典型丘陵区农业小流域氮素迁移特征及其水文驱动机制初步研究

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我国丘陵区农业小流域分布广泛,由于丘陵区坡度大、降雨时间集中等因素,造成该区是水土流失和面源污染的频发地段。本文以面源污染中氮素为着手点展开研究,旨在为小流域氮素面源污染防控措施提供数据支撑。本研究选取了3个不同尺度典型丘陵农业小流域为研究对象,在2018—2019年雨季对该3个试验小流域降雨、径流和产沙过程及其氮素迁移浓度和通量进行观测,并对其中截流小流域开展了1年的连续监测,对流域内土地利用方式与管理强度等人类活动进行问卷调查与分析,通过分析不同流域径流和泥沙产生过程对降雨时间响应特征,并结合不同形态氮及其浓度在小流域水体中的变化过程与迁移通量进行综合分析,查明了典型丘陵农业小流域降雨—径流-泥沙过程特征,初步阐明丘陵农业小流域氮素迁移的水文驱动机制。得出主要结论如下:(1)分析雨季降雨特征对产流产沙的影响时发现,雨季以侵蚀性降雨为主,是面源污染频发时期。通过降雨—径流过程分析得出,各堰口洪峰流量出现明显“滞后效应”,滞后时长随面积增大而增加;泥沙含量与降雨量响应显著,且平均泥沙浓度与流域面积呈正相关,输沙率与雨强呈正相关。(2)对各流域出口氮素迁移过程分析得出,截流小流域的TN(总氮)和AN(铵态氮)迁移主要集中于初期径流,呈现出“初始冲刷效应”,而万安小流域出现了“末期累积效应”,各出口氮素迁移均以DN(溶解态总氮)为主,在选取的3场降雨中发现,DN占TN的58.22%~79.28%;NO2--N(亚硝态氮)处于低负荷下排放且流失比例增减与NN(硝态氮)相反,而底泥中DON(可溶性有机氮)释放,造成其在水体中含量较高;氮素流失过程对流域面积从34.64→522→1236hm2的有明显递增现象,说明氮素输出随面积增大而增加。(3)分析产沙与氮素输出量关系时得出,泥沙浓度和TN、PN(颗粒态总氮)、AN浓度呈正相关;氮素和泥沙浓度的空间分布沿水流方向出现一定的浓度梯度,在下游水体泥沙和径流中各形态氮含量比上游高。(4)分析截流小流域全年的氮素浓度和通量特征得出,氮素变化存在季节性规律,流域出口处TN、DN、PN和NN浓度在冬季为全年最高,浓度分别达2.86±1.54、2.11±0.79、075±1.14、1.32±0.56mg/L,AN在秋季浓度全年最高分别为0.32±0.36 mg/L,夏季浓度最低为0.18±0.25 mg/L,NO2--N和DON浓度夏季时达峰值为0.1±0.13、0.8±0.67mg/L。(5)对氮素流失负荷因子分析,表明径流是氮素迁移的重要驱动力,雨季降雨—径流和泥沙是氮素迁移的主要驱动力,在非雨季引入的灌溉用水和降雨—径流是氮素流失的主要驱动力,除此之外基流也是氮素迁移的重要驱动力。
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