生态沟渠对水稻不同生长期降雨径流氮磷的拦截效应研究

农田养分的大量流失已成为农业面源污染的主要来源之一,研究生态沟渠对稻田降雨径流氮磷拦截效应具有重要意义。针对水稻不同生长期内的降雨以及降雨的不同时段下生态沟渠对稻田径流氮磷的动态拦截效应研究缺乏的现状,本文选取太湖西岸何家浜流域典型农田作为研究对象,将该流域的自然排水沟渠改造为生态沟渠。研究了生态沟渠对水稻不同生长期内的3场降雨径流的氮磷去除效果。研究结果表明:(1)在3场不同强度的降雨过程中,生态沟渠对TN(总氮)的平均去除率为31.4%,TP(总磷)的平均去除率为40.8%;(2)生态沟渠对降雨径流不同形态氮磷的去除率大小为NH4+-N(氨氮)PN(颗粒态氮)NO3--N(硝态氮),PP(颗粒态磷)DP(溶解态磷),且PN和PP的去除率随沟渠径流量的增大而呈现下降趋势;(3)生态沟渠底泥总氮、总磷浓度在水稻的生长周期内呈现先增加后降低的趋势,说明生态沟渠具有一定的自净能力,对氮磷的拦截去除具有可持续性。     

灌区沟塘湿地对稻田排水中氮磷的原位削减效果及机理研究

沟塘系统是控制农田面源污染的有效措施,本文通过修整灌区内承泄沟塘、重建其水生植物系统,研究了沟塘湿地对稻田排水的原位削减能力及机理。试验结果表明,通过沟塘底泥、水生植物等的综合净化作用,沟塘出流水中总氮TN和总磷TP平均质量浓度分别较入口减小22.01%和9.59%,实现了对稻田排水中氮磷的原位削减,其中氮磷单峰浓度消减均近似服从指数规律。较小的沟塘入流浓度和较长的沟塘净化时间利于获得更大的消减率,因此,建议利用排水沟系对稻田排水进行先期调蓄,初步净化后再排入沟塘,以提高沟塘净化效果。沟塘拦水坝的修建使得底泥吸附在水体净化过程中作用更加明显,0～40cm深底泥在稻麦轮作年TN截留量达1.559kg·m-2、TP累积量达0.394kg·m-2,吸附量可观;水生植物氮磷吸收是沟塘水质净化的重要途径,收割是实现其净化有效性的关键环节,仅移除芦苇和茭草茎叶,可除去氮193.69kg·hm-2和磷33.49kg·hm-2。芦苇和茭草综合对比表明,茭草更适于当地排水沟塘选用。     

稻田与沟塘湿地协同原位削减排水中氮磷的效果

农田排水中氮磷流失造成了水体富营养化及面源污染等一系列水环境问题。提出了控制农田面源污染的稻田沟塘湿地协同系统(PEDWS)，研究了该系统及其各组成部分对农田排水中氮磷的削减效果及机理。结果表明：PEDWS可有效地减少稻田排水量，降低稻田排水中氮磷浓度，对稻田排水中氮磷实现原位削减。较传统灌排系统减少排水量73.03%，分别减少总氮(TN)和总磷(TP)流失负荷90.17%和79.53%；PEDWS中各组成部分都具有控污效果，其中稻田控制灌排可有效地减少稻田排水、降低排水中氮磷浓度和田间产污能力，控制灌溉稻田TN和TP负荷较传统灌溉减少53.72%和37.45%，明沟控制排水对稻田排水中TN和TP的去除率达到64.59%和54.35%，沟塘湿地能够有效地净化稻田排水中氮磷等污染，TN去除率达到37.13%，TP去除率达到27.32%。本文研究结果可为PEDWS在我国的应用提供理论支持及实践指导。     

稻田与沟塘湿地协同原位削减排水中氮磷的效果

农田排水中过多的氮磷会造成水体富营养化以及面源污染等一系列水环境问题。本文提出控制农田面源污染的稻田沟塘湿地协同系统,研究了该系统及其各组成部分对农田排水中氮磷的削减效果及机理。研究结果表明：该系统可有效地减少稻田排水量,降低稻田排水中氮磷浓度,对稻田排水中氮磷实现原位削减。其较传统灌排系统减少排水量73.03%,分别减少总氮（TN）和总磷（TP）流失负荷90.17%和79.53%;该系统中各组成部分都具有控污效果,其中稻田控制灌排可有效地减少稻田排水、降低排水中氮磷浓度和田间产污能力,控制灌溉稻田TN 和 TP 负荷较传统灌溉减少53.72%和37.45%,明沟控制排水对稻田排水中 TN 和 TP 的去除率达到64.59%和54.35%,沟塘湿地能够有效地净化稻田排水中氮磷等污染,TN 去除率达到37.13%,TP 去除率达到27.32%。本文研究结果可为该系统在我国的应用提供理论支持及实践指导。     

双季晚稻田灌溉径流氮磷分布特征研究

以浙江绍兴地区曹娥江流域双季晚稻耕作区为研究对象,划分农田系统为引水系统、田间积水、排水系统等3个子系统,研究了在晚稻生长期灌溉动力作用下农田各沟渠径流氮素（总氮、硝酸盐氮、氨氮）及总磷浓度分布特征,并探索了秸秆覆盖裸田对氮、磷流失的影响。结果表明：（1）晚稻生长期间,硝酸盐氮是灌溉径流可溶性氮流失的主要形态,占总氮浓度的63.2%~92.9%。径流氨氮浓度所占比例较低,仅为5.1%~32.1%,且呈田间积水>排水系统>引水系统的分布特征;（2）晚稻生长期内农田排水系统总磷浓度是逐级下降的,降幅在14%~26%,但拔节孕穗期田间磷素流失较弱,而返青分蘖期和抽穗结实期则反之;（3）秸秆覆盖能明显减轻裸田氮素的流失,但对各沟渠径流总磷浓度影响不大。     

紫色土丘陵区典型生态-水文单元径流与氮磷输移特征

通过对紫色土丘陵区典型农业-集镇-林地复合型小流域3次降雨-径流全过程的连续监测，测定径流过程中泥沙含量和不同形态氮磷浓度，以期认识典型农村生态-水文单元降雨径流过程中氮磷迁移规律。结果表明：降雨-径流过程中悬浮泥沙的流失主要集中在径流前期，其峰值出现在雨强最大时；集镇径流污染的影响主要表现在径流前期，是径流前期铵态氮偏高的主因；降雨-径流过程中，颗粒态氮与可溶态氮比（PN/DN）、颗粒态磷与可溶态磷比（PP/DP）的峰值均出现在雨强较大时：其中PN/DN多小于1，而PP/DP范围为1.1~30.2，说明氮素流失主要通过可溶态的方式，而磷的迁移以颗粒态磷为主。因此在紫色丘陵区建议利用湿地植物与沉砂池等综合措施控制土壤侵蚀和非点源污染以保护当地生态环境安全。     

紫色土丘陵区典型生态-水文单元径流与氮磷输移特征

通过对紫色土丘陵区典型农业-集镇-林地复合型小流域3次降雨-径流全过程的连续监测,测定了径流过程中泥沙含量和不同形态氮磷浓度,以期认识典型农村生态-水文单元降雨径流过程中氮磷迁移规律。结果表明：降雨-径流过程中悬浮泥沙的流失主要集中在径流前期,其峰值出现在雨强最大时;集镇径流污染的影响主要表现在径流前期,是径流前期铵态氮偏高的主因;降雨-径流过程中,颗粒态氮与可溶态氮比（PN/DN）、颗粒态磷与可溶态磷比（PP/DP）的峰值均出现在雨强较大时：其中 PN/DN 多小于1,而 PP/DP 范围为1.1~30.2,说明氮素流失主要通过可溶态的方式,而磷的迁移以颗粒态磷为主。因此在紫色丘陵区建议利用湿地植物与沉砂池等综合措施控制土壤侵蚀和非点源污染以保护当地生态环境安全。     

城市降雨径流污染初始冲刷效应对BMPs选择的启示

指出城市降雨径流污染初始冲刷效应(FFE)在城市非点源污染的研究中占有重要地位。综述FFE的判定及大小定量化方法、季节性FFE的概念和污染物的相态对FFE的影响。FFE初中期雨水径流污染物浓度高的特性,为选择经济高效的最佳管理措施(BMPs)提供了理论依据和重要启示。结合FFE及冲刷过程中污染物的形态提出的工程BMPs,能使资源配置和污染控制效果达到最优化,为城市公共管理部门的决策和实践提供建议。     

次暴雨下作物植被类型对农田氮磷径流流失的影响

基于汛期次暴雨径流实验数据,研究了淮北地区不同作物植被类型下农田地表氮磷径流流失规律和特征。结果表明,作物植被类型差异对地表径流量、土壤侵蚀量、氮磷径流流失量影响的强弱顺序大致为裸地>玉米地>棉花地>黄豆地。作物叶面积指数应是导致不同作物植被类型下地表径流量和土壤侵蚀量差异明显的主要影响因素。而影响氮磷径流流失量的要素则与作物叶面积指数和地表径流量密切相关。对具有较高植被覆盖度的黄豆和棉花地而言,可溶性氮磷是农田氮磷径流流失的主要形式,而玉米地中颗粒态氮和可溶性磷分别是农田氮磷径流流失的主要形式。在当地汛期种植黄豆、棉花等高叶面积指数的作物可有效减少氮磷地表径流流失,减缓农业面源污染带来的威胁。     

稻田沟渠施肥后降雨径流中氮素迁移规律研究

农田养分的大量流失已成为农业非点源污染的主要来源之一,针对施肥后降雨作用下农田沟渠氮素迁移规律的研究对农业非点源污染的防治具有重要意义。由于水稻生育后期施肥量大大减少,故以宜兴市何家浜上游的水稻耕作区为研究对象,重点对比分析了施肥后降雨作用下水稻生长前期沟渠水的氮素浓度分布特征,以及降雨径流过程中沟渠氮素的迁移规律。研究结果表明:(1)降雨量≤15 mm的限制型降雨事件中,处于施肥中期、末期的沟渠系统整个降雨过程中TN浓度波动范围较小;(2)水稻生长前期沟渠系统氮素输出的主要形态为NH4+-N和NO3--N,且降雨初期径流以颗粒态氮为主;(3)沟渠对氮素具有截留效应,沿沟渠水流方向氮素含量总体上沿程下降。     

降雨空间尺度对径流模拟的影响研究

通过分析不同分辨率的雷达降雨数据所产生的降雨空间分布的变化对径流模拟的影响发现:本文所用的基于DEM的蓄满产流分布式水文模型对降雨时间和空间的变化是比较敏感的;由于降雨空间分辨率的变化计算的径流总量、洪峰都有不同程度的变化,但是这种变化的大小又与降雨场的特征、流域面积的大小以及土壤含水量的变化有很大的关系:随着面平均降雨量(P BAS)的增减,洪量也随着增减,P BAS与洪量有很好的相关性;降雨CV值的增加导致洪峰和洪量都相应的增加;流域的面积越小洪峰和洪量对降雨空间变化就越敏感;在前期干旱的条件下降雨空间变化导致的洪峰和洪量的变化要比在湿润的条件下产生的洪峰和洪量的变化大。     

不同形式生态沟渠截除农田径流污染物效果分析

为探索上海地区生态沟渠不同布置方式对农田径流污染物拦截效果的影响,构建了2种不同布局的生态排水沟渠系统("一"字型和"弓"字型),针对2种不同径流进水污染物浓度(一般浓度和较高浓度)水平,对生态沟渠农田径流营养性污染物的截除效果开展了研究。结果表明:2种不同布置方式的生态沟渠对径流污染物均有较好的截除作用,对SS、TN、NH_4~+-N、TP的去除率分别在13%~28%,12%~41%,14%~47%,12%~55%之间,总体来看,"弓"字形生态沟渠对污染物的去除效果要优于"一"字形生态沟渠;一般浓度水平下,"弓"字形生态沟渠对SS、TN、NH_4~+-N、TP去除率分别比"一"字形高13.63%,27.49%,32.17%,11.98%;较高浓度水平下,"弓"字形生态沟渠对SS、TN、NH_4~+-N、TP去除率分别比"一"字形高10.71%,20.06%,25.86%,22.83%。最后,对生态沟渠相关应用与今后的研究提出了建议。     

Nitrogen and phosphorus changes and optimal drainage time of flooded paddy field based on environmental factors

While many controlled irrigation and drainage techniques have been adopted in China, the environmental effects of these techniques require further investigation. This study was conducted to examine the changes of nitrogen and phosphorus of a flooded paddy water system after fertilizer application and at each growth stage so as to obtain the optimal drainage time at each growth stage. Four treatments with different water level management methods at each growth stage were conducted under the condition of ten-day continuous flooding. Results show that the ammonia nitrogen (NH⁺₄-N ) concentration reached the peak value once the fertilizer was applied, and then decreased to a relatively low level seven to ten days later, and that the nitrate nitrogen (NO^-₃-N) concentration gradually rose to its peak value, which appeared later in subsurface water than in surface water. Continuous flooding could effectively reduce the concentrations of NH⁺₄-N, NO^-₃-N , and total phosphorus (TP) in surface water. However, the paddy water disturbance, in the process of soil surface adsorption and nitrification, caused NH⁺₄-N to be released and increased the concentrations of NH⁺₄-N and NO^-₃-N in surface water. A multi-objective controlled drainage model based on environmental factors was established in order to obtain the optimal drainage time at each growth stage and better guide the drainage practices of farmers. The optimal times for surface drainage are the fourth, sixth, fifth, and sixth days after flooding at the tillering, jointing-booting, heading-flowering, and milking stages, respectively.     

单元坡面汇流过程研究

随着计算机和GIS技术的不断发展与应用,分布式水文模型,特别是流域分布式暴雨—径流模型,已成为研究的热点。但是,该模型模拟水文过程的峰现时间普遍存在滞后现象,如何提高分布式暴雨—径流模型模拟峰现时间精度是目前研究的难点。本文通过实验室模拟实验,得到了不同雨强落至不同坡度下垫面上的单元坡面汇流过程曲线,在霍顿汇流模型基础上,提出新的水面线方程,改进了霍顿汇流模型,从而为修正流域分布式暴雨—径流模型,进一步模拟水文过程并为比较准确预报峰现时间提供了实验基础和理论依据。     

不同次降雨条件对黄土区主要地类水沙动态过程的影响及其机理研究

通过野外人工模拟降雨试验，对不同次降雨条件下黄土丘陵区主要地类坡面水沙过程进行对比研究，分析降雨因素与产流产沙过程的关系，并对林草植被的水土保持机理做了有益探讨。结果表明，降雨因素是影响径流和产沙的主要动力因素之一，在不同降雨条件下，各地类小区产流产沙过程线均表现出较为强烈的波动趋势，产沙过程较产流过程波动更为剧烈，在植被覆度较低的黄土丘陵区，降雨强度是产流产沙的主控因子。不同地类的产流量和产沙量的变化，随着降雨强度的增强而增加，随着植物被覆度的增加，由于林草植被措施具有蓄水固土作用，减沙效益显著，降雨的影响相对降低。因此将陡坡耕地退耕还林还草是解决水土流失、恢复黄土高原良性生态环境的必由之路。     

丹江口水库流域月尺度降雨与径流预报研究

以汉江上游丹江口水库流域为研究区域,通过降雨-气象遥相关分析从74项大气环流因子中筛选出预报因子,建立月降雨量与预报因子间的多元线性回归模型,根据大气环流因子对月降雨量进行预报,并构建研究区域的SWAT模型,以预报的月降雨量作为模型输入,实现月径流量的预报。以2012年逐月降雨及径流为例,模型对降雨和径流预报的合格率均约为83%,预报效果较好。研究表明,根据降雨量-大气环流因子的统计相关关系预报月降雨,并结合水文模型进行径流预报,对研究区域具有一定的适用性。     

汶川震区滑坡堆积体降雨入渗产流特征人工模拟实验研究

5.12汶川地震引发了大量的滑坡堆积体,在雨水的冲刷下,不仅会造成山体崩塌,还会发生次生灾害。本文以汶川震区滑坡堆积体为研究对象,采用室内人工模拟降雨方法,探讨了不同降雨强度和土石比条件下滑坡堆积体坡面产流与入渗规律。结果表明:(1)除土石比1∶4的滑坡堆积体在所设计的降雨强度(1.0,1.5和2.0 mm/min)和土石比为1∶2滑坡堆积体在降雨强度为1.0 mm/min时没有出现产流,其他条件下的滑坡堆积体的产流时间随着降雨强度的增大而减小,而产流率随着降雨强度的增大而增大,且土石比为1∶1的平均产流率比土石比为1∶2的滑坡堆积体大。(2)根据3种入渗模型的对比分析,可知Horton模型为最适合震区堆积体的入渗模型。(3)在降雨强度为1.5 mm/min时,土石比1∶1的滑坡堆积体累积产流量比土石比为1∶2的堆积体大;在降雨强度为2.0 mm/min时,土石比1∶1和1∶2滑坡堆积体累积产流量的变化规律几乎相同。本研究可为汶川震区滑坡堆积体的灾后修复提供实验依据。