流域非点源磷污染的输出系数时空变异性及其定量识别

摘要

由磷过量所引起的水体富营养化问题已成为当前许多国家和地区水资源可持续利用的限制因素。与点源污染相比，非点源污染是不少流域水体磷的主要来源。如何有效的解析流域不同土地利用类型的非点源磷污染强度，即磷输出系数，是有效制定非点源磷污染控制策略的重要科学基础。本研究围绕流域不同土地利用类型的磷输出系数时空变异性定量识别问题展开，首先，对全球的磷输出系数进行了荟萃分析，获得不同土地利用类型磷输出系数的影响因素以及先验分布;其次，运用LOADEST模型、贝叶斯统计等方法，对浙江省永安溪流域进行了1980-2010年不同土地利用类型（农地、林地、城镇、荒地）磷输出系数反演，明确了点源和非点源磷污染的贡献;最后，借助GIS软件处理进行空间分析，引入土壤地形指数与离河距离的比值标识空间异质性，估算了流域各土地利用类型磷输出系数的空间分布特征。得到的主要研究结果如下:
　　(1)全球农地、林地、城镇、荒地的磷输出系数的荟萃分析显示，各土地利用类型的磷输出系数值均符合对数正态分布，并具有人居地＞农地＞荒地＞林地的关系，且差异性显著。从不同估算方法对同种土地利用类型磷输出系数的影响看，对农地和荒地而言，小流域监测＞模型模拟＞试验小区测算的结果;对林地而言，试验小区测算＞小流域监测＞模型模拟的结果;而三种方法对人居地的估算结果差异不显著。
　　(2)从全球磷输出系数的区域分布看，亚洲的各种土地利用类型磷输出系数值总体高于欧洲和北美洲，这可能与亚洲较高的人口密度和磷肥施用强度有关。从全球磷输出系数的过去50年时间变化看，不同土地利用类型的磷输出系数变化趋势总体上不显著，但林地的呈现一定的增加趋势。
　　(3)同种土地利用类型的磷输出系数具有巨大的时空变异性，这不仅与降水量、径流量和施肥量有关，而且与坡降、离河远近、土壤类型、废水废弃物处理比例等因素息息相关。总体而言，不同土地利用类型的磷输出系数随着降雨量或径流量增加而呈现出幂函数增加的趋势，而农地的磷输出系数与磷肥施用量存在较弱的线性正相关性。
　　(4)LOADEST模型可以有效预测1980-2010年永安溪横溪和柏枝岙断面长时间序列河流磷输出负荷。柏枝岙和横溪两个断面的河流磷输出负荷分别增加了25.5倍和18.5倍。河流磷输出负荷的年际变化受到降雨量以及人类活动的影响，然而，化肥磷输入与河流磷输出之间可能存在着11年左右的时间滞后性，使得近10年的河流磷输出并未随着化肥磷输入的减少而出现下降。
　　(5)通过考虑以上影响因素，所建立的磷输出系数贝叶斯反演模型对横溪和柏枝岙断面的河流磷输出负荷模拟均具有较高的精度，为长时间序列的流域不同土地利用类型磷输出系数估算提供了有效工具
　　(6)从磷污染的源区识别结果看，横溪和柏枝岙断面河流磷输出负荷主要来源于点源污染以及人居地和农地的非点源污染。两个集水区的磷输出系数均表现为人居地＞农地＞荒地＞林地。
　　(7)流域的磷输出系数空间异质性分析。本研究引入土壤地形指数/离河距离系数对永安溪流域不同土地利用类型的磷输出系数进行空间重置。同种土地利用类型的磷输出系数随着空间分布的改变存在着2-4个数量级的差异。从关键源区可以看出，76-80％的非点源磷污染负荷来源于离河300m的区域。
　　(8)情景预测结果显示，与2000s相比，降低40％的人居地磷输入量可以减少5.4％的总磷输出负荷，而将离河300m内10％的农地调整到＞1000m范围以外的未利用地可以减少6.7％的总磷输出负荷。
　　(9)从实际污染控制的角度看，不仅需要通过磷肥减量化和加强城镇污水处理比例，而且应该鼓励采用保护性耕作、提高汇景观面积等方式，进行源头治理和拦截过程协调控制。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2．1 定义及发展历程

1．2．2 输出系数的获取方法

1．2．3 应用现状及研究进展

1．3 本研究目标和意义

第二章 研究内容与方案

2．1 主要研究内容

2．1．1 基于荟萃分析的磷输出系数时空变异性及其影响因素研究

2．1．2 流域磷输出系数的时间变异性分析

2．1．3 流域磷输出系数的空间变异性分析及情景预测

2．2 研究对象概况

2．2．1 荟萃分析数据来源区域情况

2．2．2 永安溪流域概况

2．3 研究思路和技术路线

2．3．1 全球磷输出系数荟萃分析方案

2．3．2 流域磷输出系数时空变异性实例分析

第三章 基于荟萃分析的磷输出系数时空变异性及影响因素研究

3．1 不同土地利用类型磷输出系数的统计分布特征

3．2 不同土地利用类型磷输出系数的时空变异性分析

3．2．1 不同土地利用类型磷输出系数的空间变异性

3．2．2 不同土地利用类型磷输出系数的时间变异性

3．3 不同土地利用类型磷输出系数的影响因素分析

3．3．1 降雨／径流的影响

3．3．2 旋肥量的影响

3．3．3 其他因素的影响

3．4 本章小结

第四章 永安溪流域非点源磷污染输出系数定量识别

4．1 基于LOADEST模型的河流磷输出负荷预测

4．2 河流磷污染的影响因素分析

4．3 流域不同土地利用类型磷输出系数的贝叶斯反演

4．4 流域磷污染的源区识别

4．5 本章小结

第五章 流域磷输出系数的空间异质性分析及情境预测

5．1 流域磷输出系数的空间异质性识别

5．2 影响磷输出系数的情景设置及对应情景输出负荷预测

5．3 流域非点源磷污染控制的对策，措施及建议

5．4 本章小结

第六章 研究结论、创新点及不足与展望

6．1 研究结论

6．2 创新点

6．3 不足与展望

参考文献

攻读硕士期间科研成果及获奖情况