我国三个典型流域人类活动净氮输入量估算及其影响因素

目的 人类活动氮素过量投入是引起面源污染的重要原因之一。阐明人类活动净氮输入量的时空分布特征及其影响因素,为解决面源氮素污染问题提供数据支持。方法 利用人类活动净氮输入量（net anthropogenic nitrogen input,NANI）模型,通过统计年鉴和文献综述获得NANI相关数据和参数,对农业化的香溪河流域、城镇化的太湖流域和全面推进农业绿色发展模式的洱海流域的净氮输入量进行评估。结果 从NANI强度上看,3个典型流域NANI平均值按照大小排序为：太湖流域（13 241 kg·km^-2·a^-1）、香溪河流域（2 183 kg·km^-2·a^-1）、洱海流域（1 582 kg·km^-2·a^-1）。从来源上看,氮肥施入（Nfer）和食品/饲料氮（Nim）是NANI最大来源,占比58%—97%,对NANI贡献从大到小排序为：氮肥施入、食品/饲料氮输入、氮沉降输入、作物固氮输入。从时间尺度看,2019年同2010年相比,香溪河流域NANI中食品/饲料氮输入比例下降23个百分点,氮沉降比例上升34个百分点;洱海流域NANI中氮肥施入比例下降86个百分点;太湖流域NANI中食品/饲料氮输入比例上升31个百分点,作物固氮量和氮沉降输入比例下降14个百分点和12个百分点。从影响因素上看,3个典型流域NANI与城镇人口密度均呈现显著相关性（P<0.05）,且随城镇人口密度的增加NANI随之升高;耕地面积占比与NANI的拟合上,香溪河流域有显著影响（P<0.05）,但洱海流域和太湖流域均无显著影响（P>0.05）。结论 香溪河流域中昭君镇、峡口镇和黄粮镇,洱海流域中下关镇、上关镇和凤仪镇,太湖流域中张家港市、嘉兴市秀城区、杭州市拱墅区和上海市南汇区是NANI的关键源区;以农业为主的香溪河流域化肥施入是NANI的主要来源;城镇化程度较高的太湖流域食品/饲料氮和肥料氮投入是NANI主要来源;农业绿色发展措施可显著减少人类活动净氮输入量。因此,在关键源区大力推广农业绿色发展措施,同时有效降低饲料和肥料的投入量,有利于控制农业面源污染。     

亚热带区域农业面源污染流域源头防控机理与技术示范

日益剧增的农业面源污染使得亚热带流域环境可持续管理面临巨大挑战。亚热带红壤丘陵地区的丰富降水、复杂多样土地利用方式和高强度氮磷投入,导致了该地区水文过程、氮磷元素生物地球化学过程、以及氮磷污染物迁移转化规律的复杂性。从"十一五"至今,我们以亚热带丘陵区典型金井小流域为对象,研究建立流域多尺度环境监测系统,准确定量流域氮磷平衡特征,精确解析流域氮磷迁移规律与输出通量;构建以水文和氮磷过程为主要对象的分布式栅格流域生源要素管理模型(CNMM),制定流域氮磷环境安全控制标准,开发流域环境安全评价和污染源头防控决策支持系统;研发针对农田养分流失、分散型农村生活污水和养殖业废水的绿狐尾藻生态湿地消纳技术,探索农业氮磷减控关键途径,构建流域面源污染源头防控技术体系,并进行了大规模的推广应用与示范。这些结果将巩固和加强亚热带区域农业面源污染流域源头防控的应用基础研究,为实现流域环境的生态管理、质量恢复和生态系统服务功能提升提供理论依据。     

基于关联规则的土壤重金属积累与土地利用方式的关联分析

[目的]探明土壤重金属污染的外源因素。[方法]以4种土地利用方式（粮田、蔬菜地、果园及林地）下的356份土样为材料,采用关联规则法定量分析土壤重金属含量与土地利用方式的关联性。[结果]土样中As、Cd、Cr、Cu和Hg的平均含量分别为8．65、0．20、53．12、20．89、0．14mg／kg,其中As、Cr、Cu含量受土地利用方式的影响较小,Cd和Hg含量受土地利用方式的影响较大;不同土地利用方式引发重金属As、Cr、Cu积累的概率小于22％,而引发Cd和Hg积累的概率介于32．0％～44．9％。[结论]监测区域土地利用方式有造成土壤重金属Cd和Hg积累的趋势。     

土壤微生物量碳周转分析方法及其影响因素

简述了目前国内外常用的3种测定土壤微生物生物量C周转分析方法及其影响因素、改进的土壤微生物生物量C周转动力学测定方法及其应用前景,并分析了国内外不同生态环境、土壤质地和耕作管理制度等的土壤微生物生物量C周转的研究结果。     

亚热带丘陵小流域氮平衡及调控对策

以位于湖南省长沙县的两个亚热带丘陵小流域(约50 km2)为目标区域,综合2012—2014连续3年的野外定位观测、入户调查及统计数据资料,建立氮素收支框架模型,定量分析了农区和森林-农区小流域氮素的输入、输出特征及主要影响因素。结果表明:农区小流域氮素的输入、输出以及盈余强度平均分别为312.0、165.1、146.9 kg·hm~(-2)·a~(-1);森林-农区小流域氮素的输入、输出以及盈余强度平均分别为160.2、83.3、76.9 kg·hm~(-2)·a~(-1)。两个小流域具有较为类似的输入输出结构:饲料与肥料是亚热带小流域N输入的主要来源,合计占73.4%(农区)和63.9%(森林-农区);氨挥发与反硝化等N的气态损失是流域N输出的主要形式,平均占50%以上,而产品输出仅占N输出的1/4~1/3。减少化肥投入与适当控制畜禽养殖规模是控制小流域氮输入的主要途径,采取相应的技术措施减少N气态损失及增强N的流域内循环是提高小流域N利用效率和防控农业面源污染的主要措施。     

亚热带小流域浅层地下水不同形态氮含量的时空变异特征

为了定量研究流域尺度上氮素(N)形态的时空变异特征,以湖南省长沙县亚热带湘江源头小流域(134.4 km~2)为研究对象,2011年(1—12月)定位观测了小流域菜地、茶园、旱地、林地、两季稻田和一季稻田6种土地利用类型下浅层地下水总氮(TN)、硝态氮(NO_3~--N)、铵态氮(NH_4~+-N)浓度的动态变化,运用空间分析技术分析了各观测指标的时空变异特征。结果表明:研究区浅层地下水NH_4~+-N、NO_3~--N和TN均具有强烈的空间自相关性(块金系数分别为0.76%、8.50%、4.41%),结构变异占主导地位,变程分别为540、580、570 m。小流域浅层地下水TN、NH_4~+-N和NO_3~--N月均浓度变化趋势不尽相同,TN和NO_3~--N月均浓度的动态变化相对比较平缓,而NH_4~+-N的变幅较大,TN和NH_4~+-N的峰值出现在2011年7月,NO_3~--N无明显高峰;TN、NO_3~--N和NH_4~+-N的平均浓度分别为2.97、1.12 mg N·L~(-1)和1.32 mg N·L~(-1)。研究区浅层地下水N的浓度分布特征与土地利用类型关系密切,茶园、稻田为浅层地下水N分布高浓度区,且茶园地下水N浓度最高,林地为N分布低浓度区。     

土壤重金属污染风险预测研究进展

对土壤重金属污染评价及预测的3种主要技术理论进行了阐述,评述了3种技术理论的优缺点,并进一步分析了土壤重金属污染风险预测不确定性的研究方法及影响因素。     

点源时间序列数据缺失值的估值方法比较——以小流域气象和水文数据为例

对点源时间序列数据缺失值进行有效估值能提升其数据质量。为探究不同估值方法对点源时间序列数据缺失值的估值效果及其影响因素,以亚热带典型小流域长期定位观测的每日气象和水文数据（最高气温、最低气温、太阳辐射量、降雨量及地表径流量）为例,以均方根误差（RMSE）、绝对平均误差（MAE）和Pearson相关系数（r）为性能验证指标,比较了线性内插法（LIM）、K-最近邻插值法（KNNM）、样条插值法（SIM）、多项式插值法（PIM）和核密度估值法（KDEM）5种估值方法的估值性能差异及其主要影响因素。结果表明：（1）LIM、SIM和KDEM的估值性能总体上优于其它2种方法;（2）5种估值方法对气象数据（最高气温、最低气温和太阳辐射量）缺失值估值的RMSE为1.81～6.35,MAE为1.30～4.20,r为0.70～0.98（P＜0.05）,而对水文数据（降雨量和地表径流量）缺失值估值的RMSE为12.54～26.28,MAE为3.60～14.21,r为0.07～0.72。可见,各估值方法对气象数据的估值性能强于对水文数据;（3）上述数据集的变异系数（CV）与估值评估指标（RMSE、MAE及r）线性相关（P＜0.05）,是影响估值性能的重要因素。     

县域尺度土壤有机碳储量估算的样点密度优化

县域是我国国家尺度土壤碳库估算的基本地域单元,合理的土壤样品采集密度是保证估算精度要求的基础。以桃源县为例,设置4.70、0.90、0.60、0.40、0.25、0.15、0.10和0.05个km-2共8个样点密度梯度,利用经典统计学和地统计学方法,研究样点密度对县域尺度土壤有机碳库估算精度的影响。经典统计表明,随着样点密度的降低,重复抽样下土壤有机碳均值及其变异系数的波动逐渐增大,标准误差呈幂函数增加(Y=0.025X-0.47,R2=0.97,p0.01)。地统计学分析表明,随着样点密度的降低,块金值和基底效应逐渐增加,偏基台、变程和决定系数的波动幅度逐渐增大,拟合残差呈幂函数增加(Y=0.001 4X-1.66,R2=0.56,p0.05);土壤有机碳空间分布的局部差异逐渐被弱化,重复抽样下县域土壤有机碳库储量及其平均误差的波动逐渐增强,均方根误差呈幂函数增加(Y=0.77X-0.05,R2=0.59,p0.05)。从整体上看,样点密度小于0.15个km-2时,以上变化均急剧增强,土壤碳储量估算的精度快速降低。因此,综合科学、高效和经济方面的考虑,估算县域农田表层土壤有机碳储量的最佳样点密度为0.15个km-2。本研究结果可为开展区域尺度土壤有机碳野外调查提供辅助支持。     

亚热带丘陵小流域土壤碳氮磷生态计量特征的空间分异性

了解土壤碳氮磷生态化学计量特征的空间变异有助于土壤养分管理。以湖南省长沙县金井镇脱甲河小流域(52 km2)为研究区,系统分析了亚热带丘陵小流域表层(0~20 cm)土壤碳氮磷的生态化学计量特征及其空间变异性。该流域土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)平均含量分别为13.09、1.50和0.51 g kg-1,C∶N、C∶P和N∶P平均值分别为10.42、72.71和7.19,均具有高等变异水平和中等程度的空间自相关性。土壤C∶N、C∶P、N∶P高值区域主要分布在海拔高、人为干扰少和肥料使用少的林地区,而低值区主要分布在海拔较低、人类活动频繁以及化肥施用量大的农田区。菜地、茶园、林地和稻田等不同土地利用方式下,土壤C∶N∶P差异显著;在高海拔和陡坡地区,土壤C∶N∶P均明显偏高。这表明研究区域表层土壤碳氮磷比率的空间分异与土地管理措施和地形有着密切的关系。