地表和地下径流磷输出及其滞后研究

Phosphorus (P) control is a long-term task. The decrease of P contamination degree in many watershed are lagging far behind watershed P management since riverine P export is the common product of current P input and legacy P. Quantitative recognition the lag effect of P export in surface and ground water is essential to optimize the source-sink prevention and control strategies. However, the quantitative recognition the contributions of current P input and legacy P to surface and ground water P exports is still difficult based on current models or methods. Choosing Shanxi watershed as study area, the major aims of this project are 1) to quantify the contributions of surface and ground water to riverine P export, to identify the lag effect of riverine P exports from surface and ground water respectively, and to analyze the influences of soil P environmental sensitive index, underground water P concentration, land-to-water transport and in-stream decay conditions on the lag effect; and then 2) to connect riverine surface and ground water P exports with watershed P sources and spatial features, to establish watershed P migration model that containing lag module, and to solve the key scientific issues of quantification the contributions of current P input and legacy P to riverine surface and ground water P exports. The outcome of the proposed research can better understand the migration process of P at watershed scale, establish methodology for researching on lag effect of riverine surface and ground water P exports, and provide decision basis for watershed phosphorus management and water pollution control.

流域磷控制具有较长的周期，许多流域磷污染管控措施实施后，磷输出通量并非随之减少，原因是遗留磷的存在，使当前磷输出滞后于磷输入。定量识别地表和地下径流磷输出及其滞后程度对优化流域磷污染的源汇控制策略具有重要现实意义，然而，现行的模型和方法尚很难对当前磷输入和遗留磷的贡献进行定量。本项目将以浙江省珊溪水库流域为研究对象，定量计算地表和地下径流对河流磷输出的贡献，识别地表和地下径流磷输出的滞后特征，分析土壤磷环境敏感指标、地下水磷浓度、陆地-河流迁移和河流滞留条件等对滞后特征的影响；在此基础上，将地表和地下径流磷输出通量跟所在集水区的磷源和空间属性联系在一起，建立包含滞后模块的流域磷迁移模型，解决当前磷输入和遗留磷对地表和地下径流磷输出的贡献定量这个关键科学问题。完成本研究，将有望加深对流域尺度磷迁移过程的认识，建立一套地表和地下径流磷输出滞后效应的研究方法，为流域磷管理和污染控制提供科技支撑。

磷过剩是许多河流以及下游水体富营养化的重要原因，除了当前人类活动带来的磷输入，流域土壤中的遗留磷和地下径流磷补给也是河流磷污染的主要来源。明确人为磷输入、遗留磷和地下径流磷输出对河流磷输出的贡献，对优化流域磷污染的源汇控制策略具有重要现实意义。本项目以浙江省珊溪水库流域为研究区域，定量估算水库支流地表和地下径流磷输出通量，识别流域磷输出的滞后特征，分析土壤磷环境敏感指标、地下水磷、陆地-河流迁移和河流滞留条件等对河流磷输出滞后的影响，建立流域磷污染模型，以解决河流磷输出对当前磷输入、遗留磷、地下径流磷输出的响应定量这一关键科学问题。研究结果表明，尽管近十年珊溪水库流域人为磷输入由12.3 kg P ha-1 yr-1下降到了9.7 kg P ha-1 yr-1，降幅超过21%，但流域出口赵山渡水库出口磷浓度仍维持在II类水标准0.025mg L-1以上，磷输出通量为123t yr-1，约占输入量的5%，大量的磷滞留在流域土壤中或渗入到地下水中。水库上游河流大多属于山溪河流，其水量受基流补给强度较大，尤其是在枯水季节，地下径流的磷输出通量占各支流输出通量的50%以上。流域土壤中的有效磷平均含量为53.89 mg kg-1，磷活化系数超出了临界值2%，但由于流域内林地占总面积的65%，广泛分布的林地能够减少土壤流失，拦截、降解和固定大部分地表直接径流带来的磷。结合研究区基流磷养分贡献大的特点以及流域磷污染模型情景模拟结果，我们建议除了从长期角度应继续实施退耕还林、测土配方施肥等“源头控制”措施外，强化“河道过程拦截”措施比采用“陆地过程拦截”措施对短期内实现水体磷污染改善更加行之有效。通过本项目的实施，加深了我们对流域水体水质的根本性改善可能会是一个长期过程的认识，需要正确引导政府和民众对于水污染治理工作的预期，以保持对水质改善的信心和投入。