红壤坡地菜园地表径流中氮磷流失模拟试验及建模研究

论文摘要

南方红壤丘陵区是我国农业生产发展潜力最大的地区之一,它地处亚热带,光热资源充足,有利于植物生长。但是由于耕地数量少,土地资源的利用强度大,加之生产者对高经济利益的追求,使得大量施用氮磷肥、频繁浇灌等问题普遍存在,尤其是在蔬菜地最为典型,而较多降雨的气候条件,更是导致坡菜地随水土流失输出的氮磷急剧增多,造成了水体的富营养化。蔬菜地是城市周边的重要土地利用方式之一。蔬菜地氮磷肥使用量是水田、旱地的数倍,这不仅使蔬菜体内硝酸盐大量积累,潜在地威胁人畜健康,同时也对环境造成了很大压力。因此本文对以白菜为例的坡菜地进行氮磷流失规律研究,目的是了解城市周边菜地土壤地表径流中氮磷流失状况及影响因素,研究结果对菜地合理施肥和减少菜地氮磷输出具有重要意义。基于水土流失—氮磷流失—水体富营养化的链式机理,本文采用室内人工模拟降雨手段对坡面白菜地的产流产沙过程进行模拟研究,结合四个主要影响因素：降雨强度、坡度、植被覆盖度和土壤前期含水量,讨论了产流及径流携带泥沙的规律；重点分析了径流中氮、磷的流失状况和规律,白菜不同生长期内径流流失过程中径流、泥沙和氮磷之间的相互关系,最后建立了场降雨过程中径流载氮磷模型。获主要结论如下：1、降雨强度是影响径流和入渗的主要因素,植被覆盖度增加可以抑制降雨强度的作用。降雨强度、坡度和植被覆盖度对径流和入渗的影响是互相促进的,其影响效果大于各自的几何加值。径流量和径流产流时刻呈负相关。影响径流产流时刻最大的因素是植被覆盖度,而影响径流延续时间最大的因素是降雨强度。结合白菜的各生长期来看,不论是降雨强度增加还是坡度变陡,都将使得各生长期径流量之间的差异减小2、氮流失类型与产流方式关系密切,当坡地产生“蓄满”径流时,氮流失以可溶性氮流失较多；坡地产生“超渗”径流时,则氮流失中不可溶性氮流失所占比例增加。但是两种情况下,均是以可溶性氮流失为主,其中又以硝氮流失所占比例最大。结合白菜的各生长期来看,氮流失主要发生在莲座期和包心前期。3、坡地越缓,施肥对氮流失的影响越大,径流中可溶性氮占总氮的比例越高。坡度对硝氮流失量的影响大于对流失浓度的影响。氨氮流失量在5个生长期内的顺序为：包心后期>包心中期>包心前期>莲座期>苗期,白菜对氮的吸收并不能明显影响氨氮的流失。径流中氨氮占总氮的百分比随白菜生长而上升,硝氮占总氮的百分比则随着白菜生长而下降。4、植被覆盖度是对磷流失影响最大的因素,其次是坡度,然后是降雨强度。和氮流失一样,不同的产流方式对磷的流失形态也有重要影响,当径流是超渗产流时,容易导致颗粒态磷的流失,通常容易发生在苗期和莲座期；当径流是蓄满产流时,容易导致可溶性磷的流失,通常容易发生在包心期内。5、径流载颗粒态磷的量和产沙量关系密切。坡度变陡对白菜生长周期内可溶性磷流失的影响小于对颗粒态磷流失的影响。各因素影响径流中颗粒态磷占总磷的比例和颗粒态磷流失模数的强弱顺序是降雨强度>坡度>植被覆盖度>土壤前期含水量。6、在考虑了4个影响因素：降雨强度、坡度、植被覆盖度和土壤前期含水量的基础上,建立了模拟白菜坡地径流载氮磷量的模型,经过验证,模型75%的验证值和实测值之间误差在5%之内,线性相关性良好。本文的主要创新点为：1、针对场降雨过程,明确了从产流开始至产流结束阶段内氮、磷流失的动态变化,试验结果表明场降雨过程中径流载氮、磷流失的浓度基本稳定,但是流失量随降雨时间延长而增加。2、在降雨条件下,把径流载氮磷流失过程和白菜生长周期相结合,得出在白菜各生长期内,常规农事习惯下的白菜地氮磷流失特征之间的不同,主要体现在径流中氮磷含量和形态变化上,其中,氮流失主要发生在莲座期和包心前期；颗粒态磷流失主要在苗期和莲座期,可溶态磷主要在包心期。3、在降雨强度、坡度、植被覆盖度和土壤前期含水量等因素的基础上,建立了坡菜地场降雨过程中地表径流载氮磷量的模拟模型,并且经验证,模型75%的验证值和实测值之间误差在5%之内,线性相关性良好。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 面源污染的概念
• 1.2 农田面源污染的现状
• 1.2.1 国外农田面源污染现状
• 1.2.2 国内农田面源污染现状
• 1.3 南方红壤丘陵区菜地氮磷流失现状
• 1.3.1 农田氮流失的研究进展
• 1.3.2 农田磷流失的研究进展
• 1.4 面源污染模型发展现状
• 1.5 研究意义和目的
• 1.6 研究内容与技术路线
• 第二章 试验设计
• 2.1 背景资料
• 2.2 设计
• 2.2.1 试验时间和地点
• 2.2.2 室内径流槽物理模型设计
• 2.2.3 试验用土
• 2.2.4 降雨装置
• 2.2.5 植被和施肥管理
• 2.3 试验实施步骤
• 2.3.1 土壤含水量及植被覆盖度
• 2.3.2 样品收集
• 2.3.3 土壤含水量
• 2.4 样品测定
• 2.5 降雨设计
• 2.6 数据处理
• 第三章 降雨产流过程特征分析
• 3.1 降雨再分配
• 3.1.1 降雨强度与入渗量、径流量的相关性讨论
• 3.1.2 坡度与入渗量、径流量的相关性讨论
• 3.1.3 植被覆盖度与入渗量、径流量的相关性讨论
• 3.2 径流量的变化过程特征分析
• 3.2.1 降雨资料
• 3.2.2 降雨试验结果
• 3.2.3 径流量和产流时刻的相关性
• 3.2.4 径流模数变化特征分析
• 3.2.5 坡度、降雨强度和植被覆盖度对产流时刻及径流延续时间的影响
• 3.3 小结
• 第四章 降雨径流携氮特征分析
• 4.1 模拟降雨试验数据
• 4.2 数据处理
• 4.3 径流过程特征分析
• 4.3.1 不同生长期内降雨的产流时刻分析
• 4.3.2 不同生长期内径流量特征
• 4.4 各形态的氮在不同生长期内的流失特征
• 4.4.1 不同生长期内硝氮的流失特征
• 4.4.2 不同生长期内氨氮的流失特征
• 4.5 不同生长期内,场降雨过程中各种氮形态之间的转化
• 4.5.1 氮素的几个重要化学变化
• 4.5.2 不同形态氮之间的转化
• 4.6 径流中残留态氮对环境的影响
• 4.7 白菜生长周期内氮的流失量
• 4.8 小结
• 第五章 降雨径流携磷特征及影响因素分析
• 5.1 不同生长期内磷流失特征分析
• 5.1.1 模拟降雨资料选择
• 5.1.2 生长期内径流过程特征分析
• 5.1.3 不同生长期内总磷流失特征研究规律
• 5.1.4 不同生长期内可溶性磷流失特征
• 5.1.5 产沙量和颗粒态磷含量的流失特征研究
• 5.2 白菜生长周期内磷的流失量
• 5.3 影响颗粒态磷流失的因素分析
• 5.3.1 降雨资料选择
• 5.3.2 各影响因素对颗粒态磷的重要性比较
• 5.4 小结
• 第六章 氮磷径流流失模型建立及验证
• 6.1 相关定义
• 6.2 降雨资料综合
• 6.3 场降雨过程中的氮、磷流失多元回归模型模拟
• 6.4 总氮、总磷流失量多元回归模型的验证
• 6.5 降雨强度、坡度、植被覆盖度和前期含水量对氮磷比的影响
• 6.6 小结
• 第七章 结论、创新、不足和展望
• 7.1 全文结论
• 7.1.1 场降雨过程中径流发生的动力学特征
• 7.1.2 降雨过程中氮流失特征
• 7.1.3 降雨过程中磷流失特征
• 7.1.4 场降雨过程中径流载氮磷模型
• 7.2 创新
• 7.3 不足
• 7.4 展望
• 参考文献
• 作者简历