（环境科学专业论文）密云水库上游流域特征与氮磷流失规律关系研究.pdf

首都师范大学硕十学位论文 雨季前总氮、硝态氮的浓度与河网密度表现出了比较明显的正相关，但雨季中、雨季后没 有表现出明显的正相关。 关键词： 密云水库、氮磷流失、时空差异、流域特征 首都师范大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r s h e do fm i y u nr e s e r v o i ra n dl o s so f n i t r o g e na n d p h o s p h o r u s a b s t r a c t a so n eo f t h ei r n p o n a n ts o u r c e so f w a ：e rp o l i u t i o n ，n o n - p o i n ts 0 u r c ep o 1 u t i o nh a sb e e na f r a c t e d m o r ea 1 1 dm o r ea t t e n t i o n ，h o w e v e r ，r e s e a r c hw o r ki sm a i n i yf o c u so nt h ec h a r a c t e r i s t i co fm n o f r a n de r o s i o n 舶mp l o t so rn r l d s ，a n ds e l d o mi n v o l v e st h em o v i n gp r o c e s so fn u m c n t sa n dt h e i m p a c t so nw a t e rq u a l i t y s h i x i ae x p e r i m e n t a lp l o t sa r l du p s t r e a m rw a t e r s h e di nm i y u nr e s e r v o i ri s c h o o s e da sr e s e a r c ha r e a sa tt w od i h b r e n ts c a l e s a ts h i x i ae x p e r i m e n t a lp l o t s ，t h e1 0 8 so f n i 仃0 9 e i la 1 1 dp h o s p h o m s 舶ms l o p e i sd i s c u s s e d ，w h i l em et e r n p o s p a t i a lv 撕a t i o no fn i 的g 饥 a 】1 dp h o s p h o r u sl o s sa 1 1 di m p a c t so fc h a r a c t 嘶s t i c so fw a t e r s h e d ( 1 a n d u s e ，l 卸d s c 印ep a t t 呱 d r a i n a g ed c l l s i t y ) 0 nn i t r o g e na f l dp h o s p h o m sl o s sa tt h ew a t e r s h e ds c a le t b em a i nc o n d u s i o l l s a r 弓a sf b l l o w e d ： 1 ) a ts h i x i ae x p c r i m e n t a lp l o t s ，c o n c c n 仃a t i o no ft o t a in i t m g e na l l dp h o s p h o m sa r ev a r i e dw i 血 d i 仃的l tl a n d u s e ，m ec o n c e n t r a t i o n s 丘o mo r c h a r da n da 嘶c u l t u r a l l a n da r e 血eh i g h e s t ，t h a tf 如m w o o d l a i l di st h el o w e s t ；n ot i l l a g ec a i ld e c r e a s em el o s so fn i t r o g c na i l dp h o s p h o m s ；n o w s e d i m e n t ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s1 0 s s i n1 a n do o v e r o dw i t hv e g e t a t i o na r el o w e rt h a nt h a t w i t l l o u tv e g e t a t i o n ；m el o s so fn j t r o g e na i l dp h o s p b o r u si nh i 曲e rs l o p ei sh i 曲e rt 1 1 a i lm a to f l o w e rs 1 叩e ；w i i hh i g l lw a t 小c o n t e n t ，s o i lh a sh i 曲1 0 s so f n i t m g e na n dp h o s p h o r u s 2 ) c o n c e n t i a t i o no fn i g e na n dp h o s p h o r u s1 nt h ew a t e l b o d i e s “u p s t r e a n lw a t e r 曲e do f m i y u n r e s e “o i rh a s 鲈e a tt e m p o r a l锄ds p a t i a lv “a t i o n a tm et e m p o r a ls c a l e ， t h e c o n c e n t r a t i o n so ft na 1 1 dt pa tr a i n yr e a s o na r eh i 曲e rm a nt h o s ea r e rr a i n ys e a s o n ，a l l db e f o r e r a i n ys e a s o n ；c o n c e n 廿a t i o n so fn h 4 十ni sh i g h e rb e f o r er a i n ys e a s o t h a nt h o s e a r e rr a i n y s e a s o na n dd u r i n g r a i n yr c a s o nd u et ot e m p e r a t l l r ee f r e c to ni t se x i s t i n gf o r m a tt h es p a t i a ls c a l e ， c o n c e n t r a t i o no ft n ，n 0 3 一ni ns h u i b a o z ir i v e ra n dc h a or i v e ri st h eh i 曲e s ta 1 1m et i m e ； b e c a u s eo ft h el o wc o n c e n t r a t i o no fn 0 2 悄，i td o e sn o ta p p e a rt e m p o r a la 1 1 ds p a t i a lv a r i a t i o n ； t h es p a t i a l 、，枷a t i o no f t pi sd i s t i n c t ，w h i c hi sh i 曲i nt h es a m p l i n gp o i n tn e a rv i l l a g e s 3 ) t h ef o n no fn i t m g e na n dp h o s p h o m sl o s s j sv a r e da tt h ed i 腩r e n t h y d m l o g i c a ls t a g e s d i s s o l v e dn i t r o g e na n dp h o s p h o n l si sm em a i nf o r n li ns t r e a m sb e 南r cr a i n ys e a s o nm l da f t e r r a i n ys e a s o n ，t h er a t i od e c r e a s e si nr 鲥n ys e a s o n ，p a n i c l en i t m g e na n dp h o s p h o m si st h em a i n f i 首都师范大学硕十学位论文 f o r n li ns o m ed v e lw h i l ei ns l l i x i ae x p e r i m e n t a lp l o t s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sl o s sm a i n l yi n t h ef o mo f p a r t i c l e ，a 1 1 dt h es e d i m e m a t i o nh a sl i n e a rr c l a t i o n s h i pw i t hr u n o f r ( r = o 7 2 ) ，h o w e v e r ， n os u c hr e l a t i o n s h i pe x i s t s 眦o n gn o w ，s e d i m e n ta n dl o s so f n i t r o g e na n dp h o s o p h o n l s 4 ) c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r s h e dh a v ei f n p a c t so nt h el o s so fn i t m g e n 柚dp h o s p h o n l s t h e c o n c e n m l t i o no fn i t m g e nh a sp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t hr a i n f l a l li nt h en l o s ts a m p l i n gs p o t s ；t h e h i g hc o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si ns o i lw i l li n c r e a s et h et i s ko f1 0 s si n t ow a t e r b o d y ；c o n c e n 仃a t i o n so f t na n dn 0 3 一- n 矗d mo r c h a r da 1 1 dv i l l a g ea r eh i g l l ，t h o s ef b mw o o da r e t h el o w e s t ；l a i l d s c a p ep a n c n lh a si m p a c t so nt na n dn 0 3 _ - nl o s s ，s 锄p l i n gs p o tn e a rm e s o u r c e1 a n d s c a p e h a sh i 曲e rc o n c e n 咖t i o n sm a nt h es a m p l i n gs p o tn e a rt h es i n k1 锄d s c a p e b e f o r er a i n ys e a s o n ，t h ec o n c e n 仃a t i o no ft na n dn 0 3 。埘h a sp o s i t i v ec o 盯e l a t i o n 、i t hd r a i n a g e d e i l s i 够；h o w e v e r ，n os u c hm l ei nr a i n ys e 船o n 柚da r e rr a i n ys e a s o ni sf o l l n d k e yw o r d s ：m i y u nr e s e r v o i r ；l o s so fn i 昀g e na n dp h o s p h o r u s ；t 锄p o s p a t i a l 州a t i o n ； c _ h a r a c t e r i s d c so f w a t e r s h c d 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 、 虢缪招吁 日期：沙磊j 月 口日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于菲赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名 嘭喜、y 舞 日期：y 争6 年r 1 口日 驴 首都师范大学硕十学位论文 第一章概述 1 1 非点源污染及其特征 随着人类活动的增加，水污染已经成为全球性问题之一。传统上按污染发生的类型， 将水环境污染分为点源( 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 ，n p s ) 。在发达国家， 点源污染已经得到了有效的控制，非点源已经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，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 的细菌均来自菲点源( 贺缠生，1 9 9 8 ) 。欧洲其他国家也得出了相近的结 论，丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷由非点源污染引起( k r o n v a n g ，1 9 9 6 ) 。 我国湖泊达到富营养化的水体己占6 3 3 ，其中5 0 以上的氮、磷污染负荷来自农业非 点源污染。北京的密云水库、天津的于桥水库、安徽巢湖、云南洱海、上海淀山湖等水域， 非点源污染比例已超过点源污染，非点源污染已上升成为威胁地表水的主要污染源( 徐谦 等，1 9 9 6 ：杨苏树，1 9 9 9 ：吕耀，1 9 9 8 ) 。 关于非点源的定义有许多提法。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，并在水体中大量富集从而导致水环境污染。目前国际上较为公 认的说法是美国清洁水法的第5 0 2 ( 1 4 ) 条款中对点源进行的明确的规定，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 染源为非点源( 王晓燕2 0 0 3 ) 。 与点源污染相比较，非点源污染具有许多显著不同的特点( n o v o t n y ，1 9 8 l ；c a r p e n t e r e ta l ，1 9 9 8 ；李怀恩，1 9 9 6 ) ，非点源污染的主要特点如下： 1 ) 随机性。从非点源污染的起源、形成过程分析和影响因素来看，非点源污染物主要 发生在与气象事件密切相关的间歇时段，与薄雨及降雨形成径流过程密切相关，而降雨过 程具有随机性，所以由此形成的非点源污染必然具有随机性。 z ) 排放途径和排放污染物具自不确定性。非点源污染物的种类繁多数量巨大，而且 主要以扩散的方式随地表径流进入水体，加之非点源影响因子复杂多样决定了其污染物的 来源和排放途径的不确定性。 首都师范_ 人学硕士学位论文 3 ) 污染负荷的时空差异性。非点源污染的形成不仅受到地表物质来源、景观格局的 影响，同时还受到土壤侵蚀过程、降雨过程、灌溉过程、地表和地下水文过程的影响。由 于影响非点源污染的因子复杂多样，导致它的时空变化较大。 由于非点源污染形成过程受区域地理条件、气候条件、土壤条件、士地利用、植被覆 盖和降水过程等多种因素的影响，具有随机性大、排放的污染物及排放途径不确定、污染 负荷时空差异大的特点。已有的研究认为要解决非点源污染过程引起的地表水质污染问题 应从流域尺度上考虑所采取的控制方法和手段( 张水龙，2 0 0 1 ) 。流域被看作非点源污染 研究的基本对象，是因为：首先，流域是一个基本的生态系统；其次从物流循环能流转换的 角度看，流域具有一定程度的封闭性，即流域具有空间特征的完整性和能量流动的准封闭 性；最后一点，一般来说流域大多具有多重尺度和套合结构的空间特征，即从微小的空间尺 度和格局上着眼，流域还可看做是若干更微小的可以抽象表达的微生态系统的集合体，从 大尺度上考虑则可通过流域等级的划分与合并，使流域适合于不同的研究尺度范围。在研 究非点源污染时，流域是作为一个可以划分为多个单元的系统即流域系统来看待的，这样 的划分有利于我们作两个方面的工作，一是探讨各单元内农业非点源污染发生的机理，二 是探讨系统规律，包括单元与系统之间的规律。 1 2 国内外研究进展 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，尤以美国研究历史较长，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 邦水污染控带d 法( 修正案) ( n o v o t n y ，1 9 8 7 ) 。8 0 年代随着非点源污染研究范围的扩大、 类型的增多，对污染机理的研究更加深入，尤其是对营养元素在土壤、地表的迁移规律研 究( 李怀恩、沈晋，1 9 9 6 ) 。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 的湖泊富营养化调奄，之后相继在上海、杭州、苏州、长沙、南京、成都等城市开展了非 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 河等方面展丌了研究( 汤承彬，1 9 9 7 ；邬论等，2 0 0 3 ；王晓燕等，1 9 9 6 ：李俊然等，2 0 0 0 ) 。 非点源污染物以营养元素氮、磷( 总氮、铵态氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总磷、磷 酸盐等) 及悬浮物为主，这些研究往往与湖泊、水库等汇水水域的富营养化结合起来，研 究表明水库湖泊氮负荷7 9 8 8 来自非点源，磷负荷7 4 8 7 来自非点源( a l a i l l ，1 9 9 0 ) ， 于桥水库富营养化的研究表明，于桥水库磷负荷6 0 来自非点源污染，氮负荷5 0 来自 首都师范人学硕士学位论文 非点源污染( 王刚，2 0 0 0 ) 。 1 2 1 坡面产流过程对氮、磷流失的影响 由于非点源污染面状散布且地理边界与发生位置难以识别与确定，很难在其源处进行 监测，利用小区进行产流过程的模拟，研究土地利用方式、降雨、坡度等因素对氮磷流失、 及其形态的影响不失为一个有效的手段。研究发现，开荒及裸地最易产生径流，其中荒坡 产生的泥沙中总氮含量、总磷含量最高，其次为林果地、草地，农地最低；磷主要以泥沙形 式被迁移带走，溶解态极少：等高种植及植物带对控制径流污染，效果极为明显；其次为免 耕，应杜绝坡耕( 王晓燕等，2 0 0 1 ) 。泥沙氮素流失的累计含量随着覆盖度的增加而减小， 植被覆盖可有效地减少土壤侵蚀并将植被减蚀作用归结于植被茎叶对降雨的截留作用、植 被根系对土壤的固结作用和植被对径流传递的阻碍作用。但由于土壤全氮多是有机氮，且 主要和土壤颗粒结合，因此，植被在防止土壤颗粒流失的同时，相应地减少了土壤全氮的流 失，减少作用随覆盖度的增大而增加( 张兴昌等，2 0 0 0 ) 。在西落溪流域天然特大暴雨的模 拟实验表明：氮素的流失速率和流失量随土地利用类型的变化表现出明显差异；相同降雨 条件下，不同土地利用类型产流所需时间不同，相同降雨条件下，不同土地利用类型的径 流过程及径流量差别也很大，径流增加及累积径流量大的是稻田，其它依次为桑园、竹林、 草地和菜地；径流中氮的流失以颗粒氮为主，有效态氮中以硝态氮和铵态氮为主( 于兴修 等，2 0 0 2 ) 。 1 2 2 受纳水体水质变化方面 研究发现河流中硝态氮的浓度随河流流量的增长而增大，在河流出口处硝态氮的浓度 有所增长，而且几乎所有的硝态氮是枯水季节由河流附近的地下径流渗透而来的( y 、佃 h e r p e ，2 0 0 0 ；砌嘭脚，i o l 妇0 0 0 0 ) 。s h a r p l y 的研究也发现，小流域中高含磷量土壤的分都与 接近河流的土壤相比，水体中磷的含量与后者更相关( a n d r c s n s h a r p ly ，1 9 9 9 ) 。氮、磷( 总 氮、水溶性氮、磷、水溶性磷) 的输出速率与降雨径流过程呈递减变化，总氮、总磷与径 流量对地表的侵蚀能力成正相关，其浓度的递减规律呈抛物线形，并随降雨强度的增大而 增大( 李俊然，2 0 0 0 ) 。于桥水库的研究表明，平水年份非点源污染氮含量总体上高于干旱 年份，干旱年份地表水中水溶性氮含量季节变化比较平稳，而且空间差异较小；而平水年 份非点污染氮季节变化较大( 陈利顶，2 0 0 2 ) 。安徽梅村流域的研究发现：氮素的地表径 流输出以硝态氮为主，占总氮输出量的5 0 6 0 ，铵态氮占总氮输出量的1 6 2 4 ，其它 形态占2 l 3 2 。由于硝态氮占总氮的绝大部分，每个监测点硝态氮与总氮含量呈明显的 线性关系( 杨金玲，2 0 0 3 ) 。 首都师范大学硕士学位论文 1 2 3 流域景观特征的影响 国外已有研究表明，径流水中氮的含量9 4 与农地、林地的面积有关( 腑蚶e i j r 砖1 9 卿， 径流水中氮素含量与林地面积比例呈显著的线形相关，随林地面积的增加铵态氮、硝态氮、 总氮的平均含量都成比例地减少，随着水塘面积的减少，硝态氮含量成比例地降低( 杨金 玲，2 0 0 3 ) 。土地利用对氮磷流失的影响：在单一土地利用结构中，不同地表径流中的溶 解态氮浓度的差别较大，村庄最高，其次是坡耕地、林果地、荒草坡( 王晓燕，2 0 0 3 ) 。在 不同土地利用结构中，如林地一耕地、草地一耕地，随着林地草地所占比例的增加，径流 中铵态氮的含量降低，而随着耕地百分比的增加而升高，由此可见林地草地对氮污染物有 一定的截留作用( 王超，2 0 0 2 ) 。陈利顶等通过地表水体采样分析，对水溶性氮含量的季节 动态变化特征以及与流域形状、景观空间分布相互关系的研究发现：非点源氮污染的形成 不仅取决于流域中景观类型的多少和重要性，更主要取决于“源”( s o u r c e ) “汇”( s i n k ) 景观类型的空间分布格局，两种景观离地表水体的距离将对非点源氮污染的形成具有较 大影响，流域形状、景观类型在流域中的相对重要度对非点源氮污染的形成没有明显关系 ( 陈利顶等，2 0 0 2 ) 。流域中广泛分布于季节性河流附近的汇型景观结构( 石坝、植草水道、 植被过滤带、干塘、缓冲区等) ，通过滞留、缓冲功能，对地表径流的流速及流量具有双重 调控作用，延长了养分物质在流域内部的滞留时间，对产生于不同源区的面源污染径流具 有截留、吸纳、贮存作用，使径流中泥沙和磷素浓度逐渐得到降低，减少了养分对下游水体 的负荷输出( 王夏晖，2 0 0 5 ) 。土地利用对磷的形态也有一定的影响，一般来说草地和林 地径流中的磷以溶解态为主( 张兴昌等，2 0 0 0 ) 。对红壤小流域的研究表明：磷素的流失 量以竹园为最高，其次是旱地和新建果园，再次是幼龄茶园，林地和荒草地磷素的流失较 小，土地利用对磷素流失的影响除了与土壤侵蚀量密切相关外，磷肥的施用量和土壤磷的 含量是主要的影响因素( 陈欣等2 0 0 0 ) 。 总结国内外非点源污染的研究，主要立足以下两点：( 1 ) 立足于迁移过程的分析，这 种方法有助于污染发生机理、影响因素的研究；通过径流实验场，监测降雨径流的水质水 量，确定污染物单位负荷量，从而估算污染物的污染负荷，但是这种方法由于空问异质性 很难推广到大尺度流域中去。( 2 ) 立足于对受纳水体的水质( 水量) 分析，通过分析水质 的连续的变化趋势来研究非点源污染，这是一种间接的方法。 由于非点源污染随机性大、分布范围广，加之实验与监测条件的限制，结合g i s 等先 进技术手段来探讨非点源污染物流失，将成为非点源污染研究的一个必然趋势。 首都师范人学硕士学位论文 1 3 研究目的及其意义 密云水库作为北京市的重要的地面饮用水源地，其水质直接影响首都人民的生活和健 康。目前研究表明，密云水库水体的营养程度属中营养型，水质尚好，但库区水体向富营养 化发展的趋势比较明显( 杜桂森，1 9 9 9 ) 。北京市为严重缺水的城市，水环境的污染，将更 加重了水源危机。目前研究表明，在本市境内径流污染已成为影响水库水质的主要污染源， 其中农业源，即农田径流、水土流失等导致的水体污染最为重要且分布最为广泛( 于桂玲， 1 9 9 0 ) 。 非点源污染发生具有随机性，污染物排放不确定性，巨大时空差异，滞后性等特点，而且 影响因子复杂。非点源污染的形成不仅与物质来源，如化肥农药的使用、垃圾的堆放有关， 而且与地表景观的性质，如流域土壤特征、土地利用覆盖类型及其空间分布特征有关，同 时还受土壤侵蚀过程、降雨过程、灌溉过程、地表和水文过程的影响。由于众多因素的困 扰，目前对非点源氮、磷流失的机理仍然不是很明了。现有工作多从流失发生的角度出发， 在小区尺度上，利用定点监测或者通过人工降雨实验，研究降雨径流、坡面产流过程的影 响因素和特征，如土壤特征、土地利用覆盖类型，耕作方式、农作物种类等对氮、磷迁移 流失的影响，极少涉及非点源污染物在流域的迁移过程，以及对受纳水体水质的影响。对 非点源氮、磷污染物的监测多集中在小区、块地，而非点源污染的发生面积广，随着监测 区域面积的增大其影响因素也更加复杂。为了迸一步探讨农业非点源中氮、磷流失的机理， 本文选取了石匣实验小区和密云水库上游流域两个不同尺度范围的研究对象，石匣试验小 区主要从坡面产流的角度分析小区氮、磷污染物流失特征及其影响因素。密云水库上游流 域通过野外实地调查和g t s 手段，从非点源污染源头、迁移过程及汇水水质入手分析非点 源氮、磷流失的时空差异，以及流域特征( 降雨、土地利用、景观分布格局、河网密度) 对氮、磷迁移过程的影响。 1 4 研究内容 本论文的主要研究内容包括： 1 ) 研究地区的流域特征分析； 2 ) 石厦试验小区氮、磷流失规律及影响因子； 3 ) 密云水库上游流域氮、磷浓度的时空变化，以及流域特征对氮、磷流失的影响。 1 5 技术路线 基于上述研究目的和当地的实际情况，研究按照图1 1 的步骤进行： 1 ) 准备阶段。利用密云水库1 ：l o 万地形和水系图，分析流域内水系分布特征，提取流 首都师范大学硕士学位论文 域河网密度、土地利用等流域特征。通过次级小流域的刻画，选取2 7 个典型小流域作为 研究对象，并在小流域的出i _ _ 】处设置监测点。 2 ) 野外水质监测。石匣实验小区于2 0 0 4 年采集四次降雨量大于l o 唧的径流样。密云水 库上游流域分别于2 0 0 4 年的6 月份( 雨季前) 、8 月份( 雨季中) 、1 0 月份( 雨季后) ，每 月采集一次水样，2 0 0 5 年的t 、7 月份( 雨季前) 、8 、9 月份( 雨季中) 、l o 月份( 雨季 后) ，每月采集水样两次( 中旬和月末) ，尽快送回实验室分析。 3 ) 通过野外实地调查获取监测点的自然属性特征以及周边的社会经济活动状况，用来分 析对氮、磷浓度时空差异的影响。 4 ) 氮、磷污染物浓度时空差异分析，并结合流域特征分析对氮、磷污染物浓度分布的影 响。 图1 1 密云水库上游流域技术路线 首都师范j 犬学硕士学位论文 第二章研究区域概况 2 1 密云水库上游流域概况 2 1 1 地理地貌 研究区域位于北京市东北部，东经1 1 5 。2 5 1 1 7 。3 3 ，北纬4 0 。1 9 4 1 。3 l ，包括密云县境内的北部和东部的八个乡镇。北东与河北省丰宁、滦平、兴隆县接壤， 西与北京市怀柔县相邻，南依密云水库。该区域东西长约6 9 公罩，南北宽约4 0 公里，研 究区面积约为1 2 1 2 8 3 平方公里( 见图2 ，1 ) 。 流域内有潮河、白河两大水系。潮河流域面积9 2 2 7 5 平方公里，发源于河北承德地 区。白河流域面积6 2 7 7 5 平方公里，发源于河北张家口地区。在全流域中，北京市占有 3 4 6 3 9 平方公里，密云、怀柔和延庆3 个县占水库流域面积的2 3 3 ，占北京市山区面 积的3 3 3 。 本区处于华北平原与内蒙古高原的过渡地带，属于燕山山脉。山峦起伏，沟壑纵横， 地面切割破碎，根据北京市农业地貌调查的地貌分类系统，可分为山地与丘陵两个i 级地 貌类型和十个i i 级地貌类型，各地貌间阶梯显著、界限分明、相对高度大。流域内地形 西北高、东南低，西北多以海拔1 0 0 0 2 3 0 0 米的中山为主，东南部多分布低山、丘陵，少 量平原河滩地。河滩地主要分布在河流两侧及密云水库库北的不老屯乡至冯家峪一带，山 地面积占总面积的2 3 以上。 丘陵 主要分布于潮河流域和水库周边，大部分海拔高度在1 5 0 4 0 0 米之间，山体浑圆，坡 度较小、坡度在5 1 5 度的占4 8 9 。阶、坡地和沟谷土层较厚，土质较好，沟谷开阔， 有一定的水源保证，光、热资源丰富，垦殖率在3 0 一5 0 之间，特别是阶地、河漫滩等 地块较大，适宜农作物和果树生长。 山地区 低山 主要分布在水库的西北、东北部，海波高度在4 0 0 一8 0 0 米，山体陡峻，地势起伏大， 大于2 5 度的山体占一半以上，除安达本河谷两侧外，总的特点是坡陡土薄( 7 0 以上的 面积土层 荒草坡( 6 6 5 m g 1 ) 农地( 3 0 0m g 1 ) 标准小区( 2 4 6 m g 1 ) 林地( 1 1 6m g 1 ) ，泥沙结合态氮表现出相同的变化趋势。径流中水溶态氮的变 化趋势为荒草坡( 0 6 1m g 1 ) 果园( o 4 1m g 1 ) 农地( o 3 4m g 1 ) 标准小区( 0 2 8 m g 1 ) 林地( 0 1 0m g 1 ) 。由于林地中植被根系的吸附能力使其径流中氮污染物浓度最 低，果园、农地由于化肥的使用使得径流中氮浓度较高。 在水溶态氮中，硝态氮变化趋势为荒草坡( 1 6 5m g 1 ) 果园( 1 0 2m g 1 ) 农地( o 8 0 m g 1 ) 标准小区( o 5 lm g 1 ) ) 林地( o 2 3m g 1 ) ；铵态氮的变化趋势为标准小区 果 园 农地 荒草坡 林地( 浓度分别为( m g 1 ) ：o 2 5 ，o 1 9 ，o 1 5 ，0 1 4 ，0 0 5 ) ；亚硝 态氮变化趋势为标准小区( o 0 6 7m g 1 ) 农地( 0 0 5 9m g 1 ) 果阔( 0 0 3 1m g 1 ) 荒 草坡( o 0 2 7m g 1 ) 林地( 0 0 1 6m g 】) 。铵态氮与亚硝态氮变化趋势相似，与总氮和硝 态氮表现出明显的差异。标准小区的铵态氮和亚硝态氮浓度最高，这可能由于在裸露地表 首都师范大学硕十学1 ：论文 土壤生物、非生物活动减弱，没有植物根系吸收有关。 从图3 3 可以看出总磷浓度的变化趋势为：果园( o 3 1 2m g 1 ) 标准小区( o 2 3 3m g 1 ) 荒草坡( o 1 3 5m g 1 ) 农地( o 0 9 3m g 1 ) 林地( o 0 5 4m g 1 ) ；水溶态磷浓度变化 趋势为：果园( 0 0 5 4m g 1 ) 农地( o 0 3 4m g 1 ) 荒草坡( o 0 3 lm g 1 ) 标准小区( o 0 2 5 m g 1 ) 林地( o 0 1 lm g 1 ) 。与总氮浓度相似，径流中总磷的浓度最高为果园，最低为 林地，林地中出于植被根系的拦截作用使径流中磷污染物浓度最低，果园由于化肥的使用 部分未被吸收的磷素随径流流失，导致水体中磷浓度偏高。 图3 2 土地利用方式对氮污染物浓度的影响 i 利3 3 十地利_ i j 方式对磷污染物浓度的影响 3 2 2 土地利用对氮、磷流失量、径流量的影响 从图3 4 可以看出，不同土地利用的径流量变化趋势为：标准小区( 1 0 2 m 3 ) 农地 ( 0 3 5 m ) 果园( 0 3 4 m 5 ) 荒草坡( o 1 8 m 。) 林地( o 0 8 m 。) ；总氮流失量变化趋势为： 标准小区( 1 3 9 8k g k m 2 ) 荒草坡( 1 0 8 3k g k m 2 ) 果园( 9 7 7 k g k m 2 ) 农地( 8 9 lk g k t l l 2 ) 林地( 4 5 8k g k m 2 ) ；总磷流失量变化趋势为：标准小区( 3 5 6k g k m 2 ) 果园( 1 9 0k g k m 2 ) 首都师范火学硕士学仿论文 农地( 1 ，2 9k g k m 2 ) 荒草坡( 1 - 1 0 k g k 耐) 林地( 0 1 8k g k m 2 ) 。 标准小区由于没有任何植被覆盖，径流量远远大于其他土地利用方式，尽管标准小区 氮、磷浓度不是很高，但氮、磷流失量是五种土地利用方式中最高的。果园、农地氮、磷 浓度最高，氮、磷流失量却不是最高，这是由于果园和农地有一定的植被覆盖度，植物根 系可以有效的阻止土壤流失，减少径流量，使其氮、磷流失量低于标准小区。 图3 4 土地利用对氮、磷流失量、径流量的影响 3 ，2 3 径流中氨、磷形态 由图3 2 、3 3 可以看出，大部分采样点的磷以颗粒态磷为主，占总磷的比重在6 3 4 8 9 3 之间，平均值7 4 8 。氮的流失也是以颗粒态为主。占总氮的比例大部分在 6 6 4 8 1 2 之间平均值为7 2 3 ，可溶性氮所占比例较小大部分在1 8 8 3 3 6 之间， 这与黄满湘在北京地区的氮流失研究稆一致( 黄满湘，2 0 0 3 ) 。可溶性氮中主要存在形态 为硝态氮和铵念氮。亚硝态氮所占总氮的比例很小平均为5 ( 最高为1 4 ) ，与总氮的浓度 里明显的线性负相关，而硝态氮与总氮的浓度具有明显的线性正相关性。( 图3 5 ，3 6 ) l l 曩 o1 5 总氮( g 1 ) 图35 硝态氮与总氮关系 幽3 6 征硝态氮与总氯关系圈图 首都师范大学硕士学位论文 3 2 4 耕作方式对氮、磷流失量、泥沙量的影响 由表3 2 可以看出：3 号、4 号小区坡度、坡长相差不大，但氮、磷流失量的差别却 很明显。翻耕的4 号小区氮、磷流失量明显高于3 号小区，氮、磷流失量分别减少3 1 1 、儿5 ，由此可见，土地翻耕会明显增加径流中氮、磷流失量。8 号、9 号小区坡度、 坡长一致，9 号小区( 小水平条田) 的氮、磷流失量小于8 号小区，减少量分别为3 7 4 、 1 5 8 。l 号、6 号小区在坡度、坡长相差不大，相同土地利用的情况下，6 号( 大水平条 田) 氮、磷流失量要明显低于l 号( 开荒种植) ，减少量分别为3 7 o 、6 5 9 。 上述三组对比，小区径流量差别不是很明显，但泥沙量的差异非常明显，进行保土耕 作的3 号、9 号、6 号小区的泥沙量分别比小区4 号、8 号、1 号减少3 6 6 、9 7 7 、5 1 1 。而氮、磷的流失以泥沙结合态为主，因此进行保土耕作如布设水平条田、免耕种植可 有效的减少泥沙的流失，从而减少氮、磷的流失。 不考虑土地利用差异，耕作措施对氮、磷流失量、泥沙量也有明显的影响。由表3 2 我们可以看出：小区1 ，小区3 号，小区4 号，小区2 1 号，小区2 2 号氮、磷流失量，泥 沙量比较高，小区2 1 号、2 2 号( 无任何植被覆盖) ，小区l 号、3 号、4 号为休闲地和开荒 地，这表明裸地或开荒容易造成土壤的流失，使土壤中的氮、磷随土壤流失进入水体，而 有一定的植被覆盖的小区2 号、8 号、9 号、1 5 号、2 0 号氮、磷流失量和泥沙量较低，原 因是植物根系有效的阻止了土壤的流失，从而减少了颗粒态氮的来源，即使是很小的覆盖 度也能有效的减少土壤的侵蚀。如5 号小区虽然覆盖度小于3 0 ，但没有出流。 另外梯田种植( 1 7 号小区) 和鱼鳞坑造林( 1 0 号小区) 等水土保持措施也明显减少了土壤 的侵蚀，两个小区都没有出流。 3 2 5 坡度对氮、磷流失量、泥沙量的影响 由表3 3 可以看出，在坡长、耕作方式一致的条件下，l 号小区氮、磷流失量、泥沙 量明显大于1 8 号小区。氮、磷流失量增长分别为：7 月8 号4 1 2 、7 7 2 ；7 月2 2i = ：i ， 2 4 2 、2 5 4 ：8 月4 日，7 0 6 、7 7 5 ；8 月2 8 同，3 7 8 、8 2 7 。由此可见同 等条件下减少农田的坡度可有效的减少氮、磷的流失。 首都师范大学硕士学位论文 表3 2 耕作方式对氮、磷流失量的影响 3 2 6 植被覆盖度对氮、磷流失量、泥沙量的影响 小区5 号、1 5 号、1 6 号在小区建成初覆盖度有差异，但随着时间的推移三个小区植被 生长状况已趋于稳定，覆盖度已经没有明显差别，因此为了便于比较将这三个小区与标准 小区进行对照，标准小区地表常年裸露，覆盖度为零。 由表3 4 可以看出，地表常年裸露的标准小区2 1 号、2 2 号氮、磷流失量、泥沙量要 明显大于有植被覆盖的5 号小区( 没有出流) 、1 5 号、1 6 号，由于地表裸露缺少植被根系 的有效保护，很容易发生土壤侵蚀，这样土壤中的氮、磷就随径流进入水体造成污染，因 此尽量减少裸露土地的存在，可有效的防l l 水土流失，从而减少土壤中的氮、磷进入水体。 首都师范- 人学硕十学位论文 表3 4 植被覆盖度对氮磷流失量、泥沙量的影响 注：表示没有流 3 2 8 土壤含水率与氮、磷流失量 图3 77 月8 号土壤前期含水率与氮磷流失关系图 图3 87 月2 2 号土壤前期含水率与氮磷流失关系图 土壤的水分是土壤的重要组成物质，也是限制作物生长的一个重要因素。在降雨初期， 土壤空隙度大，土壤对水分的吸收能力强，随着降雨的来临，土壤空隙进水，水分入渗速 首都师范大学硕十学位论文 率迅速降低，当达到土壤水分饱和度时开始产流，造成土壤中的营养元素随土壤侵蚀进入 水体。研究发现径流的产流时问主要受土壤含水量的影响，并与土壤含水量呈负相关，在 降雨条件基本相同的前提下，前期土壤含水率越高，污染物流失量也越大( v i g h im ，1 9 8 7 ) 。 从图3 7 、3 8 、3 。9 、3 1 0 可以看出，各小区土壤含水率与氮、磷流失量表现出了明 显的正相关，即含水率高的小区其氮、磷流失量也高，而不同土地利用和耕作方式的小区 其含水率也是不同的。 图3 98 月4 号土壤前期含水率与氮磷流失关系图 图3 1 08 月2 8 号土壤前期含水率与氨磷流失关系图 3 2 9 降雨径流与氮、磷流失、泥沙流失 降雨是影响氮、磷坡面流失的一个重要因素，从图3 1 l 可以看出，氮、磷流失量的变 化与降雨量的变化呈明显正相关，即氮、磷流失量随着降雨量的增加而增加。由于石匣小 区径流中的氮、磷流失以泥沙结合态为主，因此泥沙的流失( 土壤侵蚀) 对氮、磷流失至 首都师范大学硕士学位论文 关重要。由图3 1 2 我们可以看出径流中泥沙的量与径流量具有很好的线性相关性 ( r = o 7 2 ) ，其中4 号小区在7 月2 2 号降雨，7 月8 号小区2 0 号泥沙量数据异常( 泥沙量 3 6 3 0 k g 、4 0 5k g ) ，造成这种现象的原因是由于两个小区在降雨前土壤刚刚进行翻耕， 大量疏松土壤裸露在地表，土壤很容易被雨水冲刷而流失。坡面产流在很大程度上取决于 降雨，因此降雨是影响小区氮、磷流失和侵蚀产沙的一个重要的气象因子，但总氮、总磷 的流失量跟径流量或泥沙量没有表现出明显的相关性。 图3 1 l 降雨量与氮、磷流失关系图 幽3 1 2 弪流量一泥沙基线性关系图 首都师范大学硕十学1 寺：论文 3 3 结语 1 ) 径流中总磷和总氮浓度与土地利用有关，果园、农地径流中氮磷浓度偏高，而林地对 氮磷等污染物有一定的净化作用。 2 ) 径流氮磷输出与土地利用有关，标准小区最大，果园、农地次之，林地最小；免耕种 植、梯田种植、鱼鳞坑造林等水土保持措施减弱农田土壤养分侵蚀流失；在其它条件一定 的情况下，植被覆盖可明显减少径流量和泥沙量，从而有效地控制农田氮磷污染物的流失。 坡度大的小区氮、磷流失量、泥沙量高于坡度小的小区。 3 ) 在供试小区，氮、磷的流失以泥沙结合态为主，硝