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/km~2·a,土壤中氮元素和磷元素的平均迁移量分别为9.12t/km~2·a和2.30t/km~2·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,即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/km~2·a和3847.6t/km~2·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=(Er_1~*S+Er_2~*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/km~2·a,磷素迁移量为2.903t/km~2·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。