小流域氮输出对土壤水分动态变化的响应

Nitrogen output is the important sources of non-point sources pollution. The process of Nitrogen migration in the surface flow and interflow is closely related to the soil moisture dynamic change in different drought-wet season, however, the research on the effects of soil moisture quantitative expression in watershed scale to nitrogen output remains to have a further exploration. This paper focus on the Hujiashan watershed in the Danjiangkou Reservoir is located on the Han River, the largest tributary of the Yangtze River, and is the water source for the Middle Route Project under the South-to-North Water Transfer Scheme. Based on the establishing of soil moisture - nitrogen pollution output observation system from the sampling point to the belt transect, we analyze the dynamic change of soil moisture and nitrogen output in different time scales (individual rainfall, month, season, year), respectively. Combined with the influence of human activities on nitrogen input and output, we analyze the effect of soil moisture spatial and temporal heterogeneity on the dynamic change of nitrogen output, and then discuss the process mechanism of nitrogen loss under different space-time condition. Finally, by using of scaling up method and model simulation, we will illustrate the response mechanism of nitrogen output to the changed soil moisture in the watershed scale, compare the contribution degree of precision simulation by parameter transplanting and quantitative expression of soil moisture in the model. This research can provide scientific basis for scientific and reasonable to control non-point source pollution.

氮输出是水体面源污染的重要污染源。氮素从土壤向地表水和地下水迁移的过程与土壤水分在不同干湿季节的动态变化密切相关，在坡面尺度上有关土壤水分动态变化对氮输出影响的研究较多，但是扩展到流域尺度上的研究还有待深入探索。本课题以南水北调中线工程水源地——丹江口库区胡家山小流域为研究对象，以景观背景为基础，建立子流域从样点到样带的土壤水分—氮污染输出整体观测体系，通过不同时间尺度（次降雨尺度、月尺度、季节尺度、年尺度）取样调查，统计田间施肥情况，运用空间分析、尺度扩展和模型模拟等多种方法，研究土壤水分时空异质性对氮输出的影响规律，结合人类活动对流域氮素输入输出现状，探讨不同景观背景下氮素流失的过程机理，对比参数替代方法（前期降水和干旱指数）与土壤水分定量表达对提高模型模拟精度的贡献水平，阐明流域尺度上氮输出对土壤水分动态变化的响应机制，为科学合理地控制面源污染提供科学依据。

土壤中流失的营养物质通过径流过程进入收纳水体，形成面源污染，而随着农业生产中农药、化肥的大量使用，氮输出已成为水体面源污染的重要污染源。土壤含水量（SMC）决定着降水的入渗梯度和产流状况，对研究流域的氮输出变化具有重要意义。丹江口水库是南水北调中线工程水源地、国家一级水源保护区，对水质状况要求极高，本项目以丹江口库区胡家山小流域为研究对象，在选取的11个典型代表坡地上，采用土壤水分测定仪器在不同坡位不同土层厚度（0-10cm、10-20cm，20-40cm、40-60cm、60-80cm）进行土壤含水量长期监测，同时定时测定土壤养分和溪流水质。结果表明，胡家山小流域的SMC、SOM、TN、TP、NO3-N、NH4+N的空间变异程度主要受土地覆被类型和土层厚度影响，为中等变异；SMC的时间变异性主要受降雨量影响，11-5月期间各土层SMC波动幅度不大，6-10月受强降雨时间和蒸散发影响，SMC剧烈波动，但是相对于降雨事件，SMC存在一个滞后期。对比分析不同覆被类型SMC对降雨事件的结果表明，在强降雨条件下，林地0-10cm SMC对降雨的响应程度最小，60-80cm层对降雨的响应程度最大，且林地的响应速度远远高于低覆被地和耕地；低覆被地10-20cm层对降雨的响应程度最大，20-40cm层对降雨的响应速度最大，60-80cm层对降雨的响应速度最小；耕地表层的SMC对降雨响应程度最大，40-60cm层的响应速度最大。以SMC、降雨量和土壤养分含量作为环境因子，溪流水质作为响应变量进行关联分析。结果表明，影响溪流水质的环境因子主要是土SOM、TN、TP、SMC和降雨量，其中其关键作用的环境因子为TN和降雨量，共占整体环境变量解释量的77.6%。选择豆科白花三叶草、红花三叶草，禾本科狗牙根、高羊茅、百喜草、白茅6种本土草本植物，基于生态位原理以单播和混播的方式构建的草皮缓冲带模拟径流冲刷实验结果表明：单播狗牙根和白花三叶草对径流中的SS（61.88%）、TN（31.11）、TP（25.60%）有较高的去除率；混播方式中以白三叶25%+狗牙根37.5%+高羊茅37.5%这一类混播对径流中的SS（66.33%）、TN（30.74）、TP（27.06%）去除效果最好。