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题名	小流域非点源氮迁移尺度特征及模型模拟
作者	杨小林
学位类别	博士
答辩日期	2012-05
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	朱波
关键词	非点源氮迁移 空间变化 时间变化 DNDC模型模拟
其他题名	Spatial and Temporal Variation of Diffuse Nitrogen Transport and Model Simulation
学位专业	自然地理学
中文摘要	紫色土丘陵区处于长江上游生态屏障的最前沿，是长江流域、三峡水库水环境的重要影响区。同时，该区域是中国西南地区的重要农业经济区，人口密度大，村镇发展迅速。研究发现紫色土丘陵区非点源氮迁移已经给长江三峡乃至整个长江流域水环境造成重要影响。然而，由于非点源氮迁移受土地利用类型、土壤特性、地形、植被以及气候、降雨等不确定性影响而具有空间异质性和时间上的不均匀性，使得非点源氮的来源难以辨别和确定，迁移通量难以准确估算，治理十分困难。因此，需要从时间、空间的角度来探讨非点源氮迁移的尺度特征，探讨氮的来源、迁移过程和通量估算方法，从而为寻找合理的、针对性的治理措施提供科学依据。 本研究以相同区域“地块-支沟-小流域”的连续空间尺度的氮迁移时空变化研究为主线，分析非点源氮浓度、迁移负荷在时空尺度的变化特征，探讨非点源氮的来源、迁移过程，并且寻找氮迁移相对稳定的基本尺度为非点源氮迁移通量的估算和模型的拓展运用提供依据。结合生物地球化学循环模型（改进型DNDC 模型）的模拟，通过氮迁移相对稳定的支沟小流域多年连续野外定位观测数据，对模型进行参数率定、重要参数的修正，实现参数的本地化，并对相同区域其他小流域非点源氮迁移进行模拟验证，探讨模型尺度拓展应用的可能性。 小流域非点源氮迁移过程特征 本研究以不同土地利用类型地块（旱地：24m2、居民点：1.23ha）、不同类型支沟（集镇支沟：0.03km2、农林复合支沟：0.15km2、农业-集镇-林地复合支沟0.35km2）及小流域（12.10 km2）为研究对象，探讨非点源氮的迁移过程。结果表明：（1）次降雨事件过程中：居民点地块、集镇支沟、农业-集镇-林地复合支沟初期径流TN、PN、NH4+-N浓度呈现显著的“峰值”，迁移负荷存在显著的“初始冲刷效应”。而旱地、农林复合支沟及小流域次降雨事件过程中氮浓度、负荷变化较小。（2）月变化过程来看：旱地氮迁移主要集中在5月底施肥后的初期降水事件，其中6-7月TN、NO3--N迁移负荷分别占年迁移负荷的84.7%（34.9kg/ha）、85.3%（29.23kg/ha）。居民点、集镇支沟、农林复合支沟、农业-集镇-林地复合支沟及小流域氮流失与降雨量密切相关，主要集中在雨季，特别中国科学院博士学位论文 小流域非点源氮迁移尺度特征及模型模拟是7-9月，其中TN迁移负荷分别占全年流失负荷的62.7%（139.23kg/ha）、64.8%（84.12kg/ha）、87.2%（13.45kg/ha）、 58.4%（16.76kg/ha）和77.7%（17.73kg/ha）。 小流域非点源氮迁移空间尺度特征 本研究以不同类型地块（旱地：1m2-24m2-100m2-1200m2、居民点不同监测断面：1.23ha-2.09ha-2.45ha-2.73ha）、不同支沟和小流域（0.03km2-0.15km2 -0.35km2-4.65km2-12.10km2）连续观测体系为研究对象，分析非点源氮径流迁移空间尺度特征。结果表明： （1）地块：面积大小对旱地、居民点地块氮迁移具有显著影响。随着面积的增加，径流中氮浓度、负荷特征趋于稳定。不同面积大小旱地小区（1m2、24m2、100m2、1200m2）2011年TN迁移负荷分别为： 54.1kg/ha、41.2kg/ha、34.6 kg/ha、32.3 kg/ha，旱地面积大小与TN、DN、NO3--N迁移负荷存在显著负对数相关关系；不同面积居民点监测断面（1.23ha-2.09ha-2.45ha-2.77 ha）TN年迁移负荷分别为：222.3kg/ha、177.4 kg/ha、152 kg/ha、143.2 kg/ha，居民点监测断面集水区面积与TN、NH4+-N迁移负荷存在显著负对数相关关系。 （2）支沟、小流域：随着尺度的增加，空间异质性对氮迁移影响逐渐减小，氮迁移过程差异逐渐减弱，且浓度、迁移负荷特征也趋于稳定。集镇支沟、农林复合支沟、农业-集镇-林地复合支沟、典型小流域以及下游小流域2011年TN迁移负荷分别为：129.7kg/ha、15.4 kg/ha、28.7 kg/ha、24.7 kg/ha、22.8 kg/ha。DN迁移负荷分别为：96.7kg/ha、13.9 kg/ha、23.1kg/ha、19.5 kg/ha、19.0 kg/ha。 （3）随着空间尺度的增加，空间异质性对氮迁移影响逐渐减小，氮迁移过程差异逐渐减弱，且浓度变化、迁移负荷特征趋于稳定，结果证实了氮迁移相对稳定的基本尺度的存在。因此，氮迁移相对稳定的基本尺度的存在可以作为流域非点源氮污染监测的基本单元，从而为流域非点源氮流失通量的估算和非点源污染模型的拓展运用提供依据。 非点源氮迁移模型模拟 本文利用生物地球化学循环模型—改进型DNDC模型对紫色土区小流域非点源氮迁移进行了模拟研究。通过非点源氮迁移相对稳定的支沟小流域对模型进行参数率定和验证，实现了参数的本地化，并利用该模型对相同区域的其他流域的径流、泥沙、氮迁移等进行模拟验证。研究结果表明： 在模型率定和验证过程中，率定期年径流量模拟偏差介于-9.4%-4.2%，月径流实测值与模拟值的决定系数为R2=0.974，模拟结果十分理想；流域年产沙量模拟值与实测值模拟偏差介于5.6%-9.7%之间，且月实测值与模拟值之间的决定系数也达到了0.981；TN、PN和DN的多年平均模拟偏差分别为5.1%，6.6%和4.6%。验证期年径流量模拟偏差介于-12.2%-6.3%，月径流实测值与模拟值的决定系数为R2=0.914，模拟结果十分理想；流域年产沙量模拟值与实测值模拟偏差介于7.2%-11.4%之间，且月实测值与模拟值之间的决定系数也达到了0.937；TN、PN和DN的多年平均模拟偏差分别为-0.6%、9.2%和-3.3%。 从模型拓展验证过程来看，大兴小流域的年径流量、土壤侵蚀、TN和PN模拟值与实测值之间的模拟偏差分别为-5.8%、15.6%、-3.9%和14.1%。万安小流域的年径流量、土壤侵蚀、TN和PN模拟值与实测值之间的模拟偏差分别为-8.5%、16.8%、-7.7%和13.2%。 改进型DNDC模型可以较好的对紫色土丘陵区小流域的径流、土壤侵蚀、氮迁移进行模拟，且长期模拟精度>短期模拟精度。研究结果证实了模型实现尺度拓展运用的可能性。但是，由于改进型DNDC模型对泥沙在河道中的迁移过程考虑不足，所以导致随着流域尺度的扩大，土壤侵蚀和颗粒态氮的模拟偏差增加。因此，改进型DNDC模型可以作为紫色土区非点源氮迁移长期影响研究和管理的重要工具，但是模型的进一步完善，特别是模型河道过程的完善，将是重要研究问题。
英文摘要	紫色土丘陵区处于长江上游生态屏障的最前沿，是长江流域、三峡水库水环境的重要影响区。同时，该区域是中国西南地区的重要农业经济区，人口密度大，村镇发展迅速。研究发现紫色土丘陵区非点源氮迁移已经给长江三峡乃至整个长江流域水环境造成重要影响。然而，由于非点源氮迁移受土地利用类型、土壤特性、地形、植被以及气候、降雨等不确定性影响而具有空间异质性和时间上的不均匀性，使得非点源氮的来源难以辨别和确定，迁移通量难以准确估算，治理十分困难。因此，需要从时间、空间的角度来探讨非点源氮迁移的尺度特征，探讨氮的来源、迁移过程和通量估算方法，从而为寻找合理的、针对性的治理措施提供科学依据。 本研究以相同区域“地块-支沟-小流域”的连续空间尺度的氮迁移时空变化研究为主线，分析非点源氮浓度、迁移负荷在时空尺度的变化特征，探讨非点源氮的来源、迁移过程，并且寻找氮迁移相对稳定的基本尺度为非点源氮迁移通量的估算和模型的拓展运用提供依据。结合生物地球化学循环模型（改进型DNDC 模型）的模拟，通过氮迁移相对稳定的支沟小流域多年连续野外定位观测数据，对模型进行参数率定、重要参数的修正，实现参数的本地化，并对相同区域其他小流域非点源氮迁移进行模拟验证，探讨模型尺度拓展应用的可能性。 小流域非点源氮迁移过程特征 本研究以不同土地利用类型地块（旱地：24m2、居民点：1.23ha）、不同类型支沟（集镇支沟：0.03km2、农林复合支沟：0.15km2、农业-集镇-林地复合支沟0.35km2）及小流域（12.10 km2）为研究对象，探讨非点源氮的迁移过程。结果表明：（1）次降雨事件过程中：居民点地块、集镇支沟、农业-集镇-林地复合支沟初期径流TN、PN、NH4+-N浓度呈现显著的“峰值”，迁移负荷存在显著的“初始冲刷效应”。而旱地、农林复合支沟及小流域次降雨事件过程中氮浓度、负荷变化较小。（2）月变化过程来看：旱地氮迁移主要集中在5月底施肥后的初期降水事件，其中6-7月TN、NO3--N迁移负荷分别占年迁移负荷的84.7%（34.9kg/ha）、85.3%（29.23kg/ha）。居民点、集镇支沟、农林复合支沟、农业-集镇-林地复合支沟及小流域氮流失与降雨量密切相关，主要集中在雨季，特别中国科学院博士学位论文 小流域非点源氮迁移尺度特征及模型模拟是7-9月，其中TN迁移负荷分别占全年流失负荷的62.7%（139.23kg/ha）、64.8%（84.12kg/ha）、87.2%（13.45kg/ha）、 58.4%（16.76kg/ha）和77.7%（17.73kg/ha）。 小流域非点源氮迁移空间尺度特征 本研究以不同类型地块（旱地：1m2-24m2-100m2-1200m2、居民点不同监测断面：1.23ha-2.09ha-2.45ha-2.73ha）、不同支沟和小流域（0.03km2-0.15km2 -0.35km2-4.65km2-12.10km2）连续观测体系为研究对象，分析非点源氮径流迁移空间尺度特征。结果表明： （1）地块：面积大小对旱地、居民点地块氮迁移具有显著影响。随着面积的增加，径流中氮浓度、负荷特征趋于稳定。不同面积大小旱地小区（1m2、24m2、100m2、1200m2）2011年TN迁移负荷分别为： 54.1kg/ha、41.2kg/ha、34.6 kg/ha、32.3 kg/ha，旱地面积大小与TN、DN、NO3--N迁移负荷存在显著负对数相关关系；不同面积居民点监测断面（1.23ha-2.09ha-2.45ha-2.77 ha）TN年迁移负荷分别为：222.3kg/ha、177.4 kg/ha、152 kg/ha、143.2 kg/ha，居民点监测断面集水区面积与TN、NH4+-N迁移负荷存在显著负对数相关关系。 （2）支沟、小流域：随着尺度的增加，空间异质性对氮迁移影响逐渐减小，氮迁移过程差异逐渐减弱，且浓度、迁移负荷特征也趋于稳定。集镇支沟、农林复合支沟、农业-集镇-林地复合支沟、典型小流域以及下游小流域2011年TN迁移负荷分别为：129.7kg/ha、15.4 kg/ha、28.7 kg/ha、24.7 kg/ha、22.8 kg/ha。DN迁移负荷分别为：96.7kg/ha、13.9 kg/ha、23.1kg/ha、19.5 kg/ha、19.0 kg/ha。 （3）随着空间尺度的增加，空间异质性对氮迁移影响逐渐减小，氮迁移过程差异逐渐减弱，且浓度变化、迁移负荷特征趋于稳定，结果证实了氮迁移相对稳定的基本尺度的存在。因此，氮迁移相对稳定的基本尺度的存在可以作为流域非点源氮污染监测的基本单元，从而为流域非点源氮流失通量的估算和非点源污染模型的拓展运用提供依据。 非点源氮迁移模型模拟 本文利用生物地球化学循环模型—改进型DNDC模型对紫色土区小流域非点源氮迁移进行了模拟研究。通过非点源氮迁移相对稳定的支沟小流域对模型进行参数率定和验证，实现了参数的本地化，并利用该模型对相同区域的其他流域的径流、泥沙、氮迁移等进行模拟验证。研究结果表明： 在模型率定和验证过程中，率定期年径流量模拟偏差介于-9.4%-4.2%，月径流实测值与模拟值的决定系数为R2=0.974，模拟结果十分理想；流域年产沙量模拟值与实测值模拟偏差介于5.6%-9.7%之间，且月实测值与模拟值之间的决定系数也达到了0.981；TN、PN和DN的多年平均模拟偏差分别为5.1%，6.6%和4.6%。验证期年径流量模拟偏差介于-12.2%-6.3%，月径流实测值与模拟值的决定系数为R2=0.914，模拟结果十分理想；流域年产沙量模拟值与实测值模拟偏差介于7.2%-11.4%之间，且月实测值与模拟值之间的决定系数也达到了0.937；TN、PN和DN的多年平均模拟偏差分别为-0.6%、9.2%和-3.3%。 从模型拓展验证过程来看，大兴小流域的年径流量、土壤侵蚀、TN和PN模拟值与实测值之间的模拟偏差分别为-5.8%、15.6%、-3.9%和14.1%。万安小流域的年径流量、土壤侵蚀、TN和PN模拟值与实测值之间的模拟偏差分别为-8.5%、16.8%、-7.7%和13.2%。 改进型DNDC模型可以较好的对紫色土丘陵区小流域的径流、土壤侵蚀、氮迁移进行模拟，且长期模拟精度>短期模拟精度。研究结果证实了模型实现尺度拓展运用的可能性。但是，由于改进型DNDC模型对泥沙在河道中的迁移过程考虑不足，所以导致随着流域尺度的扩大，土壤侵蚀和颗粒态氮的模拟偏差增加。因此，改进型DNDC模型可以作为紫色土区非点源氮迁移长期影响研究和管理的重要工具，但是模型的进一步完善，特别是模型河道过程的完善，将是重要研究问题。
语种	中文
公开日期	2013-01-16
内容类型	学位论文
源URL	[http://192.168.143.20:8080/handle/131551/4823]
专题	成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	杨小林. 小流域非点源氮迁移尺度特征及模型模拟[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2012.

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