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长江流域水资源丰富，它不仅是流域可持续发展的保证，而且肩负着通过南水北调工程缓解北方缺水问题的重要任务。但是，随着三峡工程兴建，流域人口的增加，工农业生产和城镇建设的迅速发展，在许多自然和人为因素的影响下，水文条件、资源和环境特征不断变化，导致各种水环境问题，如洪涝灾害、水污染、泥沙淤积、水土流失、地下水污染及咸水入侵等。因此，客观地评估流域主要水环境问题，分析其成因，并提出相应的对策对流域水资源开发利用与保护、社会经济发展具有重要的意义。近年来，随着工农业生产和城市建设的快速发展，特别是中下游流域的水污染已成为长江水环境的主要问题。
1996年，对河流总长1017km的长江干流的82个代表断面，26个支流和3个湖泊出水口进行了评估。结果表明，枯水期Ⅱ类水河长占总评价干线的28.4%，Ⅲ类水占54.4%，Ⅳ和Ⅴ类水占17.2%；在汛期，二类河段占总评价河段的39.6％，三类河段占47.2％，四类和五类河段占13.1％。与1991年流域水质相比，旱季Ⅲ类水体从20.7％增加到54.4％，Ⅳ类和Ⅴ类水体从11.0％增加到17.2％，并有明显的恶化趋势。长江干流水质基本处于相对稳定的状态，但在三峡水库蓄水以及水动力改变后，长江支流氮磷的过量输入，导致长江干流出现更加严重的富营养化、水质恶化等水环境污染问题。下牢溪是长江北岸的一级支流，且与三峡库区都属于喀斯特地貌，同受亚热带季风气候影响，喀斯特地区特殊的岩石类型导致其水文过程与其他类型流域差异显著，研究其氮磷输出时空分布规律以及估算氮磷流失负荷有利于探讨其氮磷输出来源，为喀斯特小流域污染防治提供科学依据，同时为三峡库区和长江干流的氮磷流失负荷估算提供科学参考。
当前针对长江干流和库区流域土地利用变化以及非点源氮磷污染的研究较多，鲜有针对长江支流小流域非点源氮磷输出的系统研究。长江流域支流众多，往往人类活动影响巨大，支流小流域的非点源氮磷污染则是长江流域氮磷污染的主要来源。基于此，本文以长江一级支流下牢溪流域为研究对象，采用原位观测和数学分析的方法，从时间尺度、空间尺度对下牢溪流域开展了非点源营养盐输出监测和负荷估算等分析工作，监测下牢溪流域全年氮磷输出季节变化过程以及降雨径流事件氮磷输出变化过程，对比分析了其变化的内在成因，分析下牢溪流域非点源氮磷输出特征以及估算下牢溪流域非点源氮磷流失负荷量，为探明下牢溪流域非点源氮磷污染对长江干流造成的影响，同时为下牢溪流域氮磷污染的控制和削减提供理论依据。论文的主要研究内容及结论如下：
1）全年氮磷输出时空特征
下牢溪流域全年水体氨氮（NH4+-N）浓度范围在0.003~0.712mg/L，平均值为0.122mg/L。硝氮（NO3－-N）浓度在0.154~2.281mg/L，平均值为1.214mg/L。溶解性总氮（DTN）浓度范围在0.264~2.518mg/L，平均值为1.342mg/L。总氮（TN）浓度范围在0.322~3.339mg/L，平均值为1.460mg/L。正磷酸盐（PO43—-P）浓度范围在0.0001~0.044mg/L，平均值为0.006mg/L。溶解性总磷（DTP）浓度在0.0003~0.056mg/L，平均值为0.010mg/L。总磷（TP）浓度范围在0.0005~0.464mg/L，平均值为0.022mg/L。下牢溪水体中氮素主要以溶解态的形态存在，且以硝态氮为主，磷素主要以颗粒态的形态存在。氮磷含量较高的断面主要分布在下牢溪流域各个支流上游，而从全年变化来看，丰水期的氮磷浓度明显大于枯水期，且丰水期波动幅度较大。下牢溪流域氮磷输出受降雨径流影响明显，非点源营养盐流失负荷占多数，点源营养盐流失负荷较少。下牢溪氮磷浓度均受土地利用方式和人类活动的影响，在下牢溪流域各支流上游耕地和居民住地较多时浓度均较高，其中下游裸地林地较多，氮磷浓度明显呈现降低的趋势。喀斯特流域由于人类活动方式的差异、土地利用方式的差异会引起氮磷流失形态的不同以及浓度大小的不同，耕地与林地占地面积较多时，喀斯特流域丰水期氮磷浓度会更高，而生活污染更严重时，则枯水期氮磷浓度较高，因此丰水期农田肥料的合理施用可以有效的控制喀斯特流域氮磷污染。
2）降雨径流过程氮磷输出特征
20190628降雨径流事件中水体NH4+-N浓度范围在0.027~0.438mg/L，平均值为0.101mg/L。NO3－-N浓度在0.968~1.870mg/L，平均值为1.485mg/L。DTN浓度范围在1.294~1.992mg/L，平均值为1.604mg/L。TN浓度范围在1.306~4.069mg/L，平均值为1.841mg/L。PO43—-P浓度范围在0.001~0.014mg/L，平均值为0.005mg/L。DTP浓度在0.003~0.018mg/L，平均值为0.009mg/L。TP浓度范围在0.009~0.202mg/L，平均值为0.041mg/L。20190827降雨径流事件中水体NH4+-N浓度范围在0.002~0.048mg/L，平均值为0.018mg/L。NO3－-N浓度在1.527~1.814mg/L，平均值为1.666mg/L。DTN浓度范围在1.563~1.994mg/L，平均值为1.749mg/L。TN浓度范围在1.674~2.528mg/L，平均值为1.866mg/L。PO43—-P浓度范围在0.002~0.006mg/L，平均值为0.003mg/L。DTP浓度在0.003~0.011mg/L，平均值为0.005mg/L。TP浓度范围在0.008~0.031mg/L，平均值为0.014mg/L。20190628降雨径流事件中氨态氮、颗粒态氮以及磷素浓度较20190827降雨径流事件高，硝态氮以及溶解态氮浓度则低于20190628降雨径流事件。基于两次降雨径流事件监测发现，由于氨态氮和水溶性磷很容易被带阴离子的土壤胶体吸附，而硝态氮则不能被吸附，因而具有更大的迁移率，因此降雨径流过程中下牢溪流域内氮素流失主要是以硝态氮为主，磷素则主要是随着泥沙流失，所以主要以颗粒态的形态存在。同时，降雨强度大时磷素更易流失，降雨历时越长氮素越易流失。因此降雨强度、降雨量、降雨持续时间以及前期无雨日数均对产流时间、氮磷输出浓度、形态和负荷有一定影响。通过与非喀斯特流域的监测研究对比可以得知，由于非喀斯特地貌较喀斯特地貌土壤层更厚，储水能力更强，而喀斯特流域基流主要源自表层岩溶地下水的补给，在降雨过程显著时，雨水形成直接径流，喀斯特小流域出流快，对降雨的响应及时，氮磷浓度显著增高。这说明地貌条件、岩石构造等地理条件的差异一定程度上影响了氮磷的流失形态。
3）非点源营养盐流失负荷估算
下牢溪流域全年非点源流失负荷中，NH4+-N流失负荷为1.54t，NO3－-N流失负荷为16.56t，DTN流失负荷18.26t，TN流失负荷19.85t，PO43—-P流失负荷为0.088t，DTP流失负荷为0.136t，TP流失负荷为0.277t。20190628和20190827降雨径流事件产生NH4+-N流失负荷分别为1.08kg、0.01kg，NO3－-N流失负荷17.52kg、10.39kg，DTN流失负荷19.12kg、10.87kg，TN流失负荷22.07kg、11.61kg，PO43—-P流失负荷0.1kg、0.02kg，DTP流失负荷0.14kg、0.03kg，TP流失负荷0.94kg、0.08kg。年内流失负荷主要集中在3月至9月的汛期。降雨过程中颗粒态磷流失程度明显大于非降雨期。20190628降雨径流事件的氨态氮和磷流失比20190827事件更为显著。下牢溪流域营养盐的流失主要是源于降雨过程，降雨产生的直接径流以地表径流为主时，磷流失和氨态氮流失更为严重。在喀斯特地区耕地的地表径流系数高于林地，并且喀斯特地貌土层薄，土壤抗侵蚀能力差，在降雨条件下耕地区域因水土流失增加了河水中的含氮量。土地利用方式对营养盐输出形态的影响显著，有着完好的森林植被的林地，沿岸植被的枯枝落叶的分解随着降雨径流进入水体，溶解态氮流失负荷较高，而土壤中颗粒态氮磷肥量含量高且易水土流失的耕地，颗粒态氮、磷流失负荷较高。
1996年，对河流总长1017km的长江干流的82个代表断面，26个支流和3个湖泊出水口进行了评估。结果表明，枯水期Ⅱ类水河长占总评价干线的28.4%，Ⅲ类水占54.4%，Ⅳ和Ⅴ类水占17.2%；在汛期，二类河段占总评价河段的39.6％，三类河段占47.2％，四类和五类河段占13.1％。与1991年流域水质相比，旱季Ⅲ类水体从20.7％增加到54.4％，Ⅳ类和Ⅴ类水体从11.0％增加到17.2％，并有明显的恶化趋势。长江干流水质基本处于相对稳定的状态，但在三峡水库蓄水以及水动力改变后，长江支流氮磷的过量输入，导致长江干流出现更加严重的富营养化、水质恶化等水环境污染问题。下牢溪是长江北岸的一级支流，且与三峡库区都属于喀斯特地貌，同受亚热带季风气候影响，喀斯特地区特殊的岩石类型导致其水文过程与其他类型流域差异显著，研究其氮磷输出时空分布规律以及估算氮磷流失负荷有利于探讨其氮磷输出来源，为喀斯特小流域污染防治提供科学依据，同时为三峡库区和长江干流的氮磷流失负荷估算提供科学参考。
当前针对长江干流和库区流域土地利用变化以及非点源氮磷污染的研究较多，鲜有针对长江支流小流域非点源氮磷输出的系统研究。长江流域支流众多，往往人类活动影响巨大，支流小流域的非点源氮磷污染则是长江流域氮磷污染的主要来源。基于此，本文以长江一级支流下牢溪流域为研究对象，采用原位观测和数学分析的方法，从时间尺度、空间尺度对下牢溪流域开展了非点源营养盐输出监测和负荷估算等分析工作，监测下牢溪流域全年氮磷输出季节变化过程以及降雨径流事件氮磷输出变化过程，对比分析了其变化的内在成因，分析下牢溪流域非点源氮磷输出特征以及估算下牢溪流域非点源氮磷流失负荷量，为探明下牢溪流域非点源氮磷污染对长江干流造成的影响，同时为下牢溪流域氮磷污染的控制和削减提供理论依据。论文的主要研究内容及结论如下：
1）全年氮磷输出时空特征
下牢溪流域全年水体氨氮（NH4+-N）浓度范围在0.003~0.712mg/L，平均值为0.122mg/L。硝氮（NO3－-N）浓度在0.154~2.281mg/L，平均值为1.214mg/L。溶解性总氮（DTN）浓度范围在0.264~2.518mg/L，平均值为1.342mg/L。总氮（TN）浓度范围在0.322~3.339mg/L，平均值为1.460mg/L。正磷酸盐（PO43—-P）浓度范围在0.0001~0.044mg/L，平均值为0.006mg/L。溶解性总磷（DTP）浓度在0.0003~0.056mg/L，平均值为0.010mg/L。总磷（TP）浓度范围在0.0005~0.464mg/L，平均值为0.022mg/L。下牢溪水体中氮素主要以溶解态的形态存在，且以硝态氮为主，磷素主要以颗粒态的形态存在。氮磷含量较高的断面主要分布在下牢溪流域各个支流上游，而从全年变化来看，丰水期的氮磷浓度明显大于枯水期，且丰水期波动幅度较大。下牢溪流域氮磷输出受降雨径流影响明显，非点源营养盐流失负荷占多数，点源营养盐流失负荷较少。下牢溪氮磷浓度均受土地利用方式和人类活动的影响，在下牢溪流域各支流上游耕地和居民住地较多时浓度均较高，其中下游裸地林地较多，氮磷浓度明显呈现降低的趋势。喀斯特流域由于人类活动方式的差异、土地利用方式的差异会引起氮磷流失形态的不同以及浓度大小的不同，耕地与林地占地面积较多时，喀斯特流域丰水期氮磷浓度会更高，而生活污染更严重时，则枯水期氮磷浓度较高，因此丰水期农田肥料的合理施用可以有效的控制喀斯特流域氮磷污染。
2）降雨径流过程氮磷输出特征
20190628降雨径流事件中水体NH4+-N浓度范围在0.027~0.438mg/L，平均值为0.101mg/L。NO3－-N浓度在0.968~1.870mg/L，平均值为1.485mg/L。DTN浓度范围在1.294~1.992mg/L，平均值为1.604mg/L。TN浓度范围在1.306~4.069mg/L，平均值为1.841mg/L。PO43—-P浓度范围在0.001~0.014mg/L，平均值为0.005mg/L。DTP浓度在0.003~0.018mg/L，平均值为0.009mg/L。TP浓度范围在0.009~0.202mg/L，平均值为0.041mg/L。20190827降雨径流事件中水体NH4+-N浓度范围在0.002~0.048mg/L，平均值为0.018mg/L。NO3－-N浓度在1.527~1.814mg/L，平均值为1.666mg/L。DTN浓度范围在1.563~1.994mg/L，平均值为1.749mg/L。TN浓度范围在1.674~2.528mg/L，平均值为1.866mg/L。PO43—-P浓度范围在0.002~0.006mg/L，平均值为0.003mg/L。DTP浓度在0.003~0.011mg/L，平均值为0.005mg/L。TP浓度范围在0.008~0.031mg/L，平均值为0.014mg/L。20190628降雨径流事件中氨态氮、颗粒态氮以及磷素浓度较20190827降雨径流事件高，硝态氮以及溶解态氮浓度则低于20190628降雨径流事件。基于两次降雨径流事件监测发现，由于氨态氮和水溶性磷很容易被带阴离子的土壤胶体吸附，而硝态氮则不能被吸附，因而具有更大的迁移率，因此降雨径流过程中下牢溪流域内氮素流失主要是以硝态氮为主，磷素则主要是随着泥沙流失，所以主要以颗粒态的形态存在。同时，降雨强度大时磷素更易流失，降雨历时越长氮素越易流失。因此降雨强度、降雨量、降雨持续时间以及前期无雨日数均对产流时间、氮磷输出浓度、形态和负荷有一定影响。通过与非喀斯特流域的监测研究对比可以得知，由于非喀斯特地貌较喀斯特地貌土壤层更厚，储水能力更强，而喀斯特流域基流主要源自表层岩溶地下水的补给，在降雨过程显著时，雨水形成直接径流，喀斯特小流域出流快，对降雨的响应及时，氮磷浓度显著增高。这说明地貌条件、岩石构造等地理条件的差异一定程度上影响了氮磷的流失形态。
3）非点源营养盐流失负荷估算
下牢溪流域全年非点源流失负荷中，NH4+-N流失负荷为1.54t，NO3－-N流失负荷为16.56t，DTN流失负荷18.26t，TN流失负荷19.85t，PO43—-P流失负荷为0.088t，DTP流失负荷为0.136t，TP流失负荷为0.277t。20190628和20190827降雨径流事件产生NH4+-N流失负荷分别为1.08kg、0.01kg，NO3－-N流失负荷17.52kg、10.39kg，DTN流失负荷19.12kg、10.87kg，TN流失负荷22.07kg、11.61kg，PO43—-P流失负荷0.1kg、0.02kg，DTP流失负荷0.14kg、0.03kg，TP流失负荷0.94kg、0.08kg。年内流失负荷主要集中在3月至9月的汛期。降雨过程中颗粒态磷流失程度明显大于非降雨期。20190628降雨径流事件的氨态氮和磷流失比20190827事件更为显著。下牢溪流域营养盐的流失主要是源于降雨过程，降雨产生的直接径流以地表径流为主时，磷流失和氨态氮流失更为严重。在喀斯特地区耕地的地表径流系数高于林地，并且喀斯特地貌土层薄，土壤抗侵蚀能力差，在降雨条件下耕地区域因水土流失增加了河水中的含氮量。土地利用方式对营养盐输出形态的影响显著，有着完好的森林植被的林地，沿岸植被的枯枝落叶的分解随着降雨径流进入水体，溶解态氮流失负荷较高，而土壤中颗粒态氮磷肥量含量高且易水土流失的耕地，颗粒态氮、磷流失负荷较高。