（环境科学专业论文）福州第二水源山仔水库降雨径流磷污染规律研究.pdf

福建师范大学硕士学位论文 摘要 山仔水库是福州市第二饮用水源，但富营养化问题多年来尚未得到有效根治， 前期研究结果表明农业非点源污染是水库富营养化的主要原因之一，而磷浓度是水 体富营养化的限制性因素。本研究在考察山仔水库周边地区主要土地利用现状基础 上，选择了小沧乡七里村的三种典型的实验样地，采用调查分析与实测研究相结合、 野外监测与室内实验相结合、实测分析与模型模拟相结合的技术路线，探讨降雨径 流产流特征和磷流失规律，并应用a n n a g n p s 模型估算磷污染负荷，进而针对性地 提出降雨径流磷污染控制对策。结果表明： ( 1 ) 降雨过程产流特征：径流量的峰值滞后于降雨量的峰值1 0 3 0 m i n ；径流量峰 值滞后的时间与降雨强度呈负相关关系；降雨过程径流量基本表现为松竹林 水稻田 地瓜地。 ( 2 ) 降雨前后表层土壤的磷流失特征：全磷和速效磷的流失程度表现为地瓜地 水稻田 竹林；速效磷占全磷的比例与土壤的含水率呈较显著正相关关系。 ( 3 ) 降雨径流磷输出特征：总磷浓度的峰值一般与径流量的峰值同时出现；径流 中的磷主要是以颗粒态形态输出；径流的磷浓度普遍具有地瓜地 水稻田 松竹林的 规律。 ( 4 ) 松竹林、水稻田和地瓜地的总磷输出负荷与径流量之间都存在多项式相关关 系，其相关系数分别为0 9 9 8 2 、0 9 9 7 8 、0 9 9 8 4 。 ( 5 ) a n n a g n p s 模型可以较好地模拟降雨条件下山仔水库的磷污染负荷；应用该 模型估算了水库1 9 9 6 2 0 0 4 年磷负荷，1 9 9 7 年总磷和可溶性磷负荷最大，2 0 0 3 年总 磷和可溶性磷的输出量最小。 关键词降雨径流；磷负荷；富营养化：农业非点源；a n n a g n p s 模型；山仔水库 福建师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h a n z ir e s e r v o i ri st h es e c o n dd r i n k i n gw a t e rs o u r c ef o rf u z h o uc i t y a tp r e s e n t ， a g r i c u l t u r a ln o n p o i n tp o l l u t i o ni so n eo ft h em a i nr e a s o n so ft h er e s e r v o i re u t r o p h i c a t i o n t oe x p l o r et h ed i s c i p l i n a r i a no fa g r i c u l t u r a ln o n p o i n t p o l l u t i o nt a k e np l a c ei nt h e r e s e r v o i ra n dt os e e kc o n t r o lm e a s u r e s ，t y p i c a 1 e x p e r i m e n t a lp l o tw a ss e l e c t e d b y c o m b i n i n gd i a g n o s e sw i t hp r a c t i c a lm o n i t o r i n ga n dm o d e ls i m u l a t i o n ，t h ed i s c i p l i n a r i a no f p h o s p h o r u sl o s tb ya g r i c u l t u r a ln o n p o i n tp o l l u t i o na n de s t i m a t i o no fp h o s p h o r u sl o a db y m o d e lw a ss t u d i e d ，t h e nt h em e a s u r e so fc o n t r o l l i n gp h o s p h o r u sp o l l u t i o no c c u r r e di n r a i n f a l lr u n o f fw a sp u tf o r w a r d t h r o u g ht h es t u d yw o r k ，i te l i c i t e dt h ec o n c l u s i o na s f o l l o w s ： ( 1 ) c h a r a c t e r i s t i c so f r u n o f f i nt h er a i n f a l lp r o c e s s ： t h ep e a ko fr u n o f fl a g g e db e h i n dt h er a i n f a l lp e a k10t o3 0m i n u t e s i ts h o w e dt h a t n e g a t i v er e l a t i o ne x i s t e db e t w e e nt h et i m eo ft h ep e a ko fr u n o f fl a g g e da n dr a i n f a l l i n t e n s i t y t h es e q u e n c eo fr u n o f ff r o mm a x i m u mt om i n i m u mi sp i n eb a m b o o 、p a d d y f i e l d s 、s w e e tp o t a t o e s ( 2 ) c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h o s p h o r u so fs u r f a c el a y e rs o i ll o s t ： t h el e v e lo ft pa n dd r pl o s tf r o mm a x i m u mt om i n i m u mi ss w e e tp o t a t o e s p a d d y f i e l d s p i n eb a m b o o i ts h o w e dp o s i t i v er e l a t i o ne x i s t e db e t w e e nt h a tp r o p o r t i o no fd r p a c c o u n tf o rt pa n dm o i s t u r ei ns o i l ( 3 ) c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h o s p h o r u so u t p u td u r i n gr a i n f a l lr u n o f f ： t h ep e a kc o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u si nr u n o f fa n dt h ep e a ko fr u n o f fo f t e ne x i s t e d a tt h es a m et i m e m a i n l yf o r mo f p h o s p h o r u sl o s ti sp a r t i c u l a t ep h o s p h o r u s t h es e q u e n c e o fc o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r u si nr u n o f ff r o mm a x i m u mt om i n i m u mi ss w e e tp o t a t o e s 、 p i n eb a m b o o 、p a d d yf i e l d s ( 4 ) t h er e g r e s s i o na n a l y s i sr e s u l t ss h o w e df l l a tp o l y n o m i a lr e l a t i o ne x i s t e db e t w e e n r u n o f fa n dt po u t p u tl o a d a n dt h er 2v a l u e so fp i n eb a m b o o 、p a d d yf i e l d sa n ds w e e t p o t a t o e sw e r e0 9 9 8 2 、0 9 9 7 8 、o 9 9 8 4 ，r e s p e c t i v e l y ( 5 ) i tw a sv a l i d a t e dt h a ta n n a g n p sm o d e lc a nb ew e l lu s e dt os i m u l a t ep h o s p h o r u s l o a di nr a i n f a l lc o n d i t i o n si ns h a n z ir e s e r v o i r t h em o d e lw a sa p p l i e dt oe s t i m a t e i i 福建师范大学硕士学位论文 p h o s p h o r u sl o a di nt h er e s e r v o i rf r o m19 9 6t o2 0 0 4 t h er e s u l t ss h o w e dm a tt pa n dd r p l o a dw a sm o s ti n19 9 7 ，a n dw a sl e a s ti n2 0 0 3 k e y w o r d s r a i n f a l lr u n o f f ；p h o s p h o r u sl o a d ；e u t r o p h i c a t i o n ；a g r i c u l t u r a l n o n p o i n t p o l l u t i o n ；a n n a g n p sm o d e l ；s h a n z ir e s e r v o i r i i i 福建师范大学硕士学位论文 中文文摘 由于人类对水资源的保护意识淡薄，水资源的破坏程度日趋严重，水体富营养 化已成为当今全球面临最重要的环境问题之一。随着人们对水体富营养化危害认识 的不断深入，富营养化的研究引起世界各国普遍重视。许多研究已表明，磷是水体 富营养化的限制因子，降雨地表径流是水体中磷的主要来源。 山仔水库1 9 9 2 年建库，1 9 9 7 年出现富营养化。2 0 0 1 年起当地政府采取一系列 措施有效地遏制了库区点源污染，但随后的水质监测表明，富营养化趋势仍日益明 显。由此可见内源污染和库区农业非点源污染是山仔水库水体富营养化的主要原因。 近年来，福建省内一些科研院所及专家学者陆续开展了山仔水库水质监测和污染源 调查，进行了水库底泥内源污染物n 、p 释放规律的深入研究，但针对库区农业非 点源污染机理和预测模型的研究仍处于探索阶段，特别是相关定量研究更是鲜有报 道。因此，研究山仔水库农业非点源污染( 主要为降雨径流污染) 的特征，应用非点 源污染模型对水库污染负荷进行模拟估算和预测研究，提出有针对性的防控对策措 施，具有十分重要的现实意义和理论价值。 本文通过对山仔水库整个流域的地质地貌、气候条件、水文特征、土壤性质、 土地利用类型和人口分布、区域发展情况等基础资料的收集，在野外实地勘察的基 础上，遴选了流域内农业非点源污染较为集中，样地植被代表性强，总体上能反映 出整个湖泊水文、污染特征的地区作为研究小区，应用a n n a g n p s 模型进行降雨径 流磷污染负荷的模拟研究；选取研究小区内主要土地利用类型作为野外试验样地， 通过对典型降雨事件径流量、径流总磷和可溶性磷以及降雨前后土壤全磷和速效磷 的测定，进行次降雨产流和磷输出特征以及两：学的相关性分析等探讨研究。 本研究的主要创新点在于： ( 1 ) 对山仔水库库区主要土地利用类型不同深度的表层土壤在降雨前后含水率 和磷浓度变化规律进行研究，初步探讨了降雨前后表层土壤的磷流失特征，为将来 进一步深入研究山仔水库土壤侵蚀提供基础，也为防治水库水土流失提供科学依据。 ( 2 ) 首次将a n n a g n p s 模型系统地引入山仔水库的农业非点源污染模拟研究。 通过现场调查、实验分析、资料收集和文献索引等途径初步确定了模型参数，将模 型模拟结果与2 0 0 6 年研究区多次降雨事件的降雨量、径流量和水质监测数据等实测 数据进行对比，对实测值与模拟值之间的拟合度进行检验。根据1 9 9 7 年2 0 0 4 年水 i v 福建师范大学硕士学位论文 库水文数据和气象资料，对水库的磷负荷进行模拟估算。 通过上述的研究工作，本研究取得了以下成果： ( 1 ) 系统研究了次降雨产流规律，得出了研究区次降雨过程以下产流特征： 径流量的峰值滞后于降雨量的峰值1 0 3 0 m i n ；径流量峰值滞后的时间与土地 利用类型无关，而与降雨强度呈负相关关系，即雨强越大，径流量峰值的滞后时间 就越短。 降雨径流主要集中在降雨过程的中后期，在降雨径流过程前1 6 的时间所产 生的径流量仅占径流量峰值的5 3 7 ，而降雨径流结束前1 6 的时间所产生的径流量 达到了径流量峰值的8 3 1 。 松竹林、水稻田和地瓜地在4 次降雨过程产生径流的平均流量分别为o 0 0 3 6 m 3 s 、o 0 0 3 2m 3 s 、0 0 0 2 7 m 3 s 。在4 次降雨的整个降雨过程三种土地利用类型的径 流量基本表现为松竹林 水稻田 地瓜地。坡度和植被覆盖率不同是引起它们径流量 差异的主要原因。 ( 2 ) 系统研究了次降雨前后土壤磷浓度变化规律，得出了研究区降雨前后土壤的 磷输出如下特征： 研究区内表层土壤全磷浓度在o 4 0 7 5 9 k g 之间，平均浓度为0 5 5g k g ；速效 磷浓度在0 0 1 4 0 0 2 5 9 k g 之问，平均浓度为0 0 1 6 9 k g ，略高于太湖地区( 2 0 0 0 ) 农田 土壤的全磷和速效磷浓度水平。研究区土壤中的磷向水体流失的风险较大。 不同土地利用类型的表层土壤在降雨前后的全磷和速效磷的流失浓度基本呈 现地瓜地 水稻田 竹林的变化规律。研究表明，施肥量和施肥方式不同是引起它们 表层土壤在降雨前后的全磷和速效磷的流失浓度差异的主要因素。 三种土地利用类型的表层土壤中速效磷占全磷的比例大多表现为5 1 0 c m 0 5 c m l o 1 5 c m 1 5 2 0 c m ；三种土地利用类型的表层土壤的含水率也基本表现为 5 - o c m 0 5 c m l o 。1 5 c m 1 5 2 0 c m 。研究区表层土的四个剖面层中速效磷占全磷的比 例与其土壤的含水率呈较显著正相关关系。 ( 3 ) 系统研究了次降雨径流磷浓度变化规律，得出了研究区降雨径流磷输出以下 特征： 可溶性磷浓度在整个降雨过程中基本稳定在较低水平，一般仅占总磷浓度的 2 0 2 5 ，这与曹文志等对九龙江流域农田地表径流磷流失的研究结果基本相似。 这说明研究区土壤中大部分的磷不易溶解，通常是以颗粒态磷形式流失。 v 福建师范大学硕士学位论文 总磷浓度的峰值一般与径流量的峰值同时出现( 或略微超前) 。研究表明，研 究区土壤的磷主要是以颗粒态形态存在，受降雨强度和径流量的影响。由于每年6 月至8 月研究区台风频繁，降雨明显，可以推测该时期是农业非点源污染磷负荷主 要集中期。 地瓜地、水稻田和竹林在4 次降雨径流过程输出总磷的平均浓度分别为 o 1 4 5 1 m g l 、0 1 2 4 3 m g l 、0 0 9 7m g l ，可溶性磷的平均浓度分别为0 0 3 6 9m g l 、 0 0 3 1 3m g l 、0 0 2 2 8m g l 。与目前太湖、三峡库区、九龙江流域等地区在类似的降 雨条件下总磷和可溶性磷的输出浓度相比，本研究区的磷输出处于较低水平。 4 次降雨径流过程普遍具有地瓜地 水稻田 松竹林的规律。农田耕作频繁和 夏季集中施肥是引起本研究区农业非点源污染磷负荷的主要原因。 ( 4 ) 分析研究区降雨径流磷输出负荷与径流量之间相关关系，得出两者之间的相 关特征：研究区松竹林、水稻田、地瓜地的总磷输出负荷与降雨径流量之间都存在 多项式相关关系，其相关系数分别为o 9 9 8 2 、0 9 9 7 8 、o 9 9 8 4 ；本研究区的经验方程 对于敖江流域和其他类似流域的上述三种土地利用类型的总磷输出负荷研究均具有 借鉴意义。 ( 5 ) 将a n n a g n p s 模型引入山仔水库农业非点源污染研究，确定模型参数，验 证模型模拟的可行性，并对水库多年的磷输出量进行模拟估算，得出以下结论： 模型模拟验证结果表明，地表径流量模拟值与实测值的偏差多在士9 以内， 模拟值和实测值的较好地分布在1 ：1 连线上，且两者的相关系数r 2 在o 9 8 以上； 总磷输出负荷模拟值与实测值的偏差范围为7 2 6 。3 3 2 4 ，在1 ：1 连线上分布较 好，两者相关系数r 2 为0 9 8 左右。可见，a r m a g n p s 模型基本可以较好地模拟降 雨条件下水库磷污染负荷情况。 应用模型估算了水库1 9 9 6 2 0 0 4 年磷输出量。结果表明，1 9 9 7 年山仔水库的 总磷和可溶性磷负荷最大，分别达到5 7 2 5 4 t 和o 3 5 6 2 t ，其次为2 0 0 0 年和1 9 9 9 年， 而2 0 0 3 年总磷和可溶性磷的输出量最小。水库总磷和可溶性磷输出负荷整体呈现出 “前5 年逐渐高，后4 年逐渐降低”的变化趋势 ( 6 ) 针对山仔水库降雨径流过程磷污染的来源和特征，提出了相应的防控措施： 发展生态、效益农业，引导农民科学种田、合理施用化肥农药：建立健全库区植被 保护机制，防止乱砍滥伐；完善农村生活污水处理系统，加快发展畜禽规模化养殖。 v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 长期以来，由于人类对水资源的保护意识淡薄，水资源的破坏程度日趋严重， 水体富营养化已成为当今全球面临最重要的环境问题之一。据调查，近年来美国4 0 的河流、5 1 的湖泊和5 3 的河口正受到富营养化的负面影响【1 】。2 0 0 6 年，我国2 7 个国控的重点湖库中，2 3 个湖库出现了不同程度的富营养化，其中重度富营养化的 湖库有1 3 个【2 1 。水体富营养化不但严重制约了水资源的开发利用，而且直接影响着 人类的健康生存和社会经济的持续发展。其危害具体表现为：引起藻类过度繁殖， 破坏水体生态平衡，加速湖库老化【2 西】：释放毒害物质，降低水体饮用功能，危害人 类健康 5 - 1 0 】；降低水体透明度和溶解氧，破坏水产资源，影响社会经济效益 9 - ”】。 随着人们对水体富营养化危害认识的不断深入，富营养化的研究引起世界各国 普遍重视。许多研究已表明，水体中磷、氮、碳和微量元素等营养物质的富集是引 起藻类等浮游生物过度繁殖，导致湖泊富营养化的根本原因【0 1 。其中，氮磷等物 质的过剩是引发水体富营养化的最直接、最重要的原因【1 1 1 3 1 。如果水体中磷未达到 一定含量，仅有氮、碳等元素不会引起富营养- f z 1 6 】。可见，磷是导致水体富营养化 的限制因子 1 融”】。水体中磷的来源既有外源，也有内涮1 8 郴】。外源又包括点源和非 点源，点源主要是工业废水、生活污水等，非点源主要是地面径流、农田径流、降 雨、大气沉降等；内源主要是湖库底泥污染物的释放。目前国内外研究均表明，非 点源污染和内源污染是水体中磷的主要来源【1 9 2 3 1 。 福建省地处东南沿海，水资源较丰富，但由于时空分布不均衡，大型蓄水工程 少，水资源合理配置和高效利用难度很大。目前省内有大中小型水库3 4 座之多，其 中大型水库主要有山仔水库、东张水库、乌潭水库、古田水库、峰头水库、东溪水 库等。山仔水库位于鳌江干流中部，是福建省重要淡水资源之一，1 9 9 2 年建库，1 9 9 6 年被福建省政府确定为福州市第二饮用水水源地，因此其水质的好坏直接关系着福 州市人民的健康。福建省“十一五”水资源开发利用与保护专项规划明确要求将强 化主要河流水资源监管保护作为海峡西岸经济区水资源保障体系的主要任务，强调 要积极防治山仔水库、塘坂水库富营养化。 自2 0 0 1 年起当地政府已经对山仔水库采取环库截污截流措施，取缔了石材加 工、网箱养鱼和禽畜养殖等重污染产业，目前水库的点源污染已经得到有效控制。 然而，近年来山仔水库水质监测结果表明，水体富营养趋势仍日益明显【2 抛9 1 。因此， 福建师范大学硕士学位论文 可以推测内源污染( 即底泥中营养盐的释放) 和库区农业非点源污染( 主要为降雨径流 污染) 是山仔水库水体富营养化的主要原因。 近年来，福建省内一些科研院所及专家学者陆续开展了山仔水库水质监测和污 染源调查，进行了水库底泥内源污染物n 、p 释放规律的深入研究，但针对库区农业 非点源污染机理和预测模型的研究仍处于探索阶段，特别是相关定量研究更是鲜有 报道。 本课题的研究将针对山仔水库土地利用类型等生态环境特征，根据农业非点源 污染途径和方式，遴选典型的实验样地，采用调查分析与实测研究相结合、野外监 测与室内实验相结合、实测分析与模型模拟相结合的技术路线，从农业非点源污染 的磷流失规律和模型估算磷污染负荷两个方面进行较系统的研究，掌握该区域内各 种主要土地利用类型的降雨径流磷流失特征，应用农业非点源模型估算磷污染负荷， 为进一步开展山仔水库农业非点源污染控制研究探索经验和方法，同时也为其他流 域研究提供借鉴。 1 2 降雨径流磷污染机理的研究进展 1 2 1 降雨径流磷污染机理的研究内容和方法 目前，降雨径流过程磷污染机理的研究主要包括降雨径流过程产汇流规律和特 征研究【3 3 1 、降雨径流过程磷流失特征研慰3 2 3 5 1 以及降雨径流量和磷输出负荷关系 研究【3 1 等。评价降雨径流过程磷污染对受纳水体富营养化的影响程度，通常是以 降雨径流水样中的溶解态反应磷( d i 冲) 和生物可利用磷( b a p ) 含量为依据【3 5 1 。d r p 是 指能通过0 4 5 u m 滤膜的无机磷酸盐，是生物可直接利用的磷形态；b a p 代表可被 藻类吸收生长所潜在利用的磷，包括d r p 和b p p 两部分【3 引。 在不同的降雨径流过程磷污染研究目标中，其研究方法差异较大。根据实验条 件、研究对象和技术手段的不同，可将降雨径流过程磷污染机理的研究方法大致分 为自然降雨条件下的定位试验研究【3 7 3 8 1 和人工降雨的模拟研究【4 0 1 。 自然降雨条件下进行的定位试验，一般都需经过长期观测和定量分析，建立地 表径流量与含磷量的相关关系。这种方法可以对比研究不同土地利用方式下的养分 流失特征，还可用于分析农事活动和天气条件影响下侵蚀和流失的季节性变化【3 7 瑚】。 如高超【3 8 】在太湖流域利用为期3 年的田间试验研究了不同土地利用方式下的土壤侵 蚀和径流磷流失特征；梁新强【3 9 】采用具有单排单灌的试验小区，对水稻田在多次天 然降雨条件下形成的径流中氮磷的流失特征进行了研究。但这种方法所需时间较长， 2 第1 章绪论 降雨等条件较难控制。 利用野外或室内人工降雨实验进行模拟研究，其优点是实验研究条件易于控制， 而更加利于定量化，便于研究不同土地管理方式和地形条件下的土壤侵蚀和养分输 出【3 7 3 8 ，4 0 1 。如中科院地理研究所的梁涛等选择长江三角洲典型的农业密集型区域 西苕溪流域作为研究对象，通过人工模拟降雨器对流域内的竹林、桑林、菜地、 水田等代表性土地利用类型土壤的氮磷流失进行研究 3 2 , 3 5 。 1 2 2 降雨径流过程产汇流规律和特征的研究 研究降雨过程中坡面的产流特征，主要通过观测不同时段流出坡面的径流量与 产流强度的变化。水的迁移过程制约和决定着土壤中磷的迁移转化，坡面降雨一入 渗径流过程，是土壤磷素溶解、随入渗水和径流水迁移的过程【3 0 , 3 6 。 在降雨初期，土壤入渗能力大于雨强，雨水全部入渗，由于产流初期径流流速 小，坡面侵蚀主要以面蚀为主，坡面径流与土壤的作用时间短暂，径流对坡面的冲 刷作用以及径流的挟沙能力均比较低，因此径流含沙量较低，流失的土壤颗粒主要 以中、小颗粒为主【3 1 1 。径流对坡面土壤颗粒具有选择性侵蚀的作用【3 2 】，根据泥沙运 动学原理，在流速较小的情况下，首先被移动的泥沙颗粒往往是粒径居中的颗粒( 如 砂粒与粉粒) ，因其移动阻力以相对较小的自身重力为主，且其比表面积小、吸附作 用微弱，吸附的有效磷较少，因而泥沙中磷的含量也就较低 3 0 , 3 3 】。 随着降雨量增加，土壤表层含水率逐渐增大，土壤入渗能力逐步下降，入渗率 等于或小于雨强，地表开始积水，并随之产生地表径流【3 0 1 ，初始产流时间随雨强的 增大呈幂函数减小，径流量在降雨强度较小时，缓慢上升，但随着降雨强度的增大 而急剧上升【3 3 1 。随着降雨时间的延长和入渗率的逐渐降低，地表径流量逐渐增大， 坡面开始出现明显的侵蚀细沟，侵蚀量迅速增大，移动阻力以相对较大的分子阻力 为主的黏粒也开始被移动【3 0 , 3 6 】，流失泥沙中黏粒的含量逐渐增大。一般情况下降雨 强度越小、产流时间越短，流失泥沙的颗粒组成就越细，其磷含量就越高，随着径 流流速的增大，流失的土壤颗粒主要以中、小颗粒为主，磷含量相对较古【3 0 】。 1 2 3 降雨径流过程磷流失特征研究 降雨径流过程磷的流失与土地利用方式、降雨强度、降雨量、土壤理化性质、 植被覆盖程度及施用磷肥种类、施肥方式等许多因素均存在一定的关系，任一区域 的流失都是上述因素综合影响作用的结果【3 “2 1 。不同地区之间气候水文条件、土壤 理化性质、土地利用方式、施肥种类方式等差异性对磷流失的影响，已成为该领域 3 福建师范大学硕士学位论文 的研究重点和热点。 1 2 3 1 不同土地利用类型的磷流失特征研究 不同土地利用方式下，土壤水土界面磷的迁移能力有较大的差另l j t 3 4 , 3 2 1 。因此， 降雨径流的磷流失量和磷流失主要形态与土地利用类型存在显著的相关关系。 陈欣【3 4 】等在排溪冲小流域采用定位土芯e u 示踪和无界径流小区法，研究了坡 地不同利用方式对土壤磷素流失的影响。结果表明，磷素的流失量以竹园为最高， 旱地和新建果园其次，然后是幼龄茶园，林地和荒草地磷素的流失较小。 高超【3 8 】等在太湖流域研究了竹园、板栗园、玉米一油菜轮作地和蔬菜地等四种 土地利用类型的降雨径流磷流失特征。研究结果表明，四种土地利用类型的磷流失 量大小关系依次为蔬菜地 玉米油菜轮作地 板栗园 竹园；四种土地利用类型磷 流失的主要形态也存在明显差异，竹园和板栗园的磷主要以溶解态流失，而玉米一 油菜轮作地和蔬菜地的磷主要以颗粒态流失。 崔力拓 4 2 】等选择洋河库区附近具有代表性的四种土地利用类型，通过天然降雨 资料分析和人工降雨径流的模拟研究，表明不同土地利用方式的土地地表径流中磷 的含量有明显的变化，其大小关系依次为小麦一玉米连作地 高产玉米地 低产玉米 地 次生灌木林地；不同土地利用方式的磷流失形态差异明显，坡面地表径流中b a p 含量的大小顺序为：裸地 玉米地 荒草地，在相同的降雨强度下，裸地地表径流中 b a p 和t p 的含量分别是荒草地的3 1 8 倍和3 7 3 倍。因此在相同的施肥条件和土壤 条件下，提高坡耕地的植被覆盖度，可以减少颗粒态磷的流失量。通常表土植被覆 盖度越高，对营养盐的截留作用就越强。 1 2 3 2 不同降雨强度的磷流失特征研究 梁新强【3 9 】等对水稻田在多次天然降雨条件下形成的径流中氮磷的流失特征研 究，发现在降雨量相似的条件下，施肥后降雨时间不同可导致径流中氮磷素浓度差 异。随降雨量的增大，径流中氮磷的流失负荷也增加。崔力拓 4 2 1 等对洋河流域野外 径流小区模拟降雨试验结果也表明：降雨强度的增加，径流中颗粒态磷的含量逐渐 增加。李裕元【4 3 】等通过研究降雨强度对坡地磷流失特征影响试验认为，在相同雨量 下，降雨强度对流失径流泥沙中不同形态磷素平均含量的影响表现不尽相同，随雨 强的增大，径流中d p 的平均含量呈显著的下降趋势，该研究结果与曾远【4 0 1 等人通 过对太湖流域降雨径流中氮、磷浓度的野外实验和定点监测，研究典型平原河网区 的农田降雨径流氮磷流失特征及其输出规律的结论一致。 4 第1 章绪论 1 2 3 3 不同土壤基质的磷流失特征研究 王夏晖】等以华北地区典型农业流域为研究对象，针对流域不同空间分布和干 扰程度下的土壤基质与污染径流中磷素的相互作用过程进行了模拟研究，发现土壤 基质与磷的作用过程呈三种模式：持留型土壤基质对径流中磷酸盐具有较强的吸附 作用，能截留径流中的磷素；释放型土壤基质则向径流中释放大量的磷素；持留一 释放转换型土壤基质呈动态性，径流中磷酸盐含量较低时，解吸过程占优，径流中 磷酸盐含量较高时，以磷持留为主。黄壤旱地磷流失研究表明不同土壤类型磷的流 失量有很大的差别，颗粒态磷流失量大d , l l 哽序为高肥力黄粘泥土和黄砂泥土 高肥力 黄砂土 中肥力黄粘泥土和黄砂泥土 低肥力黄砂土 低肥力黄粘泥土和黄砂泥土； 而磷酸根态磷流失量大小顺序为高肥力黄砂土 高肥力黄粘泥土和黄砂泥土 中肥力 黄粘泥土和黄砂泥土 低肥力黄砂土 低肥力黄粘泥土和黄砂泥土【4 5 1 。 1 2 3 4 不同耕作方式的磷流失特征研究 磷的流失与土壤耕作方式也有一定的关系。刘方【4 6 】等对贵州中部黄壤丘陵地区 的研究表明，在土壤条件和降雨量一致时，旱坡地梯化后径流中颗粒态磷含量和b a p 含量都减少。李裕元【4 3 】等通过模拟降雨试验表明，翻耕与压实状况对坡地土壤中不 同形态p 的流失具有显著影响。翻耕条件下，径流中d p ( 溶解态磷) 、e p ( 可提取态 磷) 以及s t p ( 泥沙结合态磷) 的含量与流失量均显著增加。翻耕条件下的d p b a p 比 压实条件下的d p b a p 比率降低2 0 ，b a p t p 比率则增加了1 4 5 。因此在黄土高 原地区对耕地实行免耕或者夏季留茬休闲，可以降低土壤与养分的流失量。 。 1 2 4 降雨径流量和磷输出负荷关系研究 y ew 【47 】等研究表明，降雨径流量与磷输出负荷之间存在着非线性关系。目前国 内许多地区的研究也表明，磷输出负荷与径流量之间存在明显的相关关系，但不同 地区、不同土地利用类型的这种相关关系相差很大【4 9 1 。 张荣保【4 8 】等以太湖地区宜兴梅林小流域为研究对象，采用统计和系统分析方法， 对径流量和磷污染负荷输出量之间的关系进行曲线拟合和回归分析。研究表明，径 流量和磷污染负荷输出量之间存在典型的幂函数相关关系，且相关系数r 2 达到o 9 8 以上。 许其功【4 9 】等以三峡库区秭归县张家冲小流域为研究对象，同步监测降雨过程径 流量和污染物浓度，对径流量和磷污染负荷输出量之间的关系进行曲线拟合和回归 分析。研究表明，径流量和磷污染负荷输出量之间存在典型的多项式相关关系，且 5 福建师范大学硕士学位论文 相关系数达到o 9 7 以上。 1 3 降雨径流磷污染模型的研究进展 降雨径流磷污染涉及空气、水、土壤等多介质、多相物质的转化和运移机理， 而且与自然环境因素、农业管理措施和工程技术措施等均有很大的关系，是一个多 层次、多目标、实时性与时间性日趋灵敏的多因素相互影响的复杂系统【5 峭1 1 。常规 的监测手段定量估算某一时段内非点源污染负荷量，将很难适用于大面积的流域。 因此，应用模型预测降雨径流磷流失对于预防和治理水体富营养化具有重要意义。 国外的降雨径流过程磷污染模型研究起步较早，从2 0 世纪6 0 年代末的模型探索 开始，至今已大致经历了4 个发展阶斟5 2 5 3 1 ，提出了u s l e 、c r e a m s 、a g n p s 、s w a t 、 w e e p 等模型。这些模型在农业非点源污染模拟研究方面均得到了广泛地应用【5 5 1 。 我国的降雨径流过程磷污染模型研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代开始了农业非点 源污染的宏观特征与污染负荷定量计算模型的初步研究【5 6 1 ，目前我国己将非点源模 型与t t 3 s 技术集成在许多流域开展了模型应用研究5 7 5 9 1 。 以下简述u s l e 、c r e a m s 、a g n p s 、s w a t 、w e e p 等较有代表性的模型在国 内外的应用研究进展： 1 3 1u s l e ( u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) 模型 u s l e 是一种简单的经验模型，在2 0 世纪6 0 年代由美国农业部研究开发，2 0 世纪8 0 年代中期u s d a a s a 联合对u s l e 进行了改进，并于1 9 9 2 年1 2 月正式发 行r u s l e ，之后模型仍历经数次改进和完掣5 0 一5 3 1 。 孙保平【删等根据u s l e 原理，提出了一种计算小流域土壤流失量的新方法，并 用来计算宁夏西吉县黄家二岔小流域的土壤流失量，研究表明，计算结果与实测结 果接近；陈振金【6 l 】等介绍了u s l e 方程式中，福建省降雨侵蚀力因子r 值、土壤可 蚀性因子k 值和地形因子l s 值的具体计算法，并讨论该方程在福建生态型建设项 目环评中应用注意事项；黄金良【6 2 】等运用g i s 建立九龙江流域基础地理数据库，利 用a r c n f o 的栅格数据空间分析功能，根据u s l e 土壤侵蚀预测模型对数据库进 行图形运算，预测了九龙江流域的土壤侵蚀量。 1 3 2c r e a m s ( c h e m i c a l s r u n o f fa n de r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r e m a n a g e m e n ts y s t e m ) 模型 该模型属于集总参数物理模型，在1 9 8 0 年由u s d a a r s 推出，主要用于估算 农田对地表径流和耕作层以下土壤水的污染。张建【6 3 】介绍了这一模型在计算黄土坡 6 第1 章绪论 面径流量及侵蚀量中的应用，并分析了存在的问题：符素华畔】等采用c r e a m s 模 型计算北京地区次降雨侵蚀力，研究表明，该模型的模拟结果与实际情况基本相符； 胡续礼【6 5 】等分别采用e 1 3 0 法、c r e a m s 模型和r i c h a r d s o n 模型计算了伏牛山区降 雨侵蚀力，验证结果以c r e a m s 模型较好。 1 3 3w e p p ( w a t e re r o s i o np r e d i c t i o np r o je c t ) 模型 w e p p 是一种基于区域( 或流域) 尺度的机理模型，从1 9 8 5 年开始研究，1 9 8 9 年基 本完成，后经过多次改进和完善，1 9 9 5 年由u s d a 正式公布推出，是用于替代u s l e 的新一代土壤侵蚀预测模型6 ”0 1 。 w e p p 可模拟项目多，适用范围广，易于操作，目前已得到了较为广泛的应用。 m r s a v a b i d c f l a n a g a n 6 6 】等将g i s 与w e p p 结合，采用g r a s s 为w e p p 提供所必需的 参数，将模型应用于小流域暴雨径流的预测，研究表明，预测结果与实测值基本相 符：j m l a f l e n d 7 】等以土壤侵蚀预测技术为基础开发的预测水蚀软件w e p p ，该软件 不仅用于水蚀预测，还可广泛的应用于陆地、农田、森林、草原、建筑场所和城市 等的侵蚀量和沉积量预测；陈晓燕【6 8 】等用w e p p 模型进行单次降雨侵蚀过程的预测， 研究表明，w e p p 模型对紫色土侵蚀过程预测合理；严冬春【6 9 】等利用w e p p 模型对川 中丘陵区盐亭站5 个径流小区土壤侵蚀量的预测和土壤侵蚀空间分布的模拟发现， w e p p 模型对长时间尺度的土壤侵蚀预测更准确。 1 3 4a g n p s ( a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c em o d e l ) 模型 a g n p s 是由美国农业研究局和明尼苏达污染控制局于2 0 世纪8 0 年代共同研制 开发的一种基于场次的分散流域模型【7 0 】，主要用于估算流域的侵蚀速率、土壤流失 量，以及从流域流失的营养量【7 1 1 。陈国湖【7 2 】提出了用遥感技术矛 1 g i s 为a g n p s 提供 输入基本参数的方法；p e r r o n e 7 3 1 研究了a g n p s 模拟沉积物量；曹文志【7 4 】等利用g i s 、 d e m 等技术手段获取a q 岬s 模型所需的参数，验证了a g n p s 模型在我国东南亚热 带地区应用的可行性：曾远【7 5 】等利用a g n p s 模型对平原河网区地表径流量和氮、磷 流失负荷进行了定量计算，结果表明，预测结果与实际观测结果基本相符，相关程 度较高，因而该模型在太湖典型平原河网区非点源污染研究方面具有一定的应用价 值。 1 3 5s w a t ( s o i lw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 模型 s w a t 是一个分散连续性水文模型，主要用于预测大型流域管理措施对水质、 泥沙和化学物质的作用。b h a r a t i 7 6 1 等利用s w ：f f 对草地地表径流进行了定量化的模 7 福建师范大学硕士学位论文 拟研究；i o a n n i sp a n a g o p o u l o s 7 7 】等研究表明s w a t 模型可以成功的应用于以管理为 目的的流域识别和优化；朱新军 7 8 】等应用s w a t 模型构建漳卫河流域分布式水文模 型，对模型的几个重要参数进行敏感性分析，结果表明，模拟相对误差在1 0 以内， 能够为水资源管理提供重要参考；陈兴伟【7 9 】等应用s w a t 模型对闽东南沿海西溪流 域进行验证模拟，研究表明，该模型适用于晋江西溪流域的径流模拟，且精度较高。 1 4 降雨径流磷污染研究的主要问题和展望 1 4 1 目前研究中存在的问题 污染物的迁移和转化的主要载体是雨水及其所形成的径流，其水动力因素主要 是降雨动能的冲刷作用和地表径流的冲刷作用，因此目前采用的基本研究方法是在 实地监测降雨径流水质、水量或模拟试验的基础上，应用流域水文模型或与水文模 型密切相关的模型来模拟和估算非点源污染负荷【8 0 】：由于非点源污染具有突发性、 随机性、不确定性等特点，野外实地考察和监测存在所得数据可靠性较差，收集工 作劳动强度大、效率低、周期长、费用高等缺点，结果导致估算污染负荷的精度下 降，达不到预期目的 5 6 , 8 1 l ；当前运用的非点源模型研究中，多数模型没有考虑壤中 流、降水等对地表水质的影响，此外关于非点源污染对地下水的污染方面的研究也 很少，污染物的迁移转化研究一般仅为c o d 、t n 、t p 等，而关于沉降对水体传输 作用、毒性污染物在空中、地表的迁移转化、以及污染物自身的降解作用等研究较 少，现有的考虑污染物迁移转化的机理类模型，从应用角度来看，参数多、率定难， 而且实际应用效果也不理想 5 6 , 8 2 】。 1 4 2 未来研究的方向 在降雨径流磷污染机理方面，未来的研究可以加强以下工作：将降雨径流过程 污染负荷和降雨渗流过程污染负荷联系起来，综合探讨农业非点源污染机理；综合 采用多种方法研究某一区域农业非点源污染，例如采用调查分析与实测研究相结合、 野外监测与室内模拟相结合、实测分析与模型：馍拟相结合等方法。 在降雨径流磷污染模型方面：由于我国目前还停留在非点源污染模型应用研究 阶段，多采用国外的成熟模型或结合实际的研究情况加以修正，所建立的模型多以 负荷估算为主，而对于规划和管理模型则研究甚少，因此应将其作为未来主要的研 究方向【8 3 】。今后应致力于建立以污染物产生和迁移转化机理为基础的、适用于较大 流域和便于推广应用的非点源污染负荷模型，建立无资料地区非点源污染负荷的估 算方法的模型研究，加强农业区、山地的土壤流失和污染物质的迁移的研究【8 4 1 。利 8 第1 章绪论 用r s 和g i s 解决参数的选择问题，建立非点源污染空间数据库；研究不同气候水 文条件下的非点源污染模型；开展分布式模型的研究；由单纯模拟流域水文循环、 非点源污染过程、负荷量转向大气、水文、水质综合系统的模拟。集成开发由专家 系统控制、“3 s ”技术支撑的非点源污染模拟系统 8 2 , 8 铷6 1 。 1 5 本课题的研究内容、技术路线和主要创新点 1 5 1 课题的研究内容 本课题的研究将针对山仔水库农业非点源污染现状，遴选典型的实验样地，采 用调查分析与实测研究相结合、野外监测与室内模拟相结合、实测分析与模型模拟 相结合的技术路线，从降雨径流过程的磷流失机理和模型定量两个方面进行较系统 的研究，掌握该区域内各种主要植被的样地降雨径流磷素流失特征，并应用模型估 算磷污染负荷量。因此，本课题主要研究内容包括： ( 1 ) 通过实地调查，收集研究区基础资料，建立研究区信息库。研究区基础资 料包括研究区的地质地貌、气候特征、土壤剖面数据( 包括土壤层次、p h 值、有机 质含量、全氮、全磷、有效磷、质地等) 、植被种类和覆盖率、水质监测资料、研究 区的化肥、农药施用量和牲畜粪便量。 ( 2 ) 根据研究区山仔水库周边土地利用现：怏和土