紫色土丘陵区不同土地利用类型小流域氮素流失规律初探

摘要： 以紫色土丘陵区3个土地利用类型各异的小流域为研究对象,监测了20场自然降雨侵蚀下径流氮素的流失 过程,旨在为流域尺度养分流失预测模型的发展与校正提供依据。结果表明,次降雨过程中硝态氮的流失浓度随 着流量的增加而降低,峰值流量处浓度一般达到最低;此后,随着流量的减小,硝态氮的流失浓度又呈现增加趋 势。铵态氮流失过程表现为波浪形变化,径流初期其流失浓度一般较高,随着时间的延长逐渐降低并趋于稳定。 硝态氮是紫色土小流域氮素流失的主要形式,其占到径流无机氮流失的50%~97%。单一农田土地利用将导致流 域     

川中丘陵区小尺度范围非点源氮素流失特征分析

为研究自然降雨条件下紫色土地块-小流域尺度农业非点源氮素随径流流失的特征,采用野外径流观测法,对2011年川中某紫色土丘陵区12次典型降雨产流事件进行了监测,测定径流量及径流中氮素浓度与负荷变化情况。结果表明:旱地流失负荷值远大于林地流失负荷值,且旱地氮素流失主要集中在施肥后的初期降水事件中,占流失总量的76.1%;壤中流氮素平均浓度为0.98~54.1mg/L;旱地氮素迁移有显著月变化特征,明显受到当地施肥习惯和汛期降雨量影响。陈家湾农林复合小流域氮素迁移特点分析表明,该小流域受到多种土地利用类型影响,径流氮素浓度波动范围不大;但在大雨降雨事件中,浓度在降雨后期有所升高,体现了"末期冲刷效应"。研究结果可为调控长江上游紫色土丘陵区氮素流失提供参考。     

川中紫色土区小流域土地利用与土壤流失关系

根据长江上游水土流失重点防治工程总结报告,建立小流域土壤流失量、轻度以上侵蚀土地面积与农地、林地、荒地、其他用地面积无截距多元回归模型,以及小流域土壤流失量与不同侵蚀强度土地面积无截距多元回归模型,分析不同类型土地的侵蚀模数、土壤流失率、土壤流失比、土壤流失面积比,不同侵蚀强度土地侵蚀模数、土壤流失比。结果表明：（1）农地、林地、荒地、其他用地的土壤侵蚀模数分别为 2 353、2 319、12 162、-2 750t/km2·a;前三者的土壤流失比分别为56%、25%、19%,水土流失的首要用地类型是农地,但在个别小流域,林地或荒地也会是产生土壤流失的首要用地类型,其他用地对土壤流失起到抑制作用;（2）农地、林地、荒地的土壤流失率分别为52%、34%、100%,土壤流失面积比分别为72%、16%、12%,农地流失面积比远高于其他用地类型,但在个别小流域,林地流失面积比大于农地; （3） 无明显侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度以上侵蚀土地土壤侵蚀模数分别为-481、2 500、484、8 068t/km2·a;轻度侵蚀、中度侵蚀、强度以上侵蚀土地土壤流失比分别为8%、33%、59%,强度侵蚀土地是水土流失的主要来源。     

滁州花山水文实验流域氮流失特征分析

以滁州花山水文实验流域为研究对象,研究不同土地利用类型中各种形态的氮随径流流失的特征。基于2012年10月—2013年9月滁州花山水文实验流域氮素实验观测数据,对流域的氮随径流流失的特征进行了分析。结果表明:林地比重较大的集水区域径流中的TN质量浓度和NO-3-N质量浓度较高,农田比重较大的集水区域径流中的NH3-N质量浓度较高;在林地面积比例较大集水区域,TN质量浓度与NO-3-N质量浓度有较好的相关性;而在耕地面积比例较大的集水区域,TN质量浓度与NH3-N质量浓度表现出较好的相关性。对于嵌套子流域,NO-3-N质量浓度沿河道往下游随集水区域的增大和森林覆被比例的减少而呈逐渐递减趋势;在农田非施肥季节,各个月的TN质量浓度空间上自上而下随森林覆被比例的减少而呈逐渐递减趋势,而NH3-N质量浓度变化较小;在施肥季节,TN质量浓度随NH3-N质量浓度的上升而上升。研究还发现:研究区域汪郢左支断面和军事牌断面的集水区域林地比重高达99.92%以上,虽然人类活动较少,但TN质量浓度较高,分别为2.830 mg/L和4.028 mg/L,高于集水区域农田比重较大的竹园沟断面和新坝断面(两断面农田比重分别为39.59%和35.63%),分别是竹园沟断面和新坝断面的1.42~2.51倍、2.02~3.57倍;这一事实与人们通常的认识不一致,值得进一步深入研究。     

小流域氮流失特征及其影响因素

由非点源流失的氮是造成水体污染的主要因子之一,而土地利用方式往往对氮的流失产生重要影响。本课题在福建省九龙江流域遴选了4个不同土地利用方式的小流域,通过在自然降雨条件下现场采样与室内分析相结合,研究不同土地利用结构的小流域氮的流失特征和影响因素。研究结果表明：总氮、可溶态氮和泥沙结合态氮的浓度通常比径流先达到峰值,然后开始降低;氮的流失以可溶态氮为主(占73%～98.3％),因此其流失量主要受径流量的影响与雨强关系不大;土地利用方式对氮的流失有明显影响,一般植被覆盖度提高可以降低流失,而农业活动会加剧流失;此外,在高植被覆盖度的天然林地,氮的流失呈现出以泥沙结合态为主。通过本研究可以看出土地利用结构的调整和合理布置是九龙江流域非点源污染控制的重点。     

太湖流域典型平原河网区降雨径流氮磷流失特征分析

通过对研究区降雨径流中氮、磷浓度的野外实验和定点监测,研究典型平原河网区的农田降雨径流氮磷流失特征及其输出规律。得出平原河网区内不同土地利用方式对土壤氮、磷流失的影响很大,同时也得出在平原河网地区氮、磷的输出浓度与降雨时间、径流大小密切相关等结论,为进一步相关研究提供资料积累。     

减少氮流失的田间地表控制排水措施研究

针对南方丘陵地区地表排水方式，通过设计和使用自动开启闸门、土工布沙袋和捆扎秸秆作为排水口控制措施，控制降雨初期氮浓度较高的地表水流出农田。通过田间排水试验，研究自动开启闸门、土工布沙袋、捆扎秸秆控制和非控制排水中氮浓度的变化规律，分析了 3种控制排水措施减少农田氮流失的机理和氮浓度随时间的变化。对比非控制排水，3种控制排水措施分别减少了53.2％、44％和39.1％的农田氮流失。以控制排水氮浓度和土壤入渗为目标函数，建立了既减少氮流失又防止涝渍的多目标控制排水模型，探讨了最优的地表控制排水时间。     

不同土地利用类型降雨径流氮磷特征分析——以赣江下游地区为例

为研究赣江下游不同土地利用类型条件下农业面源污染的特征,分析了自然降雨条件下,不同土地利用类型（林地、蔬菜地、水田）的产流规律和降雨径流中氮、磷分布特点。结果表明,不同土地利用类型间地表径流产生量存在明显的差异,其大小依次为林地、蔬菜地、水田;降雨径流中氮、磷的浓度在降雨初期较高,短暂升高后,开始出现显著下降趋势,具有明显的初期冲刷效应;蔬菜地降雨径流中氮、磷浓度最高,其次为水田,而林地最低。研究结果可为防治赣江下游不同土地利用类型降雨径流中氮、磷流失提供参考依据。     

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。     

水文过程对农业小流域氮素迁移的影响

以江西低丘红壤区农业小流域为研究对象,在自然降雨条件下对小流域内试验小区、上游灌渠和小流域出口径流中的氮素浓度进行监测,旨在从小区尺度和小流域尺度阐明农业小流域氮素流失与降雨和径流的关系。结果表明:在小区坡面流中,硝态氮浓度随降雨径流的变化趋势不明显,铵态氮和全氮浓度随降雨径流的增加呈先增加后降低的趋势;壤中流对硝态氮的流失有主要影响,而坡面流对全氮的流失作用不可忽视。小流域的氮素流失主要发生在4~6月,其间氮素NH4 -N、NO3--N和TN的流失量在上游干旱地灌渠分别占年流失量的74%、61%和62%;在小流域出口分别占年流失量的82%、70%和79%。年全氮流失量达43.8kg/hm2,占氮素施用量的22.6%。     

红壤坡地氮溶质分层输出特征试验研究

南方红壤丘陵地区降水集中且多暴雨,土层薄,易被冲刷侵蚀,坡地农林开发中以径流为载体传输的氮素面源污染对水环境造成威胁。本文利用大型土壤渗漏装置,在施肥前、施肥后、施肥后一年3个不同时期3场自然降雨事件下,对植草覆盖、干草敷盖和裸露3种处理下红壤坡面氮素随径流垂向分层输出特征进行分析。结果表明:地表径流总氮(TN)输出量各处理排序为裸露干草敷盖植草覆盖,壤中流和地下径流总氮的输出量干草敷盖裸露植草覆盖。在暴雨条件下红壤坡面径流中总氮分层输出以地下径流为主(占55.28%~95.30%),氮素流失不仅体现在地表(占0.12%~42.16%),更多地还体现在地下的壤中流和地下径流。植生覆盖和枯落物覆盖等水土保持措施有利于可溶性无机氮的下渗。     

基于改进型DNDC模型的小流域非点源氮迁移过程模拟与空间拓展应用

以长江上游紫色土区截流堰小流域（0.35 km2）和大兴小流域（4.65km2）为研究对象,应用基于水文过程的生物地球化学循环模型—改进型DNDC模型对紫色土区小流域径流、泥沙和氮流失过程进行研究。本文采用截流堰小流域2007～2009年和2010～2011年径流、泥沙和氮迁移监测数据分别对模型进行参数率定和验证,检验模型在紫色土区的适用性,然后利用大兴小流域2011年水文、水质监测数据对该模型进行拓展验证,探讨模型在具相似空间结构特征的小流域实现尺度拓展的可行性。结果显示：率定期和验证期月径流、土壤侵蚀、氮流失Nash-Sutcliffe效率系数Ens大多超过0.80,相对误差Re均在15%以内。拓展验证期间,月径流、土壤侵蚀、总氮（TN）和颗粒态氮（PN）的Nash-Sutcliffe效率系数Ens分别为0.70、0.55、0.76和0.71,相对误差Re分别为6.2%、31.2%、9.5%和30.4%,模型较好的反映了大兴小流域径流、泥沙和氮迁移过程。但是模型拓展验证期间,泥沙、颗粒态氮的模拟偏差有所增大。     

基于改进型DNDC 模型的小流域非点源氮迁移过程模拟与空间拓展应用

以长江上游紫色土区截流堰小流域和大兴小流域为研究对象,应用改进型DNDC（Enhanced Denitrification Decomposition Model）模型对紫色土区小流域径流、泥沙和氮流失过程进行模拟研究。采用截流堰小流域2007-2009年和2010-2011年径流、泥沙及氮迁移监测数据分别进行模型参数率定和验证,检验模型在紫色土区的适用性,然后利用大兴小流域2011年水文、水质监测数据对该模型进行拓展验证,探讨模型在具相似空间结构特征的小流域尺度拓展的可行性。结果显示：率定期和验证期月径流、土壤侵蚀、氮流失Nash-Sutcliffe效率系数大多超过0.80,相对误差均在16.36%以内。拓展验证期,月径流、土壤侵蚀、总氮（TN）和颗粒态氮（PN）的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.70、0.55、0.76和0.71,相对误差分别为6.2%、31.2%、9.5%和30.4%。改进型DNDC模型能较好模拟紫色土区小流域径流、泥沙和氮迁移过程,但尺度拓展过程中泥沙、颗粒态氮的模拟偏差有所增大。     

紫色丘陵区典型小流域暴雨径流氮磷迁移过程与通量

对紫色丘陵区盐亭截流小流域2007年3次暴雨径流的全过程进行了连续监测,测定了径流量及降雨—径流过程中氮、磷的形态、浓度与通量变化。结果表明,N、P各形态浓度变化曲线与流量曲线趋势大致相同,总氮(TN)浓度迅速达到峰值后缓慢下降,而后期又略呈上升趋势,硝态氮(NN)浓度变化总体呈上升趋势,颗粒态氮(PN)与颗粒态磷(PP)浓度在径流过程中迅速达到峰值后陡然下降,氨态氮(AN)及磷酸盐(PO43-P)含量较低且波动较小。暴雨径流前期氮素迁移以PN为主,主要来源于地表径流,受降雨强度控制。后期以NN为主,来源于土壤硝酸盐随壤中流淋失。磷素主要以地表径流迁移的PP为主。暴雨径流导致的N、P流失负荷巨大,说明初期冲刷效应明显。     

紫色土丘陵区小流域非点源氮迁移特征研究

对长江上游紫色土丘陵区盐亭县林山乡典型的集镇小流域和农林复合小流域的非点源氮迁移过程进行了同步监测，比较分析了两不同类型小流域的径流过程及降雨-径流过程中氮素各形态浓度、负荷变化特征。结果表明了集镇小流域和农林复合小流域径流过程与非点源氮迁移过程均存在较大差异：（1）集镇小流域径流过程与降雨过程迅速响应，径流过程呈现“暴涨暴落”的特点。相反，农林复合小流域径流过程显著滞后于降雨过程，呈现出显著的“滞后效应”。（2）集镇小流域总氮（TN）、颗粒态氮（PN）以及铵态氮（NH4+-N）浓度在降雨径流初期迅速升高，而后迅速下降，呈现明显的“单峰”。相反，农林复合小流域在小雨事件中氮素浓度变化较小，但在中雨和暴雨事件过程中，初期径流中氮浓度较低，而中后期逐渐升高。（3）集镇小流域TN、PN、NH4+-N迁移过程体现了显著的“初始冲刷效应”，其中初期25%的径流量平均携带了50%的TN负荷、71%的PN负荷、64%的NH4+-N负荷，而农林复合小流域TN、可溶性氮（DN）、硝态氮（NO3--N）则体现了一定的“末期冲刷”的特点。     

基于不同土地利用类型下的初期雨水径流污染特征分析与LID措施研究

探究初期雨水径流污染物在不同用地类型下的变化规律,对比分析海绵城市建设技术对径流污染的控制效果。首先对landsat 8卫星影像资料进行目视解译将天津市河西区解放南路郁江道研究区分为9类二级用地类型,之后根据土地利用类型划分结果和雨水管网资料建立SWMM水质模型并进行相关参数率定,最后模拟典型径流污染物悬浮固体(SS)的污染特征和低影响开发设施(LID)对其的削减效果。结果表明:不同土地利用类型和重现期下,径流污染物均呈现先增大后减小最后稳定在某一数值附近即初期雨水径流污染效应。采用渗透铺装和生物滞留池对径流SS拦截效果明显,但随着降雨强度增大,其处理能力逐渐达到饱和,处理效果不明显。