三峡库区兰陵溪小流域水土及养分流失特征研究
三峡库区近年来水体富营养化严重，农业面源污染是导致水环境质量下降的重要原因，加强对入库流域农业面源污染的控制，对三峡库区水质和水资源安全具有重要的现实意义。秭归县兰陵溪小流域是典型的丘陵区农林复合小流域，前期研究与监测显示小流域水体氮磷持续超标，集水区富营养化现象加重。本研究以兰陵溪小流域为研究对象，2016和2017年度5～10月在径流场、集水区和小流域尺度系统观测与研究，综合利用断面监测法、综合水质评价、基流分割法、GIS空间分析等方法，分析集水区氮磷输出、综合水质及其与土地利用结构的关系，揭示小流域土壤侵蚀和养分流失分布，解析土壤养分氮磷径流和泥沙输出特征及途径，揭示养分迁移途径，识别氮磷输出关键期，探究径流氮磷输出对典型降雨响应，为开展农业面源污染防治提供科学决策依据。基于2017年的监测与研究，主要结果如下: (1)径流特征。2017年5～10月，小流域降雨量为1022.6 mm，总径流深度达682.6 mm，其中基流(125.3 mm)和地表径流(557.4 mm)分别贡献18.35％和81.65％。地表径流、总径流与降雨量均显著相关(P＜0.01)。总体上，小流域总径流系数为66.8％，其中地表径流系数为54.5％，具有较高的径流转化率。 (2)土壤侵蚀。2017年5～10月小流域共输出泥沙482.81 t，泥沙侵蚀模数为335.28t·km-2·a-1，属微度侵蚀。泥沙输出与总径流和地表径流均达到显著相关(P＜0.01)。次暴雨事件出现对土壤侵蚀具有重要影响，次暴雨事件(08/28)产生泥沙流失(50.02 t)占8月总泥沙流失的49.9％。侵蚀输出泥沙（径流场、测流堰）沙粒为主要形态，占颗粒形态的80％以上。泥沙中粘粒、粉粒含量均与泥沙粒径分形维数显著正相关(P＜0.01)，沙粒含量与分形维数显著负相关(P＜0.05)。泥沙粒径可以作为“指纹因子”来示踪小流域的泥沙来源。 (3)集水区氮磷养分输出。小流域分为7个集水区，自上而下其径流氮磷养分浓度逐渐增大，其总氮、总磷、硝态氮、铵态氮浓度范围分别为2.14～22.37 mg·L-1，0.01～0.10mg·L-1，1.08～20.86 mg·L-1，0.03～0.17 mg·L-1。各集水区氮磷浓度存在较大差异，其综合水质属于Ⅲ～Ⅴ类（综合水质标识指数法）。其中，两个集水区未达地表水功能区标准，其土地利用结构分别为林地69.04％，耕地0.85％，园地20.91％，住宅用地6.49％，未利用地1.77％，水域0.94％;林地48.96％，耕地3.92％，园地17.90％，住宅用地20.78％，未利用地4.64％，水域3.80％。总氮是全部集水区超标项目，其中硝态氮约占80％，是综合水质不达标的关键因子。集水区径流综合水质与林地比例显著负相关，与住宅用地和园地比例显著正相关。与其他集水区比较，林地集水区氮磷输出较低，综合水质稳定性更强。 (4)小流域径流养分输出浓度。2017年小流域总氮、总磷、硝态氮、铵态氮输出日平均浓度分别为14.752、0.039、10.594和0.150 mg·L-1。其中，总氮浓度超地表水Ⅴ类标准，铵态氮和总磷属地表水Ⅰ类和Ⅱ类标准。氮磷比(378.3)远高于库区适合藻类生长的标准，属氮限制性水体。 (5)小流域径流养分流失负荷。径流养分流失途径分为地表径流和基流。径流养分流失负荷中，总氮、总磷、硝态氮、铵态氮共输出8.926 t·km-2、0.039 t·km-2、5.990 t·km-2、0.115 t·km-2，其中通过地表径流的输出占总径流的77.81％、76.12％、82.71％和88.88％。基流养分输出高峰期在6～8月，地表径流养分输出高峰期在8～10月。 (6)小流域氮磷输出降雨径流响应。硝态氮浓度与径流量呈负相关，初期效应不显著;铵态氮和总磷与降雨量显著正相关(P＜0.05)，初期效应显著。小流域氮磷养分在降雨过程中的初期效应大小顺序为总磷＞铵态氮＞总氮＞硝态氮。 (7)小流域泥沙养分流失负荷。总氮、总磷、硝态氮、铵态氮共输出0.109 t·km-2、0.328 t·km-2、0.010 t·km-2、0.001 t·km-2，7～10月为泥沙氮磷输出的高峰期，总氮、总磷分别占泥沙氮磷流失总负荷的70.94％和75.80％。泥沙中氮素含量与泥沙粉粒、粘粒百分比显著正相关(P＜0.05)，总磷含量与粒径未达到显著水平，氮磷养分含量均与沙粒百分比成负相关。沙粒是泥沙养分输出的主要颗粒形态，通过沙粒输出的各养分负荷均超出泥沙养分总负荷的65％以上。 (8)小流域养分流失特征。总体上，总氮、总磷、硝态氮、铵态氮共流失9.034 t·km-2、0.367 t·km-2、6.016 t·km-2、0.117 t·km-2。8～10月为养分流失高峰期，贡献了养分总流失的60％以上。径流贡献了总负荷的98.8％、10.6％、99.8％和98.9％，泥沙流失负荷占总负荷的1.2％、89.4％、0.2％和1.1％。 (9)2017年兰陵溪小流域总氮、总磷、硝态氮、铵态氮的流失负荷与基流、地表径流和泥沙量具有良好的线性回归关系。通过回归模型估算小流域养分年流失负荷为总氮14.551 t·km-2·a-1、总磷0.397 t·km-2·a-1、硝态氮9.671 t·km-2·a-1、铵态氮0.217 t·km-2·a-1。小流域年氮肥流失率为20.3％，远高于库区氮肥平均流失率9.0％;磷肥流失率为5.4％。与库区平均流失率(5.7％)相当。
小流域;径流养分流失;土壤侵蚀;氮磷输出;水质稳定性
中国林业科学研究院
硕士
森林生态学
黄志霖
2018
中文
X522
95
2018-11-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）