（环境科学专业论文）小流域土壤磷素空间分布特征及流失风险评价.pdf

首都师范大学硕士学位论文 s p a t i a ld i s t r i b u t i o nf e a t u r e so fp h o s p h o r o u si ns o i la n dt h er i s ko f p h o s p h o r o u sl o s s i nas m a l lw a t e r s h e d a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gg l o b a lc o n c e r no fn o n - p o i n t8 0 1 1 f o gp o l l u t i o n , r e s e a r c h0 1 1t h es p a t i a l d i s t r i b u t i o nf e a t u r e so fs o i ln u t r i e n t sa n dt h el o s sr i s ko fa na r e a , e s p e c i a l l yas m a l lw a t e r s h e d , h a sb e e no n eo f t h ec h i e f c o n c e r n so f e n v i r o n m e n t a la n da g r i c u l t u r a ls t u d i e s i nt h i sp a p e r , ag e o s t a t i s f i em e t h o da n dg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) w c r eu t i l i z e d t oc h a r a c t e r i z et h es p a t i a lv a r i a b i l i t yo ft o t a lp h o s p h o r o u s , a v a i l a b l ep h o s p h o r o u s ，a n do r g a n i c r o a r e ri nt o p s o i l ，a n dt om a pt h es p a t i a ld i s t n b u t i o no ft h e s et e s tv a r i a b l e si nt h es h i x i as m a l l w a t e r s h e d , b a s e do nt h eg r i g l n gm e t h o d l o s so fp h o s p h o r o u si ns o i la n dr u n o f fo ft h es h i x i a e x p e r i m e n t a la r e a ( 1 0 c a t e di nt h ew a t e r s h e do f t h em i y u nr e s e r v o i r ) w a ss t u d i e d a l o n gw i m t h e d a t af r o mr u n o f fp l o t s , a n du s e dt oa n a l y z et h ee f 岱e c to fd i f f e r e n tl a n d1 1 8 0o nt h es p a t i a l d i s t r i b u t i o na n dt h el o s sr i s ko f p h o s p h o r o u si ns o i li nt h es h i x i as m a l lw a t e r s h e d t h er e s u l t sa r c a sf o l l o w s ： a l lt h et e s tv a r i a b l e so fs o i lc h a r a c t e r i s t i c si nt h ea r e au n d e rs t u d yw e r on o r m a l l yo rl o g n o r m a l l yd i s t r i b u t e d s c m i v a r i o g r a ma n a l y s i s s h o w e dt h a to r g a n i cm a t t e rw a ss t r o n g l y s p a t i a l l y - d e p e n d e n t , t o t a lp h o s p h o r o u s w a sm o d e r a t e l ys p a t i a l l y - d e p e n d e n t ,a n da v a i l a b l e p h o s p h o r o u sw a sw e a k l ys p a t i a l l y - d e i n d e n t g r i g l n ga n a l y s i sm a p ss h o w e dt h a tr e m a r k a b l e s p a t i a ld i s t r i b u t i n u sw i t hs t r i pa n dp a t c hf e a t u r e sw o r ef o u n df o ra l ls o i ln u t r i e n t s t h et o t a l p h o s p h o r o u sw a 3h i g h c s ti nt h es o u t h w e s ta n dt h ee a s to ft h eb r i mo ft h es m a l lw a t e r s h e d , a n d t h ea r e aw i t h0 8 7 3 1 9 9 0 9 k gs o i lt o t a lp h o s p h o r o u sc o n t e n ta c c o u n t e df o r3 1 7 o ft h et o t a l t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fo r g a n i cm a t t e rw a san o r t h w e s t - s o u t h e a s ts t r i pi nt h es m a l lw a t e r s h e d , a n dt h eo r g a n i cm a t t e rc o n t e n to f t h es o i li n c r e a s e df r o mt h ec e n t e ro f t h es m a l lw a t e r s h e dt ot h e b r i m 首都师范大学硕士学位论文 t h el o s so fs o i lp h o s p h o r o u si nt h es h i x i ae x p e r i m e n t a la r e aw a sa f f e c t e db yr a i n f a l l ，l a n d u s e ，s l o p e , v e g e t a t i o nc o v e r a g e ，s o i la t t n b u t c 爆，c t c t h er a n ko ft h ec o n c e n t r a t i o no fd i s s o l v e d t o t a lp h o s p h o r o u si nt h er u n o f f i s ： f a r m l a n d o r c h a r d 如删 s t a n d a r da r e a g r a s s l a n d t h er a n ko f t h el o s so f p a r t i c u l a t ep h o s p h o r o u so f d i f f e r a a tl a n du s ei s ： f a r m l a n d o r c h a r d f o r 鹤t g r a s s l a n d t h e s et r e n d sw e r ed i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h es o i lp h o s p h o r o u sc o n t e n t f l o wa n ds e d i m e n t v a r i e da m o n gd i f f e r e n ts l o p e s t h em a x i m a ll o s so f p h o s p h o r o u si nt h er u n o f f w a sf o u n di na r a n g eo f c r i t i c a ls l o p ed e g r e e w h e b c o m p a r i n gt h et w o m o d e so f p h o s p h o r o u sl o s s ，s o i l p h o s p h o r o u s i sm a i n l yl o s ti np a r t i c u l a t em a t t e r , c a r r i e db ys e d i m e n l t h eu n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ( u s l e ) a n dr a i n f a l la n dr u n o f fm o d e l ( m a d eb yt h e s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c eo ft h eu s 1w a sa p p l i e dt ot h ed a t ao ft h er a i n yp e r i o do f2 0 0 6f r o m t h es h i x i ae x p e r k n c n t a la r e at oe a l c u l a t ct h es o i lp h o s p h o r o u sl o s so f t h es m a l lw a t e r s h e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h el a n dt y p eo f t h eh i g h e s tl o s sr i s ko f s o i lp h o s p h o r o u si sf a r m l a n dw i t l la o o 2 2 0 s l o p e , l o c a t e di nt h es o u t h w e , ta n dt h ee a s to f t h e b r i mo f t h es m a l lw a t e r s h e d k e yw o r d s ：s m a l lw a t e r s h e d , p h o s p h o r o u s , g s o s t a t i s t i c s ，s p a t i a ld i s t r i b u t i o n , l o s sr i s k 首都师范大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 土壤磷素和水体非点源污染 1 1 1 非点源污染及其特征 随着人类经济活动的不断深入，水环境污染已成为全球性问题。传统上按污染的发生 类型，将水环境污染源分为点源( p o i n ts o u r c e ) 和非点源( n o n p o i n ts o u r c e ，简记n p s ) 点源通常有固定的排放位置，集中排放，如工业废水和污水处理厂的出水。 关于非点源的定义有多种提法。传统上，在许多国家，所有类型的农业活动和土地利 用，包括牲畜养殖，均被视为非点源，即向环境中排放不连续的扩散过程，而且不能由一 般的污水处理方法获得水质改善的排放源；它是由于降雨、地表径流、渗透、排水、渗流、 水文特性改变或大气沉降产生的。在较大范围内，大气、地面和土壤中的污染物通过地表 径流进入地表水和地下水，并在水体中大量伏击从而导致水环境污染【l l 。也可以简单定义 为晴天积累、雨天排放的不固定捧放源f 2 1 。美国清洁水法的第5 0 2 ( 1 4 ) 条款中对点 源进行了明确的规定，即任何可识别的、限定的和不连续的输送途径，包括但不限于管道、 沟渠、集中养殖场、汽车或其他流动交通工具等，不包括农业暴雨径流及农业灌溉回水。 并认为，不符合以上点源定义的污染源，便是非点源【珊1 。 一般认为非点源污染有以下特点： ( 1 ) 污染物主要发生在与气象时问密切相关的间歇时段，以扩散方式进入水体，即污 染物的来源和排放点不固定，排放具有间歇性，发生具有随机性因为非点源污染主要受 水文循环过程( 主要为降雨及降雨形成径流过程) 的影响和支配，而降雨径流具有随机性， 所以由此产生的非点源污染必然具有随机性。 ( 2 ) 非点源污染物在进入地表水或下渗到地下水之前，主要产生在广阔的土地上并在 地面迁移。 ( 3 ) 非点源污染很难或者不可能在其起源处监测。与点源相比，非点源污染的监测更 为困难、复杂和昂贵污染过程监测是在地面进行而不是在水中 ( 4 ) 非点源污染的范围与不可控的气候事件和地质地理条件相关，污染负荷的时间变 化( 次降雨径流过程、年内不同季节及年际问) 和空间( 不同地点) 变化幅度大 ( 5 ) 非点源的治理集中在土地和径流管理措施，而不是污水处理。 首都师范大学硕士学位论文 ( 6 ) 非点源污染物可能是由大气污染物沉降或输送形成的。主要受关注的污染物为泥 沙、营养物、有毒物质等。 ( 7 ) 点源的最严重危害发生在桔水期，而非点源的严重危害却发生在暴雨之后。 1 1 2 非点源对水环境造成的污染 非点源污染的总效应是多方面的，对区域生态环境和人类健康形成了严重的危害，不 仅污染饮用水源，而且造成地表水的富营养化和地下水污染。非点源污染的严重性随着点 源污染控制能力的提高而逐渐表现出来，尤其是当点源污染控制水平达到一定程度后，非 点源污染成了水环境污染的主要原因。 在发达国家，由于基本上实现了对点源污染的有效治理，非点源已成为水环境的最大 污染源。在美国，6 0 的水污染起源于非点源污染；非点源污染量占污染总量的2 3 ，其中 农业的贡献率为7 5 左右。美国江河中7 3 的b o d 、9 2 的悬浮物和8 3 的细菌均来自非 点源 s 1 丹麦的大部分河流中9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷由非点源污染引起；荷兰农业 非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 5 0 1 6 h 埘。 非点源对水环境造成的污染以营养物型污染物污染水体环境最为严重。水体富营养化 通常是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性的水体，以及某些滞留( 流速小于l m m i a ) 河流水体内的氮、磷等营养元素的富集。导致某些特征性藻类异常增殖。致使水体透明度 下降，溶解氧降低，水生生物随之大批死亡，水味变得腥臭难闻弓l 起水体富营养化的关 键元素是氮和磷。研究表明，对于湖泊，水库等封闭性水域，当水体无机态总氮含量大手 0 2 m g l 、磷酸盐浓度达到0 0 2 m g l 时，就有可能引起藻华现象的发生1 9 1 水体营养物质 氮、磷的来源主要有城镇生活污水，含氮、含磷的工业废水和农田氮肥、磷肥。其中，农 田氮、磷的流失是引起水体富营养化的重要原因在美国，农业是一个主要的非点源污染 源，农田径流使全国6 4 的河流、5 7 的湖泊受到污染；瑞士雨水径流中氮、磷含量相当 手工业废水和城市污水中此类污染物量的总和0 l 。我国湖泊达到富营养化的水体已占 6 3 3 ，其中5 0 以上的磷、氮污染负荷来自农业非点源污染负荷。北京密云水库，天津 于桥水库、安徽巢湖，云南洱海、上海淀山湖等水域，非点源污染比例超过点源污染，非 点源污染已上升为威胁地表水的主要污染源。 2 首都师范大学硕士学位论文 1 2 土壤磷素和水体非点源污染 随着工农业飞速发展，人类干预周围环境的活动越来越强烈，规模也越来越大，人类 的不当活动所引起的环境污染问题也日趋严重。磷是动植物生长所必需的营养元素，长期 以来磷素的投入一直被认为是维持动植物产品产量，满足全球食品需求的重要手段，但磷 素的大量应用也产生了许多环境问题。近年来的研究表明，磷是水体产生富营养化的限制 因素，如果磷素未达到一定含量，仅有氮、碳等元素不会引起水体富营养化邮1 在美国 6 0 的水污染起源于非点源污染，非点源污染量占污染总量的2 3 ；丹麦的大部分河流中 5 2 的磷由非点源污染引起我国湖泊达到富营养化的水体已占6 3 3 ，其中5 0 以上的磷 污染负荷来自非点源污染负荷大量研究表明，农业摊磷产生的非点源污染是江河湖泊产生 富营养化的重要原因。目前研究表明 1 3 1 ，非点源磷污染已成为影响水环境的主要污染源， 其中农业源，即农田径流、水土流失导致的水体污染最为重要且分布最为广泛。磷素是农 业面源污染和引发湖泊发生富营养化的主要因子之一因此，致力于研究区域尺度，特别 是流域尺度土壤磷素的空问分布特征就成了当前环境与农业领域研究热点之一。 1 2 1 土壤磷素的存在和转化 1 2 1 1 土壤磷素的来源及其存在形式 磷的天然源主要来自岩石的风化作用，当岩石风化时，这些磷酸盐大量溶解，变成可 被植物吸收利用的有效磷。除了土壤矿物质的自然风化过程以外，降水、植物残体、化肥、 动物粪便以及城市、农业、工业废物或副产品，是将磷引入生态系统的主要来源。人为源 主要是旄用磷肥。土壤中磷的形态可分为无机磷和有机磷。无机态磷几乎全部是正磷酸盐， 根据其所结合的主要阳离子的性质不同，可以把土壤中通常存在的磷酸盐化合物分为：磷 酸钙( 镁) 化合物、磷酸铁( 铝) 类化合物、闭蓄态磷( 由氧化铁等不溶性胶膜包被，在 土壤中有相当比例，但很难发挥其有效作用) 以及磷酸铁铝与碱金属、碱土金属复合而成 的磷酸盐类。有机态磷主要有：核酸类、植素类和磷脂类有机磷在总磷中所占比例及其 变化范围很宽，在森林、草原或植被下发育的土壤，有机磷可占土壤总磷量的5 0 以上， 甚至可达9 0 t 。 农田土壤流失的磷分为溶解态磷( d p ，d i s s o l v e dp ) 和颗粒态磷( p p ，p a r t i c u l a t ep ) 溶解态磷主要以正磷酸盐形式存在，可为藻类直接吸收利用；颗粒态磷包括含磷矿物、含 磷有机质和被吸附在土壤颗粒上的磷，可成为溶解态磷的潜在补给源。 3 首都师范大学硕士学位论文 1 2 1 2 土壤磷素的固化、转化与循环 1 ) 土壤磷素的固化 近年来，由于磷素投入量大大高于其带出量“5 i ，农田生态系统中的磷素盈余使得土壤 中的总磷和有效磷水平不断上升。据分析，欧洲农田土壤中磷素的积累量在过去4 0 年间 高达8 0 0 1 5 0 0k g h # l ”l 。其他国，如美国1 1 7 1 、爱尔兰i l q 以及国内n 5 1 的土壤磷平均含 量也逐年上井。由于土壤对磷的强固定作用而带来的土壤磷的富集大大增加了土壤磷流失 的可能性。土壤组分与土壤液相中的磷反应将其移出液相，成为生物不易利用的形态，n l i 做磷的固定。磷素易被土壤固定。据英国洛桑试验站1 0 0 多年的研究结果表明，磷的移动 每年不超过0 1 o 5f i l m ，它只能从施肥点向外移动1 3c l n 的距离。土壤磷的固定除 非生物固定外，为微生物所固定的量也很大，在一般耕地中，仅是细菌吸收并固定的磷估 计有4 l ok g h 一。固定在微生物细胞中的磷酸盐，当微生物细胞死亡时就释放出来重新 进入土壤。 2 ) 土壤磷素的转化与循环 关于土壤磷的转化，公认的有四个过程：无机磷酸盐的溶解作用，有机磷酸盐的矿化 作用，固定作用，无机磷酸盐的氧化一还原作用。磷的转化形式包括它们对植物的相对有 效性和对土壤溶液中水运动的作用，有机磷形式的矿化再加上微生物的活动加强了无机磷 的库存量在许多情况下，无机磷通过这种静态过程可以转化成有机磷。通过风化作用的 分解，无机磷从矿物形式转交成生物可利用的、易溶解的形式。通过各种化学反应，磷可 以保留在土壤中1 1 9 土壤中溶解磷很容易被植物吸收和被地下径流或地表径流迁移。被植 物吸收的磷，一部分转移到作物的果实中，一部分可能作为食草动物的废弃物在土壤表层 循环，而保留于地表的植物残体中的磷和腐烂的根茎中的磷会全部返回土壤，从土壤系统 中以可溶形式传输的磷、或者是被风化物吸收的磷可能会暂时或永久地储存在洼地中或是 被迁移到溪流、湿地、湖泊和港湾中 1 2 2 土壤磷素累积现状及对水体污染的贡献量 1 2 2 1 土壤磷素累积现状 土壤磷素循环的状况决定磷素在土壤中的固定和转化，从而影响土壤磷的积累，而土 壤磷的积累正是土壤磷素流失的潜在补给源据分析，过去4 0 年间欧洲农田土壤中磷素 4 首都师范大学硕十学位论文 的积累量一般都达到了8 0 0 1 5 0 0k g h m 20 6 ；美国威斯康星州土壤速效磷的水平2 0 年间 提高了4 0 9 i 【l 刀：爱尔兰耕作土壤中的总磷平均含量在过去的4 0 年间增加了5 倍，速效磷 增加了8 倍。中国科学院台站网络“八五”期间对我国农业土壤磷素平衡状况进行了研究， 结果表明，我国农田土壤的磷素水平呈逐年上涨趋势，分布于全国各地的典型地区农田土 壤的磷素收入均超过支出的l 倍以上。据计算，从1 9 4 9 年到1 9 9 2 年间，我国累计施入农 田的磷肥有7 8 8 0 9 x 1 0 4t ( p 2 0 ，) ，其中大约有6 0 0 0 x 1 0 4t ( p 2 0 5 ) 积累在土壤中例， 而北京地区农田土壤磷素在8 0 年代积累明显，近年来速效磷平均含量以每年1m g k g 的 速度增长f 2 l 】 1 2 2 。2 土壤磷素对水体污染的贡献量 长期而大量的施用磷肥，常导致耕层土壤处于富磷状态，在降雨冲刷和农田排水的情况 下就会加速磷向水体的迁移。水体中磷素的充足供应，使得藻类快速生长，打破了水生生态 系统的平衡，促使水体向富营养化方向发展。 土壤磷素的积累必然导致径流中磷浓度的提高。据估计全世界每年大约有3 1 0 6 4 1 0 6t p ：o ，从土壤迁移到水体中。在欧洲国家的地表水体中，农业排p 所占的污染 负荷比例约为2 4 - 7 1 ”1 ；美国每年由化肥和土壤进入水生系统的p 达o 4 5 亿k g ； 日本稻田是b i s w a 湖最大污染源，日本水田p 的排出负荷量为0 3 - 8 4k g ( h m2 a ) ；荷兰 农业非点源提供的总p 占水环境污染总量的4 0 5 0 ；德国一流域也因过量施用化肥导 致河流中的p 浓度超过0 2 m g l ；芬兰有2 0 的湖泊水质恶化，农业养分流失是最大的 p 源“。从2 0 世纪6 0 年代初我国大规模施用磷肥以来，到1 9 9 2 年土壤中积累的磷( 以 p ：o ，计) 达6x 1 07 t 由此可知，农田耕层土壤处于富磷状态，通过径流、淋失等途径将 加速磷向水体迁移的速度据联合国粮农组织1 9 9 3 年统计，我国农田磷素进入水体的通量 为1 9 5 k h m 2 ，比美国高8 倍“。 5 首都师范大学硕士学位论文 1 3 国内外非点源磷污染治理研究进展 国外对非点源污染的研究起步于上世纪6 0 年代，美、英、日等一些发达国家率先开 展，7 0 年代以后在世界各地逐渐受到重视，尤其美国研究历史较长，在此期间美国颁布了 一系列法规要求评价非点源污染对水质的影响，其中最具有代表性的是1 9 7 2 年美国联 邦水污染控制法( 修正案) i l l 。8 0 年代随着非点源污染研究范围的扩大、类型的增多， 对污染机理的研究不断深入，尤其是对营养元素在土壤、地表的迁移规律研究闭。我国的 非点源污染研究起步相对较晚，始于2 0 世纪8 0 年代的湖泊富营养化调查，之后逐渐开展 了非点源污染研究，主要集中在人工模拟实验研究与定性研究。并先后在城市径流、水库 富营养化控制，例如于桥水库，滇池、太湖、密云水库等，以及河流水质规划，如沱江、 晋江、淮河等方面开展了研究【2 7 h 捌。 1 3 1 土壤磷索在水土界面的迁移 非点源污染的研究国外起步于2 0 世纪6 0 年代，对于磷污染的研究也早于我国。如农 田尺度上对磷流失特征的研究发现，从农田流失的磷主要以drp ( 非溶解态磷) 和pp ( 颗 粒结合态磷) 形式存在，其中大部分是pp ( 占8 0 以上) ，这部分磷可以被水流运输至农田外 1 3 1 1 。澳大利亚西南农田池塘沉积物中磷素的研究表明，pp 是磷素吸收、迁移和积累最活 跃的形式，在沉积物中的积累归因于粘粒与有机颗粒的吸收捌 我国相关研究虽起步稍晚，但在磷素由土壤迁移到水体的过程中，磷素的形态、迁移 量、迁移方式及外界环境条件等方面都做了初步研究，磷素迁移转化机理方面的研究比较 多。高超等提出了面向环境的土壤磷素测定与表征方法。晏维金等的模拟试验结果表明， 在特定的土壤和降雨径流条件下，流失的磷中8 0 以上是颗粒态形式的磷，而颗粒态磷中 6 0 9 0 以上的磷随0 1 蚰以下的颗粒物流失洲。磷的径流流失量与土壤的物理结 构、植被覆盖度、田间持水量、施肥量、降雨量、灌溉方式等有密切的关系，表面径流中 的磷迁移是壤中流的3 4 倍，磷的输出一悬浮态总磷为主( 7 8 5 9 4 9 ) ，溶解性 总磷和正磷酸盐所占比例很低卅 搠。高超【伽等研究表明：太湖地区水稻土在旱作时土壤 的固磷能力低于旱地土壤，但其磷的流失风险要低于旱地土壤，主要是因为水稻土土壤磷 素水平较低，同等条件下向溶液中释放的磷要少于旱地土壤水稻土在淹水还原条件下固磷 6 首都师范大学硕士学位论文 能力有了较大幅度的提高。此外，很多学者采用人工模拟实验和野外实验的方法，对城市 径流和呈现富营养状况的水库流域进行了非点源磷污染研究。如王晓燕h 1 l 等对密云水库流 域降雨径流土壤中磷流失规律进行了研究，邬伦4 2 1 等以于桥水库流域为例，通过人工降雨 模拟实验与天然降雨径流监测，得出土壤磷随径流过程的输出特征。 1 3 2 地统计学方法在土壤磷素空间分布研究中的应用 地统计学( g c o s t a t i s t i c s ) 于5 0 年代首先应用在南非采矿业的矿藏勘察计算中，6 0 年代 法国著名统计学家gm a t h e r o n 在作了大量理论工作基础上提出了区域化变量理论( t h e t h e o r yo f r e g i o n a l i z e dv m a b l e ) ，形成了地统计学的基本框架。从2 0 世纪7 0 年代开始，国 外许多学者进行土壤特性空间变异性规律的研究，将地统计学理论用于土壤科学 4 3 1 ，在 认识到土壤特性是一种区域化变量，同时具有地质结的特性和统计学的随机特性基础 上，b u r g e s s 与w e b s t e r 等对土壤物理性质( 如水分、透水率、湿度) 空问变异性规律做了 大量的研究 4 4 1 ，推动了土壤特性空间变异性的研究。到8 0 年代空间变异已经成为土壤科 学研究的重要内容，并开始由定性描述转向定量研究，还引进了克立格( k r i g i n g ) 插值法， 进一步研究了协同克立格法( c o - k r i g i n g ) 、点克立格法( p u c t u a lk 啦面g ) ，并用于土壤制 图。近些年来，国外学者又将地统计学的研究方法运用于土壤污染物分布空间变异性的研 究中。p a z - g o n z a l e z 等对其研究地块内的重金属的空间变异性进行了比较。指出了半变异 函数和克立格图研究该类问题的特点。并对比了不同克立格法的优缺点。 地统计学的基本理论与研究方法于1 9 7 8 年才由地质学家侯景儒等人系统地引入我国 的科研工作中，经历了曲折的发展后，目前地统计学在我国的理论方法与实际应用均达 到了一定的水平但将其系统的应用于环境科学领域研究工作的时间还很短。李毅1 4 5 1 4 l 等使用普通克立格法对土壤含水量等特性的空间变异性进行了研究。郭旭东m 1 等人在研究 河北遵化地区土壤养分空间变异性的工作中将空间信息统计学方法与地理信息系统 ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 引入非点源污染物空间分布的研究中，在非点源污染 突出的河湖流域进行非点源污染物空间分布研究。陆鹏m l 等在洞庭湖平原典型区采用地统 计学和g i s 技术分析土壤全磷空间分布并进行风险评价。刘付程，史学正等在实地调查 和采样分析的基础上，利用地统计学方法对太湖流域典型地区土壤耕层磷含量的空间变异 7 首都师范大学硕士学位论文 特征进行研究，并利用k r i g i n g 插值法绘制了研究区域土壤磷素含量的空间分布图。 1 4 论文研究目的与意义 1 4 1 研究目的 随着世界范围内人们对非点源污染问题的日益关注，致力于研究区域尺度、特别是小 流域尺度土壤营养物的空间分布特征就成为了当前环境与农业领域的研究热点之一近年 来，更多的研究者更侧重于探讨土壤营养物流失的特征、影响营养物流失的因素以及如何 控制营养物流失，相形之下。对营养物流失的“源”“土壤营养物”的空间分布特征 及其与土地利用的关系方面却缺乏较为系统的研究，本课题基于上述研究工作中的不足，对 密云水库上游石匣小流域进行采样，研究小流域尺度下土壤营养物磷素的空间分布特征， 并采用地统计学方法和克立格( k r i g i n g ) 插值法绘制研究去土壤磷素空间分布图，对石匣 径流示范小区径流及泥沙磷流失规律进行分析，同时对不同土地利用方式下的土壤磷素分 布状况及流失风险做了进一步探讨，进而为流域的最佳管理提供科学的理论依据。 1 4 2 研究意义 土壤特性是一种区域化变量，同时具有地质结构的特性和统计学的随机特性基于区 变量理论的地统计学理论已被证明是分析土壤特性空间分布特征及其变异规律最为有效 的方法之一在此基础上，应用地统计学和地理信息系统对小流域土壤磷素空间分布特征 进行研究有其理论意义。 密云水库是北京市生活用水的主要水源地，具有重要的生态和社会经济价值。但水库 水体已有一定程度的富营养化。流域内不同土地利用方式下，土壤磷含量不尽相同，而近 年来，在人口总数逐年增加和合理用耕地面积逐年减少的情况下过量施肥和施肥结构不合 理的问题日益突出。长期过量的施肥在引起土壤养分富集和作物品质下降的同时，也会因 随降雨和径流迁移至水体而使水体富营养化。所以，控制密云水库流域土壤特别是农田土壤 磷的淋失是治理密云水库水体磷污染的关键之一因此，对密云县境内流域不同土地利用方 式土壤磷素空间变异特征研究，一方面指导土壤养分特别是磷素的分区管理，设置高磷控镧 区，另一方面为生态隔离带的设置提供依据，最终将会提高磷肥的利用效率，降低生产成本， 提高农民收入，减少水环境污染，保持土壤生产力，促进区域社会经济协调发展。 s 首都师范大学硕士学位论文 1 5 技术路线 1 、小流域土壤中非点源污染物磷素实地调查和采样分析。以密云水库上游石匣小流 域为研究对象，兼顾不同土地利用类型和土壤类型进行布设样点，采样分析土壤全磷、速 效磷、有机质及机械组成。 2 、小流域尺度下土壤磷素空间分布特征。利用地统计学方法对采样数据进行分析， 在g i s 平台下采用克立格( k r i g i n g ) 插值法绘制研究区土壤磷素空间分布图。 3 、石匣实验小区土壤磷素流失规律。以密云县高岭乡石匣实验小区为研究对象，在 雨季前采集各小区土壤样品带回实验室分析，雨季中采集每场降水后各出流小区泥沙样品 带回实验室分析通过在自然降雨条件下特定坡度、坡长、土地利用方式、耕作方式下， 分析土壤中磷的流失规律。 4 、石匣小流域土壤磷素流失风险分析。以小流域内石匣实验小区磷素流失规律为代 表扩展到整个小流域，分析可能发生土壤磷流失的高风险地区，并提出改进与管理措施。 文献，数据库资料实地调查 采样点布设，确定采样数量 l 土壤，泥沙样品磷素及其他理化性质实验室分析 i 采样点经纬度，土壤样品磷素及其他理化性质数据值输入 石匣小流域r 度下 克立格插值法创建表面图 l 讨论小流域磷素空间分布特征 石匣实验小区尺度下 土壤磷素流失规律分析 i 分析各小区不同条件 对土壤磷流失的影响 以石匣实验小区磷流失规律扩展到石匣小流域尺度，确定磷 流失风险较高地区并提出合理改进与管理措施 9 首部师范人学硕士学位论文 第二章研究区概况 2 1 流域概况 密云县地处华北平原与内蒙高原的过渡地带，东、北、西三面群山起伏，属燕山山脉。 境内有两条河流水系潮白河水系和蓟运河水系。汇入潮白河水系的有白河、潮河、潮 白河及西沙河；属蓟运河水系的有错河。潮河、白河都发源于河北省，白河的支流有白马 关河、蛇渔川河潮河的支流有红门川河、清水河、安达木河、虻牛河、汤河。红门川河 的中游建有沙厂水库，安达木河上建有遥桥峪水库，虻牛河中游建有半城子水库除西沙 河和红门川河以外，其它河流都流入密云水库。密云水库位于密云县城北1 6 k i n 处山区， 横跨潮河、白河，距北京市中心约1 0 0 k i n 。1 9 6 0 年落成。密云水库分潮河、自河和内湖3 个库区，控制流域面积1 5 7 8 8 k n f ，总库容4 3 7 5 亿矿，相应水库面积1 8 81 砰。建库4 0 多年 来，它为潮白河流域的防洪和北京市城市供水发挥了重要作用。以密云水库为引水源，通 向市区的京密引水渠为北京供水主动脉。 图2 1 密云水库石匣小流域位置图 首都师范大学硕士学位论文 2 1 1 自然环境概况 2 1 1 1 地理位置 石匣小流域位于北京市密云县密云水库的东北方向，地理坐标为11 7 。0 1 l1 7 。0 7 7 e 和4 2 。3 2 4 2 。3 8 n ，总面积3 3 k i n ，按水系划分属潮河下游，行政隶属密云县 高岭镇，包括白河涧、瑶亭、芹菜岭、东关、石匣、四合、栗榛寨、大屯8 个行政村 2 1 1 2 地形地貌 石匣小流域属燕山山脉，处于山前冲积平原向山地的过渡地带，为土石质浅山丘陵区， 地势北高南低，海拔高度在1 6 0 - 3 5 3 m ，相对高差1 9 3 2 h i 。大于2 0 。的坡面面积仅占全流 域的1 6 2 9 6 。流域内以片麻岩为主，问有花岗岩和石灰岩。土壤类型为洪积冲积物母质土 上发育的褐土，受地形地质影响，土壤特点是土层深厚，土体紧实，空隙较小，耕层较浅。 2 1 1 3 气象条件 石匣小流域为暖温带季风气候，冬天干燥寒冷，全流域1 月平均气温一6 6 。c ，夏季炎 热，雨量集中，7 月平均气温2 5 3 。c ，春季干燥多风，秋季天高气爽。全流域年蒸发量1 8 4 0 m m , 多年平均降雨量为6 6 1 8 m ，受季风气候影响，降雨多集中在夏季，6 8 月份降雨占全年 降雨的7 6 5 。最大年降雨量为1 0 0 4 8 a , n ( 1 9 5 9 年) ，最小年降雨量为3 1 6 8 唧( 1 9 7 5 年) 流域年日照充足，无霜期为1 7 6 天，年太阳辐射总量为1 3 5 3 千卡c a , 2 ，月平均温度稳定通 过1 0 。c 的积温为4 0 7 3 9 。c ，积温能够满足粮食农作物问作套种两熟制的要求，这些条 件有利于农作物的生长。 2 1 1 4 水文条件 石匣小流域内有小型水库2 座，塘坝2 座，地表水可用量平水年为3 1 5 5 万一，枯水 年为2 0 4 8 万m ，地下水可用量为8 4 万矿。由予近几年干旱少雨，水资源严重缺乏，水 库及塘坝几近干涸，地下水更是严重缺乏。 2 1 1 5 土地利用现状 石匣小流域现有土地资源3 2 9 7 k n r 2 ，从1 9 9 1 年开始，石匣小流域提出了“建设小生态 单元”的综合治理观点，采用了以保护水资源为主的土地资源开发模式和以高效利用水资 源为主的土地资源开发模式。到1 9 9 9 年为止，基本完成了小流域综合治理，治理后流域 土地利用结构随之发生变化。其中农业用地3 7 9 k 舻，占土地总面积的1 1 4 8 0 5 ，林业用地 2 6 6 5k 一，占总面的8 0 8 2 0 5 ，牧业用地0 9 9 k n r 2 ，占总面积的2 9 9 9 6 ，水域0 3 l k 舻，占 总面积的0 9 3 0 5 ，居民点及交通用地1 2 4 6 7h a l 2 ，占总面积的3 7 8 。石匣小流域综合治 理前后土地利用结构变化见表。 首都师范大学硕士学位论文 表2 1 石匣小流域综合治理前后土地利用结构变化 2 1 1 6 植被现状 石匣小流域北部植被以杂草灌木为主。覆盖率在8 0 左右。丘陵地带植被多为人工刺 槐、油松及经济林。长期以来人类活动频繁，自然植被类型早已被破坏，原始植被已很难 见到。 2 1 1 7 水土流失状况 表2 2 石匣小流域士壤侵蚀变化情况 侵蚀强度 1 9 9 9 年1 9 9 2 年 面积( k f )比倒( )面积( k 1 2 )比倒( ) 变化 徽度侵蚀( 用过硫酸盐氧化法同时测定地表径流中的总氮和总磷 含量。 1 6 首都师范大学硕士学位论文 第三章石匣小流域土壤磷素空间变异特征 土壤养分具有一定的空间分布特点，并表现出一定的结构性和随机性，是各种人类活 动及气候、地形等因素综合影响的结果。研究一个区域内，同一时间、不同地点的土壤特 性中存在的差异性、即空间变异性，是调整各项管理措施和有效控制营养物面源污染的基 础。磷是作物生长所必须的大量营养元素之一。土壤中磷素含量必须保持在适当的水平才 能满足作物生长的需要，但如果因施肥而造成土壤磷素含量超过了作物生长的需求，土壤 中磷素就会出现盈余，这一方面会导致施肥经济效益的显著下降，另一方面也会加大土壤 磷素向水体流失的风险，并产生潜在的生态环境问题。 2 0 世纪7 0 年代开始，国内外许多学者就进行了土壤特性空间变异性规律的研究由 于土壤属性是一种区域化变量，同时具有地质结构的特性和统计学的随机特性，基于变量 理论的地统计学理论已被证明是分析土壤特性空间分布特征及其变异规律最为有效的方 法之一。随着地理信息系统得广泛应用，利用地统计学，并结合g i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ) 技术来研究土壤性质空间变异已成为目前的研究热点之一g i s 具有较强的空间 数据管理能力，而缺乏对一些问题的空间分析能力：地统计学则具有较强的空间分析功能， 但其空间数据管理功能较弱，二者的结合可以取长补短，能充分发挥各自的优势。 本章节应用地统学方法结合g i s 技术分析石匣小流域土壤磷素的空间分异规律，并绘 制出土壤磷素空间分布图，为土地利用合理布局和减少非点源营养物流失提供科学的数据 分析方法。 1 7 首都师范大学硕士学位论文 3 1 研究材料和方法 3 1 1 采样和分析 2 0 0 6 年4 月，在石匣小流域共采集了6 5 个土壤样品，每个样品由5 个表层( 0 2 0 c m ) 土壤样品混合组成。采样为非网格法取样。样点布设兼顾代表性和均匀性原贝，同时也考 虑了土地利用上的差异。样点采用g p s 定位，并经投影转换，产生以m 为单位的平面坐 标系中的坐标，最后生成相应得采样点分布图，图3 i 。土壤的测定方法，全磷采用高氯 酸硫酸消煮，铝锑抗比色法。土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提一活性炭吸附，钼锑抗比色 法。具体方法描述见土壤农化分析【，1 1 。 图3 1 石匣小流域采样点分布图 1 8 首都师范大学硕士学位论文 3 1 2 地统计学方法 3 1 2 1 地统计学步骤 1 ) 将带有经纬度及全磷、速效磷的属性表分别输入6 s + f o rw i n d o w s 中； 2 ) 用6 s + 做半方差分析，选取最优模型，得到参数值，做出半方差图并进行分析； 3 ) 将g s + f o rw i n d o w s 中得到的参数带入a r c g i s 9 中用克立格法( k r i g i n g ) 分别对 全磷、速效磷的分布进行插值，得到插值图，并用研究区域的流域边界图进行裁剪。 3 1 2 2 区域化变量 当一个变量呈现为空间分布是，就称之为区域化变量。这种变量产厂反映某种空间现 象的特征，用区域化变量来描述的现象称为区域化现象。土壤中养分具有空间分布的特点， 这些变量实质上都是区域化变量。 区域化变量，亦称区域化随机变量，g m a t h e r o n ( 1 9 6 3 ) 将它定义为以空间点x 的三个 直角坐标x 。，x ，x ，为自变量的随机场z ( x 。，x ，x ，) = z ( x ) 区域化随机变量与普通随机 变量不同，普通随机变量的取值符合某种概率分布，而区域化随机变量则根据其在一个区 域内不同而取值，它是与位置有关的随机函数。区域化变量z ( x ) 具有两个最显著，而且也 是最重要的特征，即随机性和结构性。这似乎是区域化变量两个自相矛盾的特征。正是这 两个特征使区域化变量在研究自然现象的空间结构和空间过程方面具有独特的优势。首 先，区域化变量是一个随机函数，它具有局部的、随机的、异常的特征；其次，区域化变 量具有一般的或平均的结构性质，即变量在点x