巢湖北岸中东部水土迁移过程及规律研究

摘要

巢湖位于安徽省中部，是中国五大淡水湖泊之一。20世纪80年代水体开始呈现富营养化状态，以后富营养化逐步加剧，现已演变成为全国富营养化最为严重的淡水湖泊之一。这严重影响了沿湖地区工农业生产发展和人民生活用水安全。虽然巢湖已经被列为国家重点治理湖泊之一，但到目前为止，巢湖水体富营养化状况依旧严重。造成这种现象的原因，是由于没有从根本上实行内源修复和外源防控的治理措施。而水土迁移作为非点源污染的主要途径和重要形式，可携带大量泥沙、氮、磷等物质进入巢湖水体，造成水体富营养化。 本文通过对巢湖北岸典型地区水土迁移过程研究，揭示水土迁移和养分迁移的特征和规律，提出控制巢湖流域水土迁移的针对性措施，期望在治理巢湖水体富营养化过程中，能为外源防控决策提供理论依据和实际参考。 本研究共分5个部分。 第一部分，回顾分析水土迁移国内外研究进展和巢湖流域环境问题及研究状况。 第二部分，通过野外调查和实验，对坡面土壤养分的时空变化和输出特征进行研究。 第三部分，采用室内模拟实验，开展坡面径流、泥沙的产生过程和迁移规律研究，并对径流和泥沙中养分迁移过程和特征进行分析。 第四部分，运用水土迁移模型和养分迁移模型，结合实测数据，进行水土迁移量和养分迁移量的估算和预测。 第五部分，结合巢湖流域实际情况，对水土迁移的防控和治理技术进行了探讨。 本研究取得如下成果： (1)野外调查和野外实验表明，由于水土迁移和养分迁移的影响，野外坡面土壤中氮磷元素含量总体上有随时间延长而降低，随空间高度增加而降低的趋势。在次降雨过程中，表层土壤中细小颗粒(粘粒和粉粒)与氮磷元素会移失，从而导致表层土壤中的养分含量都有不同程度的下降。其中，水解氮与速效磷的降低幅度较大(西瓜地、空闲地、油菜地水解氮和速效磷降雨前后降低幅度都在8.0％以上)，而全氮和全磷养分含量降幅很小(西瓜地、空闲地、油菜地全氮降幅分别为2.17％、1.86％和1.54％，全磷降幅分别为0.27％、0.22％和0.20％)。在不同利用方式下，降雨后田间表土细小颗粒(粘粒与粉粒)相对减少，粗大颗粒(砂粒)相对增多的幅度是不同的，表现出西瓜地最大，油菜地最小的特征。实验进一步证实，流失泥沙具有富集粘粒和养分的特征。表现在，油菜地、西瓜地和空闲地粘粒的富集率都达到1.20以上，全氮与速效磷的富集率都在1.28-1.39之间，全磷和水解氮富集率基本处在1.13-1.30之间。马鞍山坡面氮元素的富集率是1.26，磷素的富集率为1.15。通过对马鞍山坡面土壤和氮磷元素迁移量的监测和估算显示，土壤的平均迁移量为5412t/k㎡·a.土壤中氮元素和磷元素的平均迁移量分别为9.12t/k㎡·a和2.30t/k㎡·a。 (2)首次利用巢湖北岸的主要土壤类型(黄棕壤、黄褐土、粗骨土)就坡面产流产泥沙过程和养分迁移过程进行了模拟实验。实验显示，坡面产流过程受降雨强度、坡面坡度、土壤类型、土壤前期含水量等因素的影响，坡面产流历时与降雨强度、坡面坡度、土壤前期含水量之间呈反相关，坡面产流量与降雨强度之间正相关，较大的稳定径流量出现时间与土壤前期含水量之间呈反相关；不同土壤类型，由于土壤质地和孔隙度等差异，坡面产流过程也不同。径流含沙量曲线变化特征是，在产流开始后逐渐上升，达到一个峰值后逐渐下降。其中，径流含沙量曲线的峰值出现时间与降雨强度、坡面坡度呈反相关；流失泥沙累积量与降雨强度、坡面坡度、径流累积总量之间呈正相关。坡面养分流失主要通过径流和泥沙两种形式来实现。其中。泥沙携带是养分迁移的主要形式。养分迁移总量与径流累积量、泥沙累积量之间都呈正相关。通过对黄褐土等的模拟实验还显示，流失泥沙中养分含量普遍高于原土壤对应的养分含量。印流失泥沙具有富集养分的特性。从三种土壤富集来看，粗骨土的富集率最高，黄褐土的富集率最低。从养分形态来看，三种土壤富集率大小规律总体是，速效磷＞水解氮＞全氮＞全磷。 (3)用SCS径流曲线参数法对龟山地区水土迁移中的径流进行了研究和预测。预测结果是，研究区的年径流量为470.0mm。 (4)采用侵蚀针法和USLE模型对龟山地区进行了土壤侵蚀量的估算或预测，结果分别是4107.57t/k㎡.a和3847.6t/k㎡.a，显示了两种预测结果基本一致性，但也显示了USLE模型法较侵蚀针法预测结果要稍微偏大的特点。 (5)利用公式E＝(Er1*S+Er2*Q)*C，对研究区养分迁移量进行了计算。结果显示，利用SCS曲线法结合USLE模型预测研究区内氮素迁移量为8.027t/k㎡.a，磷素迁移量为2.903t/k㎡.a。其中氮和磷元素通过泥沙携带造成的损失占养分迁移总量的90.92％和90.36％，进一步证实泥沙携带是养分迁移的主要形式。 (6)根据水土迁移和养分流失的研究，提出了针对巢湖周边的农耕技术、生物技术和工程措施相结合的水土迁移防控和治理措施。在低山丘陵区，应该采用植树种草为主的生物措施，重点进行土壤侵蚀的控制；在丘岗地区，通过农林复合生产、等高种植、等高梯田等措施，以达到截流保土的目的；而在冲积平原区，提倡保护性耕作和多层次缓冲带建设，达到重点控制污染物或养分流失的目的。 最终从根本上控制外源污染物对巢湖的输入，实现逐步改善巢湖水质的目标。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表清单

声明

致谢

第一章前言

1.1巢湖流域概况

1.1.1自然环境特征

1.1.2社会经济状况

1.2主要环境问题及研究进展

1.3研究区的确定

1.4课题来源和研究目的

1.5研究方法与技术路线

1.6取得的主要成果

第二章水土迁移的研究进展

2.1水土迁移的概念

2.1.1土壤侵蚀

2.1.2水土流失

2.1.3水土迁移

2.2坡面径流

2.2.1坡面径流的形成

2.2.2坡面径流的水动力学特征

2.2.3细沟流水动力特征

2.3坡面土壤侵蚀

2.3.1土壤侵蚀方式

2.3.2坡面土壤侵蚀模型

2.4养分迁移

2.4.1养分迁移过程

2.4.2养分迁移模型

2.5本章小结

第三章土壤侵蚀及土壤中氮磷时空变化特征

3.1引言

3.2研究方法

3.2.1实验材料与样品采集

3.2.2测定项目与分析方法

3.3土壤中氮磷元素的时空变化

3.3.1土壤中P元素含量的变化

3.3.2土壤中N元素含量的变化

3.4降雨前后土壤颗粒组成的变化特征

3.5降雨前后土壤中氮磷元素含量的变化特征

3.6土壤粘粒与氮磷元素富集特征

3.7土壤及N、P元素的迁移和估算

3.8本章小结

第四章土壤和流失泥沙的颗粒组成及养分特征

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1田间实验方法

4.2.2测试项目和分析方法

4.3降雨前后土壤与流失泥沙的颗粒组成变化

4.3.1降雨前后表层土壤颗粒组成变化

4.3.2流失泥沙的颗粒组成变化

4.4降雨期间养分迁移特征

4.4.1降雨前后田间土壤养分含量变化特征

4.4.2径流中养分含量变化特征

4.4.3流失泥沙中养分含量变化特征

4.5迁移养分的相关性分析

4.5.1不同养分之间的关系

4.5.2养分迁移与颗粒组成的关系

4.5.3流失泥沙粘粒富集及养分富集特征

4.6本章小结

第五章坡面产流产泥沙与养分迁移过程分析

5.1引言

5.2研究方法

5.2.1实验设计

5.2.2测定和分析方法

5.3坡面产流过程

5.3.1坡面降雨入渗分析

5.3.2坡面产流理论分析

5.3.3土壤前期含水量对产流的影响

5.3.4降雨强度对产流的影响

5.3.5坡面坡度对产流的影响

5.3.6土壤类型对产流的影响

5.3.7坡面径流模型

5.4坡面产泥沙过程

5.4.1坡面产泥沙的动力学分析

5.4.2降雨强度对产泥沙的影响

5.4.3坡面坡度对产泥沙的影响

5.4.4坡面径流与产泥沙的关系

5.4.5坡面产泥沙模型

5.5坡面养分迁移过程

5.5.1养分迁移机理分析

5.5.2径流中养分迁移特征

5.5.3泥沙中养分迁移特征

5.5.4养分迁移量与径流量和泥沙迁移量的关系

5.5.5径流中养分与泥沙中养分含量的关系

5.5.6养分迁移过程中的富集特征

5.6本章小结

第六章水土迁移量和养分迁移量预测

6.1引言

6.2材料与方法

6.2.1研究区概况

6.2.2研究方法

6.3年径流量的计算

6.3.1 SCS模型的基本原理

6.3.2相关参数的确定

6.3.3计算结果

6.4土壤侵蚀量估算

6.4.1 USLE模型估算

6.4.2侵蚀针法估算

6.4.3 USLE模型与侵蚀针法预测比较

6.5养分流失量预测

6.5.1养分流失模型预测原理

6.5.2养分流失模型中参数的确定

6.5.3养分流失量的预测结果

6.5.4养分流失对巢湖富营养化的影响

6.6本章小结

第七章水土迁移的防控和治理

7.1引言

7.2水土迁移的防控与治理

7.2.1低山丘陵区

7.2.2丘岗地区

7.2.3冲积平原区

7.3本章小结

第八章结论与讨论

8.1主要结论

8.2讨论

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究经历及发表论文