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，由于點(diǎn)源污染易于識別和治理，在世界上大部分國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)源污染已成為我國重要污染類型之一，是當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)與社會和諧持續(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、時間尺度長，比點(diǎn)源污染更為因難。如何科學(xué)地認(rèn)識并有效控制非點(diǎn)源污染已成為我國當(dāng)前亟待解決的重大科學(xué)與應(yīng)用問題。中國具有廣博的

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_，并對東江流域的非點(diǎn)源負(fù)荷進(jìn)行解析研究。論文的主要創(chuàng)造性成果有： (1)通過對華南濕潤地區(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程的監(jiān)測實(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)坡地營養(yǎng)物流失形態(tài)和比例，計(jì)算了華南濕潤地區(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。 論文通過兩個徑流實(shí)驗(yàn)場的對比實(shí)驗(yàn)，觀測了降雨時氮素在坡面的產(chǎn)出過程，研究了華南濕潤地區(qū)山林坡面營養(yǎng)物(氮素)隨降雨徑流的流失機(jī)理，揭示了實(shí)驗(yàn)坡地營養(yǎng)物流失形態(tài)和比例，計(jì)算了華南濕潤地區(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)動波方程、Green—Ampt入滲模型和土

5、壤營養(yǎng)物溶出的完全混合模型共同構(gòu)建了華南濕潤地區(qū)實(shí)驗(yàn)小區(qū)的坡面土壤營養(yǎng)物的產(chǎn)出綜合模型，并對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬了實(shí)驗(yàn)小區(qū)某場實(shí)測降雨的氮產(chǎn)出過程，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)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)坡面氮素單位時間產(chǎn)生量均與坡面徑流量和降雨強(qiáng)度具有極顯著的線性相關(guān)關(guān)系。 (2)實(shí)驗(yàn)坡面在沒有施肥的情況下，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)其流失時距離施肥時間的長短，三者的比例呈現(xiàn)明顯變化。在距離施肥時間較短時(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。在距離施肥時間較長時(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，總氮流失主要來源于肥料，但雨

8、水的貢獻(xiàn)也不容忽視。在沒有施肥的情況下，實(shí)驗(yàn)坡地氮素的流失主要來源于土壤本身固有的營養(yǎng)物隨徑流的流失和大氣氮沉降。總氮的流失中雨水貢獻(xiàn)占了約50％。大氣沉降引起的非點(diǎn)源污染問題應(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，扣除土壤本身的營養(yǎng)成分的流失和大氣降雨中的營養(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)動波理論描述坡面流運(yùn)動過程，用Green—Ampt入滲模型描述坡面

9、降雨入滲過程對于華南地區(qū)濕潤區(qū)實(shí)驗(yàn)小區(qū)坡面的降雨產(chǎn)流過程的模擬能取得較好的模擬效果。 (8)土壤營養(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)出過程時，對于坡面土壤營養(yǎng)物的產(chǎn)出量的模擬誤差不大，但是對坡面土壤營養(yǎng)物的產(chǎn)出濃度的模擬隨時間長度的增大誤差會越來越大，說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，分割出來的點(diǎn)源和非點(diǎn)源負(fù)荷曲線符合點(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)過一定的濾波次數(shù)，能近似得到平均濃度法的計(jì)算