基于径流-侵蚀脉冲事件的非点源养分污染负荷研究

径流-侵蚀是半干旱地区非点源养分污染的主要途径，流域单元非点源养分污染负荷诊断是综合流域管理思想下确定最大养分污染排放负荷的重要前提。本研究以北京山区为研究区，通过遥感图像分析、农村社会调查及乡镇统计资料分析和地理空间数据的分析，揭示各子流域的景观格局、生态系统养分净输入及土壤养分库的空间分布特征；选取水土流失监测网中的典型小流域和坡面径流观测场，研究不同景观格局和土地利用类型下，流域及坡面的非点源养分的径流-侵蚀流失的年际和季节动态；在较为成熟的降水-径流-侵蚀模型基础上，结合降水事件中高时间分辨率的径流、土壤水蚀及可溶性和颗粒状不溶性氮、磷浓度变化的观测，并综合考虑流域景观格局、生态系统养分净输入及土壤养分库，建立基于径流-侵蚀脉冲事件的流域非点源养分污染负荷模型；将模型与监测相结合，研究流域氮、磷养分径流-侵蚀污染负荷的空间分布规律，为非点源养分污染的综合流域管理提供科学依据。

径流-侵蚀事件中的养分流失过程是半干旱半湿润地区非点源养分污染的关键过程。以北京山区和滦河流域上游为研究区域，将流域生态系统景观格局分析、生态系统养分输入输出调查、坡面与流域尺度监测及模型研究相结合，研究了北京地区人类活动的生态系统氮、磷养分的净输入规律，典型子流域和坡面的养分径流-侵蚀流失的年际和季节动态，非点源养分污染负荷模型，以及相关研究区域养分径流-侵蚀污染负荷分布规律。结果表明，从1991-2007年生态系统净氮输入（NANA）的空间分布来看，北京市氮累积量较高的地区是城区中心，北京市的东南部氮累积明显高于西北部。从1991年到2007年，整个北京地区NANA的平均值呈现下降趋势。大气沉降氮是整个北京地区NANA的最主要来源，占总NANA的51％，其次依次为氮肥的施用、净人类食物和动物饲料的氮输入\输出、河流的氮输入\输出和氮固定。北京地区生态系统磷的净输入（NAPA）结果表明，1991、1997、2003、2007四个时间段，北京地区NAPA的平均值分别为777、943、1218和1084 kg P km-2 y-1,其中城区的NAPA平均值较高，达5526 kg P km-2 y-1, 而门头沟区则为负值，即NAPA为净输出34 kg P km-2 y-1. 化肥施用是NAPA的最大来源，占磷输入的40.7% (455 kg P km-2 y-1), 另外两个主要的磷输入是非食物磷以及人类食物和动物饲料磷输入.在降雨引起的土壤侵蚀而导致的养分流失方面，同为10m的径流小区，全氮和全磷具有类似的流失规律，10m径流小区可减少全氮流失量在50.5%-91.4%，全磷流失量在31.8%-75.8%；对于同为20m的径流小区来说，可减少全氮流失量在64.4%-74.9%，全磷流失量在40.6%-87.3%. 在滦河流域的柳河子流域的观测表明，径流-侵蚀引起的河流养分浓度变化、养分浓度与流量关系变化以及不同养分类型对暴雨的响应模式等存在明显差异。这些差异可能是多种因素影响造成的，如溶解态和颗粒态养分的移动性差异，降雨强度和历时，不同类型养分污染源，陆地和河道养分传输路径特征等。构建了以降雨-侵蚀事件为主要机制的流域非点源污染养分负荷模型，在柳河流域得到较好的验证，并成功模拟了不同水文年型及汛期与非汛期的养分负荷。