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目前,非点源污染引起的河湖水体富营养化日趋严重,成为水环境污染的突出表现形式,其中农田氮磷(N、P)流失导致的水体富营养化问题备受关注。太湖流域的主要环境问题是水体富营养化,而磷作为大多数水体中藻类生长的主要限制因素之一,对控制太湖的水体富营养化有着重要的意义。农田磷流失为主的非点源污染是水体中磷的主要来源,因此对太湖流域农田磷流失特征的研究对改善水环境问题有着重要的实践意义。本文选择太湖流域的主要土地利用类型.旱地和水田,通过试验统计方法安排野外径流小区,采用人工模拟降雨和天然降雨相结合的方法,研究降雨强度、坡度、施磷量、土壤全磷和速效磷含量对土壤磷径流流失的影响。应用三因素五水平二次通用旋转组合设计方法处理数据,构建旱地降雨强度、坡度和施磷量与土壤磷流失浓度之间的回归模型,定量评价了两两因素间的交互效应;同时,应用多元回归分析方法,构建了水田降雨量、施磷量、施磷后土壤表层速效磷含量和磷流失量之间的回归模型;综合利用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、地学统计等手段和方法,结合构建的模型,估算了太湖流域1985、1995和2000年三个不同时期农田磷的流失负荷。主要结论如下:
1.降雨强度和坡度对初始产流时间以及径流量的大小具有显著的影响。初始产流时间随雨强和坡度的增大而缩短,二者呈指数函数关系。随着雨强的增大,径流量逐渐增大,但雨强在0.83~1.67mm·min-1时,径流量仅增加了1.38倍,增加幅度较小,而在1.67~2.50mm·min-1时,径流量却增加了3.61倍,增加幅度较大,这表明径流量在雨强1.67mm·min-1和2.50mm·min-1之间有一个临界点。坡地累积径流量随着坡度的增大以幂函数形式增加。
2.降雨强度和坡度对泥沙流失量以及泥沙全磷含量具有显著的影响。随着雨强的增加,泥沙流失量呈现幂函数增加趋势,而泥沙全磷富集率呈现显著的线性增加趋势。随坡度的增加,泥沙流失量显著增加,而泥沙全磷含量逐渐而减小,并与坡度呈现线性负相关关系;泥沙全磷富集率大于1,表明流失的磷在侵蚀泥沙中发生了富集。
3.降雨强度、坡度、施磷量、土壤全磷和速效磷含量对径流磷流失形态以及流失负荷具有显著的影响。随着雨强和坡度的增大,径流总磷(TP)和颗粒态磷(PP)平均浓度显著增大,而溶解态磷(DP)、溶解态无机磷(DIP)和溶解态有机磷(DOP)没有显著的变化。不同形态磷的流失负荷随雨强和坡度的增大以指数形式增加。随着施磷量的增加,不同形态磷的平均浓度和流失负荷呈线性正相关关系增加。在所有的地表径流过程中,PP为土壤磷迁移的主要流失形态;DIP为DP的主要流失形态。随着土壤全磷和速效磷含量的增加,地表径流中不同形态磷浓度出现显著的增加,它们之间呈现线性正相关关系,这表明土壤全磷和速效磷的测定值可以作为土壤磷流失风险和对水环境影响评估的依据。
3.应用三因素五水平二次通用旋转组合设计方法,构建土壤TP和PP浓度与降雨强度、坡度和施磷量之间关系的回归模型。
y1=13.175-0.099χ1-0.884χ2—0.533χ3+0.000111χ+1.300χ22-0.019χ23+0.049χ1χ2+0.004χ1χ3+0.440χ2χ3
y2=6.669—0.097χ1-0.708χ2-0.477χ3+0.000119χ21+0.868χ22-0.0147χ23+0.042χ1χ2+0.0042χ1χ3+0.363χ2χ3
不同影响因素对径流TP浓度的影响程度的大小依次为:施磷量>雨强>坡度,且都是正效应;而对径流PP浓度的影响程度的大小依次为:施磷量>坡度>雨强,且都是正效应,说明施磷量对径流中TP和PP浓度的影响最大。
4.估算太湖流域农田在1985、1995和2000年的TP和PP的流失负荷。采用GIS的空间分析等方法,应用TP和PP浓度的定量回归模型,估算了太湖流域在1985年,旱地TP流失负荷为721.14t,PP的流失负荷为518.55t,水田TP流失负荷为360.00t;在1995年,旱地TP为990.70t,PP为667.84t,水田为686.00t;在2000年,旱地TP为616.95t,PP为385.12t,水田为665.60t,由此可知,太湖流域在1985、1995和2000年农田TP流失的总负荷分别为1081.14、1676.70和1282.55t,占入湖非点源TP负荷的37%左右。