丹江中游小流域氮素分布与流失机理

Abstract

丹江水源区的水环境质量对南水北调中线工程的供水安全具有重要意义。本文在 丹江鹦鹉沟小流域进行水质监测和土壤采集分析的基础上，运用地统计学方法、分形 理论、土壤侵蚀预报模型和水文学方法等对小流域土壤氮素空间变异特征和径流-泥 沙-养分流失规律进行研究，以期为水源区保护和清洁小流域建设提供依据。本研究 取得的主要结论如下： （1）流域土壤全氮含量随土壤深度的增加而降低，不同土地利用下 0-40 cm 每 平方米土壤全氮含量表现为林地&gt;农地&gt;草地。不同土层间土壤全氮含量存在极显著 差异（P&lt; 0.01），0-10 cm (A1)、10-20 cm (A2)和 20-40 cm (A3)土壤全氮含量平均值 分别为 0.85、0.47 和 0.30 g/kg；3 个土层下，土壤全氮的最优模型均为线性模型，具 有中等空间相关性；A1 和 A2 层不同土地利用下土壤全氮含量存在显著差异(P&lt;0.05)， 不同土层下土壤全氮在不同坡度均存在显著差异(P&lt;0.05)，农地不同土层下土壤全氮 含量与海拔、坡度和坡向均呈极显著相关性(P&lt;0.01)；在 0-40 cm 土壤深度下，研究 区土壤全氮储量为 562.37 t，林地、农地和草地每平方米土壤全氮含量分别为 0.343、 0.299 和 0.289 kg/m 2 。 （2）不同土壤深度下土壤含氮量与土壤颗粒特征有极显著关系，不同土地利用 土壤粉粘粒含量随土壤深度的增加而增大。土壤全氮在 0-20 cm 土层与中粗砂粒呈极 显著正相关(P&lt;0.01)，土壤颗粒分形维数和土壤全氮在 20-60 cm 土层均与土壤粉粘粒 含量呈极显著正相关(P&lt;0.01)；不同土层下土壤粉粘粒含量平均值均表现为农地&gt;林地 &gt;草地，不同植被类型间土壤颗粒分形维数亦存在显著差异（P&lt;0.05），但 10-20 cm 土层的土壤颗粒分形维数更能代表不同土地利用的差异；土壤颗粒分形维数与坡度呈 显著负相关（P&lt;0.05），与坡向和海拔无显著相关性；不同土地利用下 0-10 cm 土层 每平方米土壤粉粘粒含量表现为农地&gt;林地&gt;草地，分别为 74.71 kg/m 2 ，71.54 kg/m 2 和 70.23 kg/m 2 。 （3）阐明了氮素随径流的迁移转化过程及污染负荷特征，流域径流中总氮的流失模数为 0.89 t&times;km -2 &times;a -1 。径流水质中主要是总氮含量超标，且硝氮含量均大于氨氮含 量，农村生产生活污染物排放对水质有很大影响；氨氮、硝氮和总氮的年均径流流失 模数均表现为农地&gt;草地&gt;林地，农地、草地和林地的总氮年均径流流失模数分别为 0.36、0.22 和 0.09 t&times;km -2 &times;a -1 ；流域出口非点源污染物氨氮、硝氮和总氮的平均浓度分 别为 0.17、4.71 和 7.55mg/L，点源污染物氨氮、硝氮和总氮的平均浓度分别为 0.20、 2.12 和 4.08mg/L。 （4）阐明了土壤氮素流失与水土流失的关系，流域泥沙中全氮的年均流失模数 为 0.27 t&times;km -2 &times;a -1 。鹦鹉沟流域的年均土壤侵蚀模数为 3140 t/km 2 ，侵蚀强度为中度， 坡耕地是流域需要重点治理的区域；林地、草地和农地的年均土壤侵蚀模数分别为 509.7、1511.8 和 4606.5 t/km 2 ，林草地年侵蚀量较小，农地土壤侵蚀量占流域总侵蚀 量的 95.3%；坡度每增加 5&deg;，不同土地利用的土壤侵蚀模数增加量比坡长每增加 5 m 的增加量要大 1～2 倍；研究区表土流失造成的全氮、氨氮和硝氮损失量分别为 3799.9、44.8 和 16.9 kg，其中农地的氮素损失量最为严重。 （5）模拟了不同水土保持治理情景对流域氮素流失的阻控作用，丹江流域大于 5&deg;的坡耕地全部退耕还林情景下，其径流总氮年均浓度将降低 0.203 mg/L。水土保持 治理下，当坡面全部是林地和草地时，丹江流域的平均侵蚀模数分别为 750.1 t&times;km -2 &times;a -1 和 1875.2 t&times;km -2 &times;a -1 ，土壤侵蚀强度可达到轻度土壤侵蚀；坡面林（草）措施比例与侵 蚀模数之间的关系接近于线性函数，而梯田比例与侵蚀模数之间的关系更接近于指数 函数；林草措施减水减沙效益最好，使降水大部分以壤中流形式流出，从而降低了氮 素浓度；丹江流域大于 5&deg;的坡耕地在林地和草地极限治理状态下，其泥沙量分别减 少 205.3 和 196.6 万吨，泥沙全氮含量分别减少 732.8 和 701.9 吨，径流总氮流失量分 别减少 346.9 和 169.2 吨。 关键词 ：土壤全氮；土地利用；丹江流域；土壤颗粒分形维数；非点源污染</p