基于DNDC模型的三峡库区小流域氮素动态模拟——以王家沟流域为例

摘要

三峡是举世瞩目的水利工程。从三峡工程建成水库开始蓄水，水体局部的富营养化开始频繁，甚至出现水华现象。这对库区的生态环境造成了严重的威胁。因此，本文以三峡库区王家沟小流域为基础，应用DNDC模型模拟流域土壤氮素的变化规律特征，分析土壤氮素动态变化与地表水氮素动态变化关联性，进一步分析土壤养分流失机理，从而为三峡库区农业可持续发展、生态环境建设、降低面源污染提供理论依据。
　　本研究主要内容包括：⑴DNDC模型较好的模拟了王家沟小流域土壤氨态氮，硝态氮的动态变化规律，同时也较好地模拟了产量和气温，结果表明模拟之和实测值相关性显著，且相关系数均在0.9以上，说明模型很好的捕捉到了王家沟小流域土壤氮素的动态变化信息和气温、产量的信息。所以，模型已经具备了模拟王家沟小流域土壤氮素动态变化的能力。⑵三峡库区小流域土壤氨态氮、硝态氮含量是随着时间逐渐减小的，且一年之内出现两次波峰，第二次的峰值大于第一次的峰值。这是由于第二次种植期为榨菜，与第一期的种植作物玉米相比，土壤的施肥量较大。所以，导致土壤的氮素峰值较高。在同一土地利用方式下，土壤剖面的氮素含量是随着土层深度的增加而逐渐减小的。⑶不同土地使用类型的氮素气体排放含量不等。对于二氧化氮排放量表现为林地＞水田＞旱地＞园地。一氧化氮排放量表现为旱地＞水田＞林地＞园地。氮气和氨气，水田最高，旱地、园地、林地次之。土壤氮气和氨气排是从春季开始到夏季末结束。一氧化氮和二氧化氮排放集中在夏秋季节。⑷土壤氮素淋溶主要以硝态氮为主。这是因为土壤中存在硝态氮和铵态氮，铵态氮带有正电荷，容易被土壤吸附，所以不容易随着降水流失。研究结果表明，一年之内氮素淋失是先升高后降低，是随着降水而变化而变化。不同土地利用方式下，土壤氮素淋溶含量是不一致的，表现为旱地＞园地＞林地＞水田。⑸土壤与地表水硝态氮和氨态氮的含量是变化一致。地表水中的氨态氮与土壤中氨态氮的浓度呈极显著相关(P＜0.05)，而硝态氮的浓度相关性不显著。⑹各个土地利用方式下的土壤中氮素收入不均衡。对整个流域，除园地外，其他土地使用类型氮素是处于盈余状态。农田的氮素输入中化肥、秸秆还田、大气沉降、生物固氮对于氮素输入的贡献率为78.3％、16.25％、2.79％、2.53％，表现为化肥＞秸秆还田＞大气沉降＞生物固氮。可见化肥是养分收入的最大的影响因子。农田的氮素输出中作物收获、反硝化、径流输出对于氮素支出的贡献率为54.67％、29.78％、15.56％，表现为作物收获＞反硝化＞径流输出。作物吸收是养分收入的最大的影响因子。王家沟流域农田氮素收支不平衡，出现了盈余。不同种植系统中，土壤中化肥收入中表现为榨菜＞玉米＞水稻，榨菜达到了三个系统化肥总额的66.2％，玉米28.5％，水稻为5.3％。秸秆还田中表现为玉米＞榨菜＞水稻。大气沉降、生物固氮和农药对于三个系统的影响表现为榨菜＞玉米＞水稻，但是三者对于三个系统的的贡献率为4.97％，不足5％，所以对系统的影响很小。三个系统作物收获的氮含量表现为榨菜＞玉米＞水稻，作物收获对各系统的贡献率为10.7％、34.0％、55.3％，但是三个系统中作物对氮肥的利用率却分别是水稻72.8％、玉米36.1％、榨菜27.9％。反硝化表现为榨菜＞玉米＞水稻。径流输出中水稻、玉米、榨菜的贡献率表现为80.6％、80.6％、19.4表现为水稻=玉米＞榨菜。不同种植系统中的氮素收支不平衡，都出现了氮素的盈余。三个系统中榨菜系统的氮素收入、支出和盈余是最大的，其次是玉米，水稻最小。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 文献综述

1.1 三峡库区自然环境与农业而源污染状况

1.1.1 三峡库区自然环境

1.1.2 三峡库区农业面源污染

1.1.3 主研究内容

1.2 GIS在面源污染中的应用

1.2.1 基于GIS的区域数据库的建立

1.2.2 氮循环模型

1.2.3 GIS与机理模型结合在区域氮动态模拟中的应用

1.3 DNDC模型在模拟氮循环中的应用

1.3.1 DNDC模型简介

1.3.2 DNDC模型模拟过程

1.3.3 DNDC模型的发展

第2章 绪论

2.1 研究目的和意义

2.2 研究目标

2.3 研究内容

2.4 研究技术路线

第3章 材料与方法

3.1 研究区概况

3.1.1 气候

3.1.2 水文

3.1.3 地质

3.1.4 社会概况

3.1.5 土地利用现状

3.2 研究方法

3.3 实验材料

3.3.1 样本的采集

3.3.2 测定项目与方法

3.4 王家沟农业环境信息系统的建立

3.4.1 地理信息系统

3.4.2 土壤信息系统

3.4.3 气候信息系统

3.4.4 土地利用信息系统

3.5 DNDC模型模拟

3.5.1 点位模型

3.5.2 区域模型

3.6 数据处理与计算

第4章 DNDC点位模型的验证

4.1 材料与方法

4.2 结果分析

4.2.1 模拟验证

4.3 讨论

4.3.1 模拟验证

4.3.2 模型的不确定

4.4 小结

第5章 DNDC模型模拟流域土壤剖面氮素的季节变化

5.1 材料与方法

5.2 DNDC模型模拟结果

5.2.1 王家沟小流域土壤氮素含量特征

5.2.2 不同土地利用方式下土壤氮素含量特征

5.3 讨论

5.3.1 土壤氮素动态变化

5.3.2 土壤气体排放的态变化

5.3.3 土壤剖面氮素淋融变化

5.3.4 不同土地利用方式下土壤剖面氮素动态变化

5.3.5 不同土地利用方式下土壤气体排放

5.3.6 不同土地利用方式下土壤氮素淋溶

5.4 小结

第6章 土壤剖面氮素与地表水氮素动态变化的关联性

6.1 地表水与土壤氮素动态变化

6.1.1 地表水氨态氮动态变化

6.1.2 地表水硝态氮动态变化

6.2 土壤剖面氮素与地表水氮素动态变化相关性

6.3 讨论

6.3.1 土壤水域地表水的相关性

6.4 小结

第7章 养分平衡分析

7.1 引言

7.2 数据来源和分析

7.3 结果分析

7.3.1 王家沟小流域农田氮素收支平衡

7.3.2 不同种植体系的氮素平衡状况

7.3.3 王家沟小流域区域氮素收支平衡

7.4 讨论

7.4.1 流域农田氮素平衡

7.4.2 流域氮素平衡

7.5 小结

第8章 结论与展望

8.1 主要研究结论

8.1.1 DNDC模型的点位模拟

8.1.2 DNDC模型的区域模拟

8.1.3 土壤剖面氮素与地表水氮素动态变化的关联性

8.1.4 养分平衡

8.2 展望

参考文献

致谢

参加课题与发表论文