北京山区森林植被对非点源污染的生态调控机理研究

论文摘要

本文在密云水库上游流域选取北京山区的2个典型林分（油松人工林和栎柏人工混交林）作为研究对象,设置固定和临时标准地进行了长期的对大气降水和凋落物等生态因子的连续观测,同时在野外建立径流小区和在室内利用土槽,通过便携式和针头式人工降雨器模拟人工降雨试验的方法,分析了典型森林生态系统的水文生态特征、非点源污染物氮、磷、钾在典型森林生态系统的生物地球化学循环规律和非点源污染物在坡面尺度的迁移规律以及森林植被对非点源物迁移的影响,揭示了森林植被生态调控非点源污染的机理,在此基础上使用非点源污染模拟模型SWAT,对流域尺度上的非点源污染进行了模拟。得出如下结论:单次降水过程的观测表明,油松人工林和栎柏混交林林冠截留量、穿透降水量和树干茎流量占林外降水的比例分别为7.23～87.39%、12.56～91.58%、0.007～1.77%和0.53%～33.67%、64.57%～93.71%、1.76%～5.76%;平均截留率分别为31.67%和18.94%。油松人工林和栎柏混交林枯落物最大持水量分别为2.45mm和1.27mm。油松林地0～30cm土层的最大贮水能力和有效贮水能力分别为204.90mm和68.23mm,栎柏林地的为160.80mm和41.87mm,灌木林地的为161.10mm和39.90mm,荒草地的为123.45mm和12.36mm。研究结果表明,森林生态系统的林冠层、林地枯落物层和林地土壤层改变和调节水文的作用显著,能够有效减少非点源污染发生的原动力。大气降水经过油松人工林后,其穿透降水与树干茎流中N、P、K含量均有不同程度的增加,通过降水淋溶输入的归还量为31.56kg·hm-2。33年生油松人工林年凋落物量为2193.75kg·hm-2,凋落物中N、P、K的年归还量为18.00kg·hm-2;油松人工林凋落物现存量为13.70t·hm-2,油松人工林凋落物层N、P、K总贮量为162.44kg·hm-2。油松林乔木层的现存生物总量为82152.01kg·hm-2,乔木层现存生物量N、P、K积累总量为612.37kg·hm-2。油松人工林生态系统从土壤中吸收N、P、K的总量为126.58kg·hm-2·a-1,其中77.01kg·hm-2·a-1存留于油松人工林中,49.56kg·hm-2·a-1通过淋溶和凋落物归还土壤。大气降水经过栎柏混交林冠层和树干后N、P、K含量在穿透降水中均呈增加趋势,树干茎流中的N、K含量也大幅度增加,但P含量却略微减少,通过降水淋溶输入的归还量为16.48kg·hm-2。12年生栎柏混交林的年凋落物量为1455.71kg·hm-2,混交林凋落物中N、P、K的年归还总量为14.06kg·hm-2;凋落物层现存量约为5.66t·hm-2,凋落物层N、P、K总贮量为50.72kg·hm-2。栎柏混交林乔木层生物现存量为31624.13kg·hm-2,现存生物量的N、P、K积累量为273.25kg·hm-2。栎柏混交林生态系统从土壤中吸收N、P、K总量为54.96kg·hm-2·a-1,其中24.42kg·hm-2·a-1（44.43%）存留于混交林中,30.54kg·hm-2·a-1（55.57%）通过凋落物和淋溶归还土壤。研究结果表明森林生态系统有较强的吸收和转化非点源污染物的能力。室内人工降雨试验结果表明,降雨强度、坡度和前期土壤含水量对坡地溶质迁移影响显著。径流中N、P、K含量和流失量一般随着雨强、坡度和前期含水量的增加而增高。野外人工降雨试验结果表明,枯落物覆盖度越大,消减径流和泥沙的作用越明显;枯落物覆盖对非点源污染物氮、磷、钾的流失有双重效应,一方面增加了降雨径流与表层土壤的相互作用,加剧了磷和钾向地表径流中的释放,使得径流中磷和钾含量增大以及泥沙中氮、磷、钾含量的增加;另一方面,由于枯落物覆盖降低了雨滴的溅蚀能力,拦蓄和减缓了径流、泥沙的产生,从而减少了非点源污染物的流失总量。SWAT模型模拟结果表明,森林植被的增加能够有效减少非点源污染物的流失;不同土地利用类型对土壤侵蚀和非点源污染的产生具有很大的影响,其中以植被覆盖较少的其他土地利用类型土壤侵蚀和非点源污染物负荷模数较大,而林地减少土壤侵蚀和非点源污染负荷的作用显著;随着降水量的递增,泥沙量、有机氮负荷量、有机磷负荷量和硝态氮负荷量呈现出幂函数递增趋势,而泥沙吸附态磷负荷量呈指数函数递增趋势。本文针对北京山区非点源污染的现状和特点,结合国内外的研究成果,提出了植物篱和河岸带森林植被缓冲系统两种有效的控制非点源污染的对策。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 国内外研究综述与发展趋势
• 1.1 国内外非点源污染研究综述
• 1.1.1 非点源污染概念
• 1.1.2 非点源污染物迁移机理
• 1.1.3 国内外非点源污染的研究进展
• 1.2 国内外森林植被调控非点源污染研究综述
• 1.2.1 森林植被调控非点源污染的机理
• 1.2.2 国外森林植被调控非点源污染研究进展
• 1.2.3 国内森林植被调控非点源污染研究进展
• 1.3 研究存在的问题与前景展望
• 2 研究区和试验区概况
• 2.1 密云水库流域自然和社会经济概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 地形地貌
• 2.1.3 地质和土壤
• 2.1.4 气象条件
• 2.1.5 水文条件
• 2.1.6 植被类型
• 2.1.7 立地条件
• 2.1.8 非点源污染现状
• 2.1.9 社会经济状况
• 2.2 怀柔水库流域自然和社会经济概况
• 2.2.1 地理位置
• 2.2.2 地形地貌
• 2.2.3 地质和土壤
• 2.2.4 气象条件
• 2.2.5 水文条件
• 2.2.6 社会经济状况
• 2.3 试验区基本概况
• 2.3.1 地理位置
• 2.3.2 地形地貌
• 2.3.3 地质土壤
• 2.3.4 气候
• 2.3.5 植被
• 3 研究内容与方法
• 3.1 研究目标
• 3.2 研究内容
• 3.3 重点解决的问题
• 3.4 技术路线
• 3.5 创新性
• 3.6 研究方法
• 3.6.1 试验区林分调查
• 3.6.2 典型森林生态系统水文观测试验
• 3.6.3 森林生态系统生物地球化学循环观测试验
• 3.6.4 非点源污染物迁移规律观测试验
• 3.6.5 森林植被影响非点源污染物迁移过程观测试验
• 4 典型森林生态系统水文生态特征
• 4.1 林冠层水文生态特征
• 4.1.1 油松人工林对降水再分配特征
• 4.1.2 栎柏混交林对降水再分配特征
• 4.1.3 不同人工林林冠截留特征对比
• 4.2 林地枯落物层水文生态特征
• 4.2.1 枯落物层蓄积量和最大持水量
• 4.2.2 枯落物层持水过程分析
• 4.3 林地土壤层水文生态特征
• 4.3.1 土壤水分物理性质
• 4.3.2 土壤的渗透性能
• 4.4 小结
• 5 非点源污染物迁移机理与森林植被影响分析
• 5.1 非点源污染物迁移机理
• 5.1.1 降雨强度对非点源污染物迁移的影响
• 5.1.2 坡度对非点源污染物迁移的影响
• 5.1.3 前期土壤含水量对非点源污染物迁移的影响
• 5.2 森林植被对非点源污染的影响分析
• 5.2.1 森林植被对减少径流产生量和泥沙流失量的作用
• 5.2.2 森林植被对非点源污染负荷的消减作用
• 5.3 森林植被生态调控非点源污染的技术对策
• 5.3.1 北京山区森林植被生态调控非点源污染的技术措施
• 5.4 小结
• 6 非点源污染物的生物地球化学循环
• 6.1 氮、磷、钾在油松人工林的生物地球化学循环
• 6.1.1 油松人工林降水中氮、磷、钾的输入特征
• 6.1.2 油松人工林凋落物中氮、磷、钾的归还特征
• 6.1.3 油松人工林生物量的测定和计算
• 6.1.4 油松人工林氮、磷、钾的分配特征
• 6.1.5 油松人工林氮、磷、钾的生物地球化学循环特征
• 6.2 氮、磷、钾在栎柏混交林的生物地球化学循环
• 6.2.1 栎柏混交林降水中氮、磷、钾的输入特征
• 6.2.2 栎柏混交林凋落物中氮、磷、钾的归还特征
• 6.2.3 栎柏混交林生物量的测定和计算
• 6.2.4 栎柏混交林氮、磷、钾的分配特征
• 6.2.5 栎柏混交林N、P、K 的生物地球化学循环特征
• 6.3 不同类型人工林的氮、磷、钾生物循环比较
• 6.3.1 不同类型人工林降水中氮、磷、钾的输入特征比较
• 6.3.2 不同类型人工林凋落物中氮、磷、钾的归还特征比较
• 6.3.3 不同类型人工林乔木层氮、磷、钾积累量比较
• 6.3.4 不同类型人工林土壤层中氮、磷、钾贮存量比较
• 6.3.5 不同类型人工林的氮、磷、钾生物地球化学特征比较
• 6.4 小结
• 7 SWAT 模型非点源污染模拟
• 7.1 怀柔水库流域非点源污染数据库
• 7.1.1 空间数据库
• 7.1.2 属性数据库
• 7.2 SWAT 模型率定与验证
• 7.2.1 模型参数率定
• 7.2.2 模拟结果评价与验证
• 7.3 SWAT 模型计算结果与分析
• 7.3.1 土地利用/森林植被变化对非点源污染的响应
• 7.3.2 不同土地利用和土壤类型对非点源污染负荷的影响分析
• 7.3.3 气候变化对非点源污染的影响
• 7.4 小结
• 8 结论与讨论
• 8.1 结论
• 8.2 讨论
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 致谢