农业流域面源污染特征对氮磷盈亏平衡的响应研究

摘要

农业面源污染主要来源于农业生产和农村生活，不仅会造成水体富营养化等生态环境破坏，同时也会对人类的生产和生活安全构成严重的威胁。目前，农业面源污染研究主要有以下几方面困难:①监测数据局限性。由于分散性、随机性、广泛性和监测困难等特点，有限的流域定点监测难以完全反映面源污染物在景观条件下的输移特征;②面源研究片面性。在研究面源污染输移过程中，更多的是侧重于单个因子影响下营养物质的流失和迁移过程，对于复杂景观条件下营养物质的输移特点、时空动态变化及其与面源污染形成之间的相互关系开展的工作较少;③影响因素复杂性。由于组成景观系统的地形地貌、土壤、植被和人类活动等因子时刻变化，加上复杂的景观格局特征，研究面源污染形成过程和输移特征难度更大;④尺度影响不确定性。流域和岸边带尺度对面源污染的贡献一直是争论的焦点，枯、丰水期面源污染输出大小尚无统一定论。
　　本文选取丹江口库区胡家山和五龙池典型小流域，采用野外调查、流域常规和降雨监测相结合的方法，借助遥感和地理信息系统等手段，综合运用基于河流距离的贝叶斯最大熵方法，空间回归模型，AnnAGNPS模型和养分盈亏平衡模型等多种方法手段，模拟估算了未知河流水质，不同时空尺度下河流水质与流域特征的关系，以及景观单元养分的盈亏平衡状态与面源污染的相互影响等，从景观单元入手，明确了养分循环及其向水体迁移转化的过程和机理，揭示了其迁移转化规律。取得的主要结论与成果如下:
　　(1)基于河流距离的贝叶斯最大熵模型能更好地对流域水系氮磷浓度时空变化特征进行估算，流域水系60％以上河流氮磷浓度超标。以丹江口库区胡家山小流域为研究区域，以2008～2012年水质总氮和总磷常规监测数据为基础，摒弃传统欧氏距离，选取河流距离，运用贝叶斯最大熵方法对河流水系中未监测区域氮、磷浓度时空分布特征进行估算和评价，并对氮、磷污染河段进行预测，提出适用于面源污染河段的评价方法。总氮和总磷浓度变化范围分别为1.04～6.81 mg/L和0.01～7.77 mg/L。在枯水期时总氮污染河段比例为85％，小于丰水期污染河段比例89％，而总磷污染河段在枯水期为82％，丰水期为65％。氮、磷浓度较大的区域主要集中于流域中下游地区。
　　(2)耕地和居民地是流域面源污染的主要来源，且在枯水期流域尺度和丰水期100-150 m岸边带尺度对水质的影响更大。运用空间自相关分析和空间回归模型方法，综合分析了监测数据的空间自相关程度，以及氮、磷污染物输出与不同尺度流域时空分布特征的密切关系。空间滞后回归模型在100～150m空间尺度范围内对氮、磷的解释程度最大为88％和89％，能够更好的预测其与流域特征之间的关系。氮、磷浓度与林地呈负相关，与居民地和耕地呈正相关，并且居民地和耕地对氮、磷浓度的影响更大。空间自回归模型检验了氮、磷的自相关性分别为0.51和0.20，通过空间回归模型，将共线性和自相关性影响降到最低。与普通最小二乘法相比，空间回归模型能更好的解释流域主控因子与氮、磷输出的关系，适合在受空间影响较大的区域内进行模拟。
　　(3)河流水质受景观异质性影响显著，其中景观蔓延度、最大斑块指数等在100m岸边带尺度对氮、磷水质指标影响更大。结合流域和100m河岸缓冲带景观类型及其格局，利用逐步回归和冗余排序法定量描述景观格局与河流水质的耦合关系。景观格局指数中蔓延度、林地和居民地斑块密度、林地和居民地最大斑块指数以及林地和耕地聚集度指数等显著影响河流水质(p＜0.05)，100 m岸边带尺度各景观类型的景观指数对总氮和总磷的解释程度均高于流域尺度，其中蔓延度对总氮和总磷均有显著影响。此外，河流水质指标受景观格局季节变化影响也十分显著。枯水期景观指数能够更好的解释总氮和总磷变化，而丰水期对氨氮的解释程度要好于枯水期。
　　(4)与下半年相比，流域上半年氮磷盈余量较大;景观单元中居民地和耕地的油菜种植盈余量最大，玉米种植亏损量最大。选取流域内面源污染较严重的五龙池流域为研究对象，深入到景观单元尺度去计算每一个景观单元内氮、磷的盈亏状况，研究氮、磷面源污染关键源区的分布。结果表明，各景观单元中总氮盈余范围为1～946 kg，总磷为1～386 kg。林地和水体中养分盈亏平衡量很少，养分盈余量最大的为居民地，其次为耕地。在上半年，耕地中每个景观单元营养物质都有盈余，但油菜氮、磷盈余量最大;下半年红薯、花生等有少量的盈余，玉米中氮、磷都呈现亏损状态。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 选题依据

2 文献综述

2．1 面源污染

2．1．1 面源污染概念

2．1．2 面源污染来源与特征

2．1．3 农业面源污染研究现状

2．1．4 我国农业面源污染研究的不足

2．2 养分盈亏平衡

2．2．1 养分盈亏平衡概念

2．2．2 国内外研究现状

2．2．3 存在的问题及研究趋势

2．3 养分盈亏与农业面源污染

3 总体目标、研究内容与技术路线

3．1 总体目标

3．2 主要研究内容

3．3 拟采取的技术路线

4 流域氮磷污染物季节变化与空间分布特征

4．1 研究区概况

4．1．1 自然条件概况

4．1．2 社会经济状况

4．1．3 面源污染现状

4．2 材料与方法

4．2．1 数据收集

4．2．2 研究方法

4．2．3 污染河段评价

4．3 结果与讨论

4．3．1 总氮浓度时空分布特征

4．3．2 总磷浓度时空分布特征

4．3．3 胡家山流域污染河段氮磷时空变化

4．4 小结

5 流域土地利用与氮磷污染物输出特征

5．1 研究区概况

5．2 材料与方法

5．2．1 数据收集

5．2．2 研究方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 氮磷输出时空变异特征

5．3．2 不同空间尺度流域特征分析

5．3．3 流域特征与氮磷浓度自相关分析

5．3．4 胡家山流域特征对氮磷输出的影响

5．4 小结

6 流域景观异质性与河流水质耦合关系

6．1 研究区概况

6．2 材料与方法

6．2．1 数据收集

6．2．2 研究方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 河流水质时空变化特征

6．3．2 景观格局时空异质性

6．3．3 河流水质与景观格局关系

6．4 小结

7 基于景观单元的养分盈亏平衡

7．1 研究区概况

7．1．1 自然条件概况

7．1．2 社会经济状况

7．1．3 水土流失与面源污染现状

7．2 材料与方法

7．2．1 数据收集

7．2．2 研究方法

7．3 结果与讨论

7．3．1 五龙池流域土地利用变化特征

7．3．2 五龙池流域河流氮磷时空变化特征

7．3．3 五龙池流域土壤氮磷时空变化特征

7．3．4 五龙池流域氮、磷盈亏变化特征

7．4 小结

8 结论与总结

8．1 主要结论

8．2 特色与创新

8．3 问题与展望

参考文献

攻读博士期间论文成果与学术研究

致谢