華南地區(qū)坡面溶解氮流失機(jī)理及流域非點(diǎn)源負(fù)荷解析方法研究.pdf

1、自從20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于點(diǎn)源污染易于識(shí)別和治理，在世界上大部分國(guó)家已得到了較好的控制。隨著工業(yè)污染源的有效控制，非點(diǎn)源污染已成為我國(guó)重要污染類(lèi)型之一，是當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)和諧持續(xù)發(fā)展的重要限制因素。非點(diǎn)源污染具有隨機(jī)性大，模糊性強(qiáng)，分布廣泛，一定的滯后性和潛在性強(qiáng)的特點(diǎn)，在管理和控制上，非點(diǎn)源污染涉及因素多、時(shí)間尺度長(zhǎng)，比點(diǎn)源污染更為因難。如何科學(xué)地認(rèn)識(shí)并有效控制非點(diǎn)源污染已成為我國(guó)當(dāng)前亟待解決的重大科學(xué)與應(yīng)用問(wèn)題。中國(guó)具有廣博的

2、土地面積，自然生態(tài)條件復(fù)雜，非點(diǎn)源污染類(lèi)型多樣而又復(fù)雜，在非點(diǎn)源污染的研究領(lǐng)域上尚有許多的工作要做，而非點(diǎn)源污染負(fù)荷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究及其流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的定量化研究是進(jìn)行非點(diǎn)源污染控制的重要理論基礎(chǔ)。 本研究在中山大學(xué)珠海校區(qū)西南角的實(shí)驗(yàn)小流域——龍?zhí)读饔蛘归_(kāi)，并對(duì)東江流域的非點(diǎn)源負(fù)荷進(jìn)行解析研究。論文的主要?jiǎng)?chuàng)造性成果有： (1)通過(guò)對(duì)華南濕潤(rùn)地區(qū)山林坡地在施肥和不施肥條件下氮素隨天然降雨徑流的流失過(guò)程的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

3、，比較了山林坡地在施肥和不施肥條件下氮素隨降雨徑流的流失特征，揭示了華南濕潤(rùn)地區(qū)山林坡地氮素隨降雨徑流的流失機(jī)理，分析了實(shí)驗(yàn)坡地營(yíng)養(yǎng)物流失形態(tài)和比例，計(jì)算了華南濕潤(rùn)地區(qū)山林坡地施肥后，肥料養(yǎng)分(氮素)隨降雨徑流的流失率。 (2)將通用土壤流失方程(USLE)和單位面積產(chǎn)出法結(jié)合，在考慮大氣氮濕沉降的基礎(chǔ)上，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)小流域天然條件下總氮負(fù)荷輸出量，分析了實(shí)驗(yàn)流域總氮的流失來(lái)源和比例，發(fā)現(xiàn)在天然條件下大氣氮沉降已成為了實(shí)驗(yàn)小流域

4、的總氮輸出的主要來(lái)源之一。 (3)提出了流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的解析新方法——數(shù)字濾波法，并由此探討了東江流域的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染負(fù)荷的構(gòu)成。 論文通過(guò)兩個(gè)徑流實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀(guān)測(cè)了降雨時(shí)氮素在坡面的產(chǎn)出過(guò)程，研究了華南濕潤(rùn)地區(qū)山林坡面營(yíng)養(yǎng)物(氮素)隨降雨徑流的流失機(jī)理，揭示了實(shí)驗(yàn)坡地營(yíng)養(yǎng)物流失形態(tài)和比例，計(jì)算了華南濕潤(rùn)地區(qū)山林坡地施肥后，肥料養(yǎng)分隨降雨徑流的流失率，并以坡面流運(yùn)動(dòng)波方程、Green—Ampt入滲模型和土

5、壤營(yíng)養(yǎng)物溶出的完全混合模型共同構(gòu)建了華南濕潤(rùn)地區(qū)實(shí)驗(yàn)小區(qū)的坡面土壤營(yíng)養(yǎng)物的產(chǎn)出綜合模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬了實(shí)驗(yàn)小區(qū)某場(chǎng)實(shí)測(cè)降雨的氮產(chǎn)出過(guò)程，以通用土壤流失方程(USLE)計(jì)算了實(shí)驗(yàn)流域土壤侵蝕引起的總氮負(fù)荷流失量，采用單位面積產(chǎn)出法計(jì)算了實(shí)驗(yàn)流域土壤營(yíng)養(yǎng)物隨降雨流失的總氮負(fù)荷量，并計(jì)算了大氣濕沉降的總氮負(fù)荷量。論文還提出流域非點(diǎn)源負(fù)荷的解析新方法——數(shù)字濾波法，并與平均濃度法進(jìn)行比較，分析了東江流域的點(diǎn)源和非點(diǎn)源負(fù)荷的構(gòu)成。論文

6、取得的主要成果有： (1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)坡面氮素單位時(shí)間產(chǎn)生量均與坡面徑流量和降雨強(qiáng)度具有極顯著的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。 (2)實(shí)驗(yàn)坡面在沒(méi)有施肥的情況下，其流失形態(tài)以氨氮、硝氮為主，氨氮、硝氮的產(chǎn)出比例相對(duì)比較穩(wěn)定。 (3)實(shí)驗(yàn)坡面在施放尿素的情況下，氮素隨徑流的流失形態(tài)以氨氮、硝氮和溶解態(tài)的尿素為主，根據(jù)其流失時(shí)距離施肥時(shí)間的長(zhǎng)短，三者的比例呈現(xiàn)明顯變化。在距離施肥時(shí)間較短時(shí)(1天)，氮素的流失以尿素的淋溶流失為

7、主，氨氮和硝氮的流失比例不高。在距離施肥時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)(3天)溶解態(tài)尿素隨徑流的流失比例明顯下降，相反氨氮、硝氮隨徑流的流失比例明顯上升。 (4)在施肥情況下，實(shí)驗(yàn)坡面中的總氮、溶解態(tài)尿素和氨氮的流失以地表流失為主，硝氮的流失以地下下滲流失為主。在沒(méi)有施肥的情況下總氮的流失以地下下滲為主，而在氨氮的流失中，地表流失與地下下滲的比例大體相當(dāng)，硝氮的流失以地下下滲流失為主。 (5)在施肥的情況下，總氮流失主要來(lái)源于肥料，但雨

8、水的貢獻(xiàn)也不容忽視。在沒(méi)有施肥的情況下，實(shí)驗(yàn)坡地氮素的流失主要來(lái)源于土壤本身固有的營(yíng)養(yǎng)物隨徑流的流失和大氣氮沉降?？偟牧魇е杏晁暙I(xiàn)占了約50％。大氣沉降引起的非點(diǎn)源污染問(wèn)題應(yīng)該引起足夠的重視！ (6)在降雨量較小、產(chǎn)流量不大的情況下，扣除土壤本身的營(yíng)養(yǎng)成分的流失和大氣降雨中的營(yíng)養(yǎng)成分的沉降量，坡地施肥后純肥料養(yǎng)分隨降雨徑流的流失率不大。 (7)用運(yùn)動(dòng)波理論描述坡面流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，用Green—Ampt入滲模型描述坡面

9、降雨入滲過(guò)程對(duì)于華南地區(qū)濕潤(rùn)區(qū)實(shí)驗(yàn)小區(qū)坡面的降雨產(chǎn)流過(guò)程的模擬能取得較好的模擬效果。 (8)土壤營(yíng)養(yǎng)物溶出的完全混合模型模擬實(shí)驗(yàn)小區(qū)坡面的氮產(chǎn)出過(guò)程時(shí)，對(duì)于坡面土壤營(yíng)養(yǎng)物的產(chǎn)出量的模擬誤差不大，但是對(duì)坡面土壤營(yíng)養(yǎng)物的產(chǎn)出濃度的模擬隨時(shí)間長(zhǎng)度的增大誤差會(huì)越來(lái)越大，說(shuō)明完全混合模型還需要進(jìn)一步改進(jìn)。 (9)將通用土壤流失方程(USLE)和單位面積產(chǎn)出法結(jié)合，在考慮大氣氮濕沉降的基礎(chǔ)上，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)小流域天然條件下總氮負(fù)荷輸

10、出量，分析了實(shí)驗(yàn)流域總氮的流失來(lái)源和比例，發(fā)現(xiàn)在天然條件下大氣氮沉降已成為了實(shí)驗(yàn)小流域的總氮輸出的主要來(lái)源之一。 (10)論文提出的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染負(fù)荷分割數(shù)字濾波方程能很好地將流域?qū)崪y(cè)污染負(fù)荷系列很好地分割為點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染負(fù)荷系列，分割出來(lái)的點(diǎn)源和非點(diǎn)源負(fù)荷曲線(xiàn)符合點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染負(fù)荷產(chǎn)生特點(diǎn)，證明了用數(shù)字濾波法進(jìn)行點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染負(fù)荷分割的合理性。與平均濃度法比較，數(shù)字濾波法經(jīng)過(guò)一定的濾波次數(shù)，能近似得到平均濃度法的計(jì)算