九龙江流域氮的源汇过程及其机制

论文摘要

人类活动对地球系统的影响迅速扩大,活化氮的大量输入使得生态系统氮“超载”,并引发一系列生态环境问题。世界各国正致力于寻求减少氮的排放以缓解环境压力的对策。因此,从机制上对九龙江流域氮的源汇及其过程进行系统的试验研究,对于加强水资源保护、改善流域生态环境、促进社会经济可持续发展有着非常重要的理论与实践意义。本研究融合多学科知识,在GIS技术支持下,综合运用现场定位试验、模型模拟、同位素示踪及故障树风险评价等多种研究手段与方法,揭示了流域氮的大气沉降、地表径流、淋失、反硝化和氨挥发等输入输出过程及其机制,建立了不同尺度流域氮的收支模式,并针对性提出氮流失的控制对策建议。主要研究结论如下:第一,大气氮沉降强度、时空分布和来源。九龙江流域大气氮沉降通量为14.9 kg N/(hm2·y),其中干沉降占34%,湿沉降占66%;受氮的排放状况和气象条件影响,约80%的大气氮沉降发生在春夏两季。干沉降中铵氮、硝氮与有机氮分别占31%、24%和45%。干沉降量在下游及河口地区较大(>7.0 kg N/(hm2·y)),并向上游方向递减(<4.0 kg N/(hm2·y))。湿沉降(雨水)氮浓度平均2.79±1.79 mg N/L,铵氮、硝氮与有机氮分别占39%、25%和36%。雨水氮浓度随降雨量、降雨强度的增大而降低,但在空间尺度上的差异较小。大气氮沉降中以铵态氮为主,这与化肥施用、畜禽养殖引起的氨挥发强烈有关,而雨水硝态氮主要来源于化石燃料燃烧和农业活动。第二,氮的地表径流输出过程及机制。流域氮的地表径流输出主要受降雨、径流、土地利用和施肥状况的多重控制。九龙江向厦门海域输送无机氮10.75 kg N/(hm2·y),春夏秋季流量大(占全年89%),氮输出占全年的90%。五川小流域地表径流氮输出总负荷为67.10 kg N/(hm2·y),基流与降雨径流分别占25%和75%;春夏两季(3–8月)处于作物生长季节,人为氮的输入量大,降雨集中,氮的地表径流输出占全年的85%。基流氮的输出与水量、水质密切相关,但水量起着更为关键的作用。随着上游向下游方向农业用地比例的增加,基流氮浓度递增。各类典型小流域氮的降雨径流输出与农业用地比例呈正相关。地表水硝态氮主要来源于无机化肥,以及有机肥的季节性施用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第二章 国内外研究综述
• 2.1 大气氮沉降
• 2.1.1 大气氮来源与沉降
• 2.1.2 氮沉降的生态环境效应
• 2.1.3 我国的大气氮沉降研究
• 2.2 氮的流失
• 2.2.1 地表径流
• 2.2.2 淋失
• 2.2.3 氨挥发
• 2.2.4 反硝化
• 2.3 流域氮收支计算
• 2.4 存在问题及不足
• 2.5 本论文选题意义
• 第三章 研究目标、内容和技术路线
• 3.1 研究目标
• 3.2 研究内容
• 3.3 研究技术路线
• 第四章 研究区概况
• 4.1 九龙江流域概况
• 4.1.1 自然环境
• 4.1.2 社会经济
• 4.1.3 地表水环境质量
• 4.1.4 水环境问题成因分析
• 4.2 五川小流域概况
• 4.2.1 自然环境
• 4.2.2 土地利用和耕作
• 4.3 其他小流域概况
• 第五章 九龙江流域大气氮干沉降
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 站点设置与采样
• 5.1.2 水质分析
• 5.1.3 大气氮干沉降通量估算
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 干沉降强度
• 5.2.2 化学形态特征
• 5.2.3 空间分布特征
• 5.2.4 时间分布特征
• 5.2.5 影响因素分析
• 5.3 结论
• 第六章 九龙江流域大气氮湿沉降
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 站点设置与采样
• 6.1.2 水质分析
• 6.1.3 硝态氮同位素分析
• 6.1.4 大气氮湿沉降通量估算
• 6.1.5 空间插值方法优选
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 雨水氮浓度
• 6.2.2 化学形态特征
• 6.2.3 时空分布特征
• 6.2.4 雨水硝态氮同位素组成特征
• 6.2.5 大气氮湿沉降通量
• 6.2.6 九龙江流域大气氮沉降总量
• 6.3 结论
• 第七章 氮的地表径流输出过程及机制
• 7.1 材料与方法
• 7.1.1 研究范围和尺度
• 7.1.2 样品采集与水文测量
• 7.1.3 实验分析
• 7.1.4 质量控制与数据处理
• 7.1.5 硝态氮同位素分析
• 7.1.6 地表径流氮输出负荷计算
• 7.1.7 九龙江氮输出负荷计算
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 降水特征分析
• 7.2.2 五川小流域氮的基流输出
• 7.2.3 五川小流域氮的基流输出负荷
• 7.2.4 小流域氮的降雨径流输出
• 7.2.5 地表水硝态氮同位素组成特征
• 7.2.6 五川小流域降雨径流氮输出负荷
• 7.2.7 五川小流域地表径流氮的总输出
• 7.2.8 九龙江地表径流氮的输出
• 7.3 结论
• 第八章 氮的淋失过程及机制
• 8.1 材料与方法
• 8.1.1 研究区概况及样地遴选
• 8.1.2 监测方案
• 8.1.3 GLEAMS模型模拟
• 8.1.4 流域氮淋失量估算
• 8.2 结果与讨论
• 8.2.1 氮淋失特征及机制
• 8.2.2 模型敏感性参数
• 8.2.3 模型校验结果
• 8.2.4 五川小流域氮素淋失负荷
• 8.3 结论
• 第九章 流域土壤反硝化与氨挥发
• 9.1 材料与方法
• 9.1.1 反硝化试验方案
• 9.1.2 氨挥发试验方案
• 9.1.3 流域反硝化与氨挥发通量估算
• 9.2 结果与讨论
• 9.2.1 土壤反硝化
• 9.2.2 氨挥发
• 9.3 结论
• 第十章 九龙江流域氮的收支
• 10.1 尺度与方法
• 10.1.1 系统界定
• 10.1.2 估算方法
• 10.2 结果与讨论
• 10.2.1 氮输入
• 10.2.2 氮输出
• 10.2.3 氮收支
• 10.3 结论
• 第十一章 九龙江流域氮流失风险评价
• 11.1 评价范围
• 11.2 评价方法与步骤
• 11.3 风险分析与定量
• 11.4 结果与讨论
• 11.4.1 定性评价
• 11.4.2 定量评价
• 11.4.3 不确定性分析
• 11.5 结论
• 第十二章 总结
• 12.1 主要研究结论
• 12.1.1 氮的主要源汇过程及其机制
• 12.1.2 九龙江流域和五川小流域氮的收支
• 12.1.3 九龙江流域氮流失风险
• 12.2 九龙江流域氮流失控制对策建议
• 12.3 主要创新点
• 12.4 不足之处
• 12.5 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1 图件资料
• 附录2 参加课题和学术会议
• 附录3 研究生期间发表论文
• 致谢