三峡库区紫色土坡耕地吸附态氮磷污染负荷模拟研究

论文摘要

三峡库区农业非点源污染负荷占整个库区污染负荷的77.85%。库区的土壤类型以紫色土为主，紫色土是一种宝贵的农业土壤资源，占库区总面积的38.55%，其中绝大部分为坡耕地。紫色土由紫色页岩发育而成，具有土层浅薄、孔隙度大、下渗及抗蚀性差的特点，加上强烈的人类活动，以及库区雨量丰富，降雨集中，暴雨频繁等原因，致使库区紫色土坡耕地水土流失十分严重。水土流失所携带的氮磷元素则是导致受纳水体发生富营养化的重要原因。在侵蚀性降雨冲刷作用下，表层土壤中的吸附态氮磷流失量增加，导致土地贫瘠化以及水环境富营化的趋势日益明显。流域输沙带来的大量吸附态氮、磷对三峡库区水体构成了严重威胁。因此，有效地控制库区紫色土坡耕地土壤侵蚀，对于保护库区耕地以及水库的水质安全具有十分重要的意义。本研究基于GIS技术，在构建三峡库区包含气象、地形地貌、土地利用、土壤类型、植被覆盖等空间数据库的基础上，以修正通用土壤流失方程RUSLE为基础，计算了三峡库区紫色土坡耕地土壤侵蚀量，并进行了空间分析；通过考虑库区实际地形因素，提出了能够反映库区泥沙输出实际情况的泥沙输移比的新估算方法，据此构建了库区吸附态非点源污染负荷模型，并进行了验证；针对中国科学院成都灾害与环境研究所等单位研发的控制坡耕地土壤流失的“大横坡+小顺坡”和“地埂+植物篱”的耕作技术，根据实测数据计算了水土保持因子值，最后应用土壤侵蚀模型与吸附态氮磷污染负荷模型对坡耕地改造技术用于整个三峡库区紫色土坡耕地所带来的效果进行了预测与对比分析。以期为三峡库区紫色土坡耕地水土流失防治、坡耕地综合整治提供参考。研究结果表明：（1）通过空间分析计算，三峡库区紫色土坡耕地采用传统的耕作模式，对于2010年的气候条件和土地利用状况，平均土壤侵蚀模数为4819.00t/（km2·a）；若采用“大横坡+小顺坡”的耕作模式，平均土壤侵蚀模数为2837.63t/（km2·a）；若采用“地埂+植物篱”的耕作模式，平均土壤侵蚀模数为1737.11t/（km2·a）。由于库区紫色土坡耕地侵蚀严重，若采用“大横坡+小顺坡”或者“地埂+植物篱”的耕作技术，可以有效的减少库区紫色土坡耕地的土壤侵蚀量，从而减少库区水土流失量，有利于耕地的可持续利用和水环境安全。（2）采用传统的耕作模式，2010年三峡库区紫色土坡耕地吸附态氮磷污染负荷分别是35731.33t、18732.93t，其中吸附态氮占总污染负荷的65.61%，吸附态磷占34.39%。采用“大横坡+小顺坡”耕作模式吸附态氮磷污染负荷分别是21081.48t和11052.43t，吸附态氮磷污染负荷减少了41.12%。若采用“地埂+植物篱”耕作模式吸附态氮磷污染负荷分别是12863.28t和6743.85t，吸附态氮磷污染负荷相比传统耕作模式减少了63.95%，相比“大横坡+小顺坡”耕作模式减少了38.98%。（3）根据空间分布，附态氮磷污染负荷从东向西依次下降。开县、云阳、奉节以及湖北的秭归吸附态氮磷污染负荷严重，其次是万州、忠县、石柱、巴南，相对污染负荷也比较严重，三峡库区西部地区污染负荷较轻。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 土壤侵蚀国外研究概况
• 1.2.2 土壤侵蚀国内研究概况
• 1.2.3 国外农业非点源污染模型的研究进展
• 1.2.4 国内农业非点源污染模型的研究进展
• 1.3 课题研究的目的、内容及技术路线
• 1.3.1 课题研究的目的
• 1.3.2 课题研究的内容
• 1.3.3 技术路线
• 1.4 课题研究的创新之处
• 2 研究区域概况
• 2.1 研究区域自然环境概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 地形地貌
• 2.1.3 土壤
• 2.1.4 植被环境
• 2.2 三峡库区社会经济状况
• 2.2.1 库区人口行政
• 2.2.2 库区经济概况
• 3 环境数据库的构建
• 3.1 环境基础数据库的构建
• 3.1.1 基础数据准备
• 3.1.2 DEM 数据库
• 3.1.3 土地利用数据库
• 3.1.4 土壤数据库
• 3.1.5 植被数据库
• 3.1.6 气象数据库
• 3.2 空间数据库的功能
• 4 土壤侵蚀的模拟计算
• 4.1 库区紫色土坡耕地侵蚀的计算
• 4.1.1 侵蚀模型的选择
• 4.1.2 各因子的计算
• 4.1.3 土壤侵蚀量模拟结果分析
• 4.1.4 模型模拟效果验证
• 5 吸附态非点源氮磷污染负荷模拟研究
• 5.1 泥沙负荷估算模型
• 5.2 吸附态氮磷污染负荷模型的构建
• 5.3 泥沙输移比的计算
• 5.3.1 泥沙输移比的定义
• 5.3.2 泥沙输移比的研究现状
• 5.3.3 国内研究存在的问题
• 5.3.4 基于地形指数泥沙输移比的计算
• 5.4 吸附态氮磷污染负荷模拟结果与分析
• 5.4.1 模拟结果与分析
• 5.4.2 模型模拟效果验证
• 6 坡耕地改造技术下吸附态氮磷负荷的预测与评价
• 6.1 坡耕地改造技术简介
• 6.2 土壤侵蚀的预测与分析
• 6.2.1 土壤侵蚀的计算
• 6.2.2 不同耕作模式下土壤侵蚀的对比分析
• 6.3 吸附态氮磷的预测与分析
• 6.3.1 吸附态氮磷的计算
• 6.3.2 不同耕作模式下吸附态氮磷的对比分析
• 7 结论与展望
• 7.1 主要研究成果与结论
• 7.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目