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。     

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。     

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。     

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(P0.05),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(P0.05),是影响估值性能的重要因素。     

稻草—绿狐尾藻复合人工湿地技术处理养猪废水综合效益分析

养殖废水环境污染已经成为影响畜禽养殖业可持续发展的主要瓶颈问题,受到社会各界的高度关注。以浙江绍兴某大规模养猪场(存栏生猪5万头)为例,采用稻草—绿狐尾藻(Myriophyllum elatinoides)生态治理技术,系统分析养殖场废水处理的综合环境效益和经济效益。结果表明:工程进水的化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)和总磷(TP)进水浓度变化范围分别为753~2 487.5、294.8~1 290、273.15~1 078和21.75~49.3 mg/L,而系统末端出水的COD、TN、NH4+-N和TP浓度最高依次为65、40.5、26和5 mg/L,全年工程系统对COD、TN、NH4+-N和TP的总去除率分别为96.4%、97.9%、99.3%和90.6%,且出水水质均显著优于国家养殖废水排放标准(GB 18596—2001)。从生态效益而言,稻草—绿狐尾藻生态治理技术对COD、TN、NH4+-N和TP的年减排量分别可达到53.0、29.1、25.4和1.1 t/万头。工程在正常运行条件下,还通过水产养殖、青饲料利用等途径每年可产生直接经济效益1.2万元/万头。研究表明,稻草—绿狐尾藻养殖废水生态治理技术是一项投资少、运行成本低、可产生一定经济效益的生态治污新技术,符合当前"环境友好"和"资源节约"的社会需求,显著优于一般的工厂化污染治理技术,值得推广应用。     

基于局部离群指数的土壤重金属污染评价方法

为评价土壤重金属污染，该文提出了一种局部离群指数方法。局部离群指数方法计算监测样点的局部离群指数，监测样点的局部离群指数越大，则该样点是污染样点的趋势越大。为确保算法的准确性，定义了深度离群点以及广度离群点；为减少算法处理海量数据的计算复杂性，开发了基于密度取样的数据过滤方法，以过滤数据分布致密的数据点而保留稀疏区域的数据点。以京郊农田重金属监测数据为实例，比较局部离群指数方法与内梅罗污染指数方法的评价结果的准确性，结果显示局部离群指数方法的评价结果与内梅罗污染指数方法的结果吻合，表明局部离群指数方法可作为一种有效的重金属污染评价方法。     

河北省表层土壤有机碳和全氮空间变异特征性及影响因子分析

【目的】在陆地生态系统中, 土壤全氮和有机碳是重要的生态因子。本研究基于土壤调查获得大量土壤剖面的空间和属性信息,研究河北的土壤有机碳和全氮的空间分布特征,为河北的土壤养分监测和管理提供科学依据,同时也为其他类似地区土壤采样提供参考,减少采样成本。【方法】运用传统统计学和地统计学分析方法,以变异函数为工具,初步分析了河北土壤全氮和有机碳的空间变异特征,并应用普通克立格法和回归克里格法进行插值, 得出全氮和有机碳含量的分布格局。【结果】研究区土壤有机碳和全氮的平均值分别为15.25 g/kg和1.23 g/kg,变异系数分别为0.73和0.63,属于中等强度变异。经对数转换后,土壤有机碳和全氮均符合正态分布。选择球状模型作为土壤有机碳和全氮的半方差函数理论模型,土壤有机碳和全氮的块金值/基台值的比值分别为1.8%和1.2%,有机碳和全氮的块金系数均小于25%,表明有机碳和全氮具有强烈的空间相关性。有机碳和全氮空间变异的尺度范围不同,分别为50.400 km和59.200 km。研究区的有机碳总体空间分布规律是有机碳在北部较高、南部较低,呈自北向南递减趋势,土壤全氮与有机碳的空间分布趋势相似,但有机碳的空间变异特征较全氮明显,这种空间分布格局主要受环境因子、 土壤质地、 土壤类型以及土地利用类型等的影响,其中环境因子中的气温和海拔对有机碳和全氮的影响较大。通过比较普通克里格和回归克里格的预测结果,回归克里格能较好地反映东南部有机碳和全氮较低地区的局部变异外,对于西北部的山区也能更好地反映碳、 氮与地形及气候等因素的关系。【结论】河北土壤有机碳和全氮的空间变异和分布特征较为类似,受地形地貌、 气候等因素的影响。通过比较普通克里格法和回归克里格法的空间预测结果,回归克里格法可以消除环境因子的影响,从而得到更准确的空间预测结果,因此建议使用回归克里格法进行预测,以期获得一个更为准确的土壤有机碳和全氮的空间预测结果。