香溪河流域农业面源磷迁移转化及流失过程特征研究

摘要

三峡水库蓄水运行后，部分支流已出现“水华”现象。由于库区人均耕地面积少，化肥农药过量施用，坡耕地地表径流及土壤侵蚀引起的氮磷流失是三峡库区农业面源污染及水体富营养化的主要原因。本论文以湖北库区香溪河流域典型土壤（紫色土PS、黄壤YS、石灰土CS、黄棕壤YBS）为研究对象，通过资料调研分析、室内模拟试验及现场监测分析，研究了三峡库区小流域农业面源磷迁移机制及流失特征，并由此提出相应的防控措施。研究结果为三峡库区水环境安全、特别是支流水体富营养化流域的治理及库区农业可持续发展制定管理措施、建立环境管理决策支持系统等提供有力依据。本文主要研究内容和结论如下：
　　（1）采用陈化培养模拟试验研究了4种类型土壤磷吸持释放、吸附解吸特征及机制。结果表明在一定环境条件下（施磷强度、淹水深度、酸雨 pH、有机酸等），不同类型土壤释磷量均表现为 YS＞CS＞YBS＞PS。对同一类型土壤，施磷量越大、淹水深度越深、酸雨酸性越强，土壤释磷量越大，且更易向淹水中释磷。不同环境条件淹水过程中，土壤磷形态中 Ca2-P、S/L-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P较 O-P和 Ca10-P更易与淹水发生交换作用，且各形态含量变化复杂。Freundlich和Langmuir方程可以较好的拟合土壤磷等温吸附过程，Elovich方程和双常数方程描述4种类型土壤磷吸附解吸动力学较优。土壤对磷的吸附和解吸都是吸热反应，即随温度升高土壤对磷的吸附解吸量均逐渐增大。有机酸可以促进土壤磷释放，降低土壤对磷的吸附，其活化作用随有机酸浓度提高而增强。综合土壤流失风险测试指标、固磷指标及磷流失“突变点”临界值分析表明，4种类型土壤流失风险大小顺序表现为PS≥YS＞CS＞YBS。
　　（2）采用室内扰动土模拟降雨试验，以土柱装置研究磷渗漏淋失特征，以土槽装置研究磷地表径流流失规律。土柱渗漏液WTP浓度随着降雨次数增加，其浓度逐渐减小并趋于稳定。其中，淋滤液以 DP为主，而 DRP含量占DP的80％以上。土柱各层STP含量随降雨次数增加呈减小趋势，土柱表层STP含量为最高，随土层深度递减。4种类型土壤土柱各层土壤中 IP占60%以上，各层土壤Fe/Al-P迁移转化最活跃，OP和Ca-P含量相对稳定。土槽地表径流磷和泥沙磷流失量随降雨强度的增加而增加，而在降雨特征和下垫面特征恒定条件下，土槽坡面磷流失量随坡度增大而增大，在20°左右出现最大值。而 WTP浓度和SeTP浓度与降雨强度和坡度关系不明显。不同雨强、坡度和施磷条件下，磷随泥沙流失量远大于径流流失量，均超过流失TP量70%。高施磷强度土槽坡面径流WTP和泥沙SeTP含量大于平均施磷强度和不施磷土槽，且高施磷强度径流磷和泥沙磷负荷量均较高。
　　（3）通过现场监测2012年自然降雨原位小区分析三峡库区农业面源氮磷地表径流流失特征。监测小区地表径流和泥沙氮磷流失量和流失率在15°左右出现极值，随径流水流失的氮磷负荷量要远小于随侵蚀泥沙流失氮磷量；径流水中流失的总氮量要高于总磷量，径流泥沙中流失的总磷量要高于总氮量。不同类型土壤随地表径流流失的氮磷负荷量大小均为 PS＞YS＞CS，而氮磷流失率表现为YS≥PS＞CS；CS总氮和碱解氮富集系数较PS和YS大，而PS的总磷和有效磷富集系数较 CS和 YS大。5种种植模式年氮磷流失量大小依次为 R-S＞V-P＞B-C-S＞C-W＞C-G，而其氮磷流失率表现为C-W＞V-P≥R-S＞B-C-S＞C-G；R-S和B-C-S的氮磷富集系数均较大，而C-G和V-P氮磷富集系数相对较小。

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第1章 绪论

1.1 农业面源磷污染概述

1.2 农业面源磷在土壤中的运移转化过程

1.3 国内外农业面源污染研究进展

1.4 本课题研究背景、目的和意义

1.5 本课题研究内容及技术路线

第2章 三峡库区香溪河流域农业面源污染现状

2.1 引言

2.2 自然环境概况

2.3 社会环境概况

2.4 流域污染源与河流水质现状

2.5 小结

第3章 土壤磷释放影响因素及形态转化特征研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 流域土壤磷释放影响因素分析

3.4 土壤磷释放形态转化特征研究

3.5 土壤磷释放机理及形态转化机制分析

3.6 小结

第4章 土壤磷吸附解吸机制及环境风险研究

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 土壤磷吸附解吸模型拟合分析

4.4 有机酸对土壤磷吸附解吸影响研究

4.5 土壤磷流失潜力环境风险分析

4.6 小结

第5章 土壤磷渗漏淋失规律及迁移特征模拟研究

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.3 降雨和施肥对土壤磷渗漏淋失特征的影响

5.4 不同类型土壤磷淋失形态及迁移转化特征

5.5 小结

第6章 模拟降雨条件下扰动土壤磷流失规律研究

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.3 降雨对坡面磷素流失的影响

6.4 地形对坡面磷素流失的影响

6.5 施肥对坡面磷素流失的影响

6.6 坡面磷流失过程机制分析

6.7 小结

第7章 自然降雨原位小区面源氮磷流失特征研究

7.1 引言

7.2 材料与方法

7.3 监测小区降雨及农业耕作

7.4 小区监测结果分析

7.5 监测小区农业面源氮磷流失特征

7.6 三峡库区农业面源污染防控措施分析

7.7 小结

第8章 结论、创新点与展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间参与科研项目及发表论文情况