影响

天目湖沙河流域集饮用、灌溉、旅游、渔业等多种功能为一体,对区域生态安全保障起到至关重要的作用。针对该区域保护与开发并存的实际需求与压力,为研究区域富营养化程度及人类活动对库区主要水环境因子的综合影响,以2001、2011、2021年3个时段卫星遥感影像与叶绿素a浓度监测值为基础数据进行相关研究:①研究时间段内天目湖流域均处于中富营养状态;②根据遥感影像将天目湖流域内的土地类型分为水体、林地、草地、耕地、建筑用地、裸地,其中耕地面积受人类活动的影响增长83%;③分析了各土地利用面积与库区水质目标管理核心指标叶绿素浓度变化的相关性。结果表明:叶绿素a浓度与水体、林地、建筑用地、耕地面积成正相关,与草地、裸地面积成负相关,其中建筑用地、耕地面积与叶绿素浓度的相关系数分别为0.536和0.773,均在一定程度上影响着库区水环境状态。研究结论从流域尺度表明了沙河流域土地利用与水环境保护存在密切联系,可为实施库区系统规划和保护提供重要参考。

太湖上游低山丘陵地区不同用地类型氮、磷收支平衡特征

不同用地类型的土壤氮、磷收支平衡决定了氮、磷在土壤的富集,进一步影响氮、磷的流失强度,分析该过程有助于揭示不同用地类型对区域的环境效应.以位于太湖上游低山丘陵地区的天目湖流域为研究区,采用农户调查问卷、土壤和植被生物量实验分析、文献调研和氮、磷表观平衡模型的方法,选择研究区的茶园、水田、马尾松林和竹林四种典型用地类型,系统分析了氮、磷的输入要素,包括肥料输入、大气沉降、秸秆返田/枯枝落叶、生物固氮、人畜排泄物返田,以及输出要素,包括植物生长吸收、氨挥发、反硝化,并比较不同用地类型氮、磷收支特征.在此基础上进一步与土壤表层氮、磷含量比较,揭示太湖流域上游丘陵山区主要用地类型的水环境效应.研究结果显示:土壤氮、磷盈余量大小顺序为茶园>水田>马尾松林>竹林,分别是648.6、248.9、115.5、53.6 kgN/(hm2.a)和319.9、29.7、1.2和-3.4 kgP/(hm2.a);氮、磷利用效率以竹林最高,茶园的氮、磷利用效率均最低,仅为15.0%和3.1%;土壤氮盈余量与表层氮含量未能呈现出一致的关系,土壤磷盈余量与表层磷含量比较类似,并由此得出竹林比马尾松林更有利于水环境保护,而茶园对水环境的不利影响超过水田.

太湖上游水源保护区生态补偿支付意愿问卷调查——以天目湖流域为例

在天目湖流域建立生态补偿机制,形成上游生态保护激励机制,对于太湖流域水环境改善有着极为重要的作用.本文通过问卷调查的方式,首先,调查了解天目湖流域居民对环境保护和生态补偿的认知状况,得出天目湖流域居民环境保护意识很强,生态补偿需求旺盛.其次,对居民和旅游者的生态补偿支付意愿进行了解.最后,对最大支付意愿公式进行改进,在原有水费反哺的基础上结合了旅游者门票反哺的最大支付意愿,算出天目湖流域生态补偿总额为12924.08万元.同时生态补偿不仅仅是物质或货币的补偿,更重要的是从国家与省市层面上对天目湖这一重要生态功能区给予一定的政策倾斜.

太湖上游丘陵区典型水塘反硝化潜力变化特征及其影响因素

水塘是连接上游集水坡地和下游水体的重要水文通道,也是氮素发生生物地球反应的重要场所.作为氮素高效去除的首要机制,水塘的反硝化脱氮潜力及其影响因素亟待揭示.本研究选择太湖上游丘陵区天目湖流域4类(茶园塘、村塘、养殖塘、林塘)共14个典型水塘为研究区,分别监测了其夏、秋季水质和沉积物变化特征,并利用膜进样质谱法(MIMS)直接测定水塘水体中溶存的反硝化产物N浓度.结果发现,14个水塘上覆水中N过饱和浓度在1.36~28.35μmol/L之间,平均值为(8.23±6.04)μmol/L,夏季和秋季N过饱和浓度分别为(8.81±4.08)和(7.64±7.46)μmol/L,夏季高于秋季,不同类型水塘N2过饱和浓度大小顺序为:茶园塘>村塘>养殖塘>林塘;结合水气交换通量模型估算了反硝化潜力,14个水塘的反硝化速率均值为(4.75±3.27)mmol/(m^(2)·d),反硝化速率大小顺序为:茶园塘>村塘>养殖塘>林塘.相关分析结果表明,反硝化作用与水体中硝态氮浓度呈显著正相关,与溶解氧浓度呈显著负相关;反硝化作用同样与沉积物中硝态氮含量呈显著正相关,与容重呈负相关,说明水塘反硝化作用同时受上覆水中硝态氮、溶解氧以及沉积物容重等理化性质共同调节.进一步通过与传统的反硝化测算方法对比验证,发现采用膜进样质谱法并结合水气交换通量模型来估算水体反硝化潜力具有可行性,同时操作简便、所需样品少、测定速度快,适用于淹水环境反硝化作用的测定.

天目湖流域茶园非点源污染多尺度模拟

为定量评估茶园开发非点源污染产出对流域水环境的影响,本研究利用遥感手段揭示天目湖流域2000—2019年土地利用的时空变化特征,解析土地利用的数量结构和空间格局,并集成SWAT模型与APEX模型构建基于“源-汇”的一系列要素和过程的多尺度集成模拟方法。天目湖流域土地利用变化分析结果显示,规模化开发茶园后,该地呈现水源涵养区茶园集中成片、水库周边茶园向上游持续蔓延的特征。APEX-SWAT集成模型在天目湖流域取得了较好的模拟精度,模拟结果表明:规模化茶园开发后,茶园用地类型对天目湖流域的氮磷负荷贡献持续上升,至2019年,茶园总氮产出贡献超出其他土地利用类型成为第一贡献者,总磷产出仅次于耕地成为第二贡献者,洙漕河流域和平桥河流域成为两大重点氮磷产出的茶园聚集区。针对茶园的施肥削减、过滤带设置和退茶还林3种减污措施的情景模拟结果显示,退茶还林措施的氮磷削减效果最佳,其次为10 m过滤带设置,最后为20%施肥量削减。研究建议根据当地实际情况与经济效益,将水源涵养区高氮磷流失的茶园区转换为林地,并结合过滤带设置与避免雨前施肥等措施,实现丘陵山区茶园开发影响下的水源地水生态保护调控。

太湖流域水库型水源地硅藻水华发生特征及对策分析

基于溧阳市天目湖沙河水库2009—2014年的硅藻群落结构及水质调查,以及宜兴横山水库等硅藻水华期藻类和水质调查数据,分析了太湖流域水库中硅藻水华群落结构特征及受气温、水位、营养盐等环境条件的影响.结果表明,太湖流域硅藻水华的主要发生期为5—7月,快速生长期发生在气温为16-26℃期间,当气温超过26℃时,硅藻的生物量开始下降.硅藻的优势属包括针杆藻、曲壳藻、小环藻和颗粒直链藻.其中沙河水库和横山水库中针杆藻是主要危害,其生物量主导了硅藻总生物量.大溪水库有时以针杆藻为主,有时以颗粒直链藻为主.当总氮浓度低于1.0 mg/L的Ⅲ类水上限时,水体氮浓度能大大限制硅藻生物量,当总磷浓度低于0.025 mg/L的Ⅱ类水上限时,也可能对硅藻生物量产生限制.高于此营养水平,硅藻水华的严重程度主要受气温、降雨等因素影响.研究表明,对于处于中营养水平的太湖流域水库而言,硅藻生物量既受气温、降雨、水位等气象水文条件的控制,又受氮、磷、硅等营养盐供给的影响.硅藻水华的防控既要关注气候和气象条件,也要尽量削减氮、磷营养盐入湖通量,维持较低营养盐水平是确保硅藻水华不形成危害的关键.

水源地上游塘坝水质评价及其影响因素研究

为探究水源地上游塘坝的水质状况,于2020年6月、8月、10月、12月和2021年2月、4月对天目湖流域上游33个塘坝水体进行采样与测定,利用单因子评价法、模糊综合评价法对塘坝水质状况进行评价,采用RDA分析探究塘坝小流域内影响水质的因素.结果表明,单因子评价法下,流域内塘坝水质结果差,TN是决定性因子,水质以Ⅴ类、劣Ⅴ类水为主,模糊综合评价法下,流域内塘坝水质结果一般,Ⅰ至Ⅴ类水均有分布;小流域内单位面积施肥量对TN的影响最大,茶园施肥是天目湖流域上游塘坝TN浓度高的主要原因.研究结果对维护水源地上游塘坝良好水质,改善河流源头水环境具有参考意义.

基于DEM高程的天目湖流域林地动态变化研究

在GIS技术支持下,以天目湖流域多时序遥感数据、土地利用数据以及DEM数据为本底,对天目湖流域1995-2015年的林地在不同高程范围的动态变化进行定量分析。结果表明:(1)20年间,天目湖流域林地类型面积在不同高程范围呈现不同的发展趋势,有林地在小于190 m的海拔范围变化剧烈;疏林地以及灌木林地主要分布在小于120 m的海拔范围内,且灌木林地在小于30 m的高程范围内增长迅速;其他林地分布面积随海拔的降低而变大,在小于30 m海拔范围内达到最大,成为分布面积最大的林地结构类型。(2)林地类型之间转化频繁,且与海拔变化存在一定的相关性,在相对较低的海拔范围内,在人为干扰下,有林地主要转化为其他林地和建设用地;在相对较高的海拔范围内,自然因素是其转化的主要因素。

基于SWAT模型的天目湖流域径流模拟分析

SWAT模型作为一种分布式水文模型已被国内外学者广泛应用于流域尺度的水文模拟分析。本文以天目湖流域为研究区,用DEM、土地利用等空间数据及CMADS中的气象数据等属性数据,在SWAT-CUP中通过率定、验证等方法,对该流域2009-2018年的径流进行了模拟。本次率定的决定系数R为0.68,Nash-Suttcliffe效率系数NS为0.66,验证的R为0.70,NS为0.65。率定和验证的两个评价参数都大于0.5,说明本次模拟结果较好,对天目湖流域内总磷、总氮等污染物的模拟数据进行分析是可行的,这可为当地的水资源规划和水资源可持续发展提供参考。

长江三角洲跨界流域生态产品交易机制——以天目湖流域为例

生态价值多元化实现是落实区域一体化生态保护格局的经济政策保障。针对当前生态产品交易制度不完善与市场活跃度问题,以天目湖流域水质净化服务产品为例,提出一条生态保护市场化与生态产品增值的双向促进道路:基于长序列监测数据与水文水质过程模型,提出流域生态保护基准概念及其约束下生态产品交易边界,精准核算基准年水质净化产品的可交易量为1.37 t,基准价格为1186.71万元/t/年;面向近10年产品实际供需主体的内在联系,揭示了“三类五种”生态产品交易机制类型,并选择设计了低端产品退出—高端产品激励的典型交易模式。生态产品交易实施为研究区生态价值实现提供市场化路径,为国内同类地区一体化生态保护格局保障提供思路。