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九龙江典型小流域氮输出对土地利用及水文季节性变动的响应

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 气候变化主导的水文过程对河流水质的影响

1.2.2 土地利用对河流水质的影响

1.2.3 流域营养盐通量的研究

1.2.4 研究方法综述

1.2.5 研究存在的问题

1.2.6 主要科学问题

1.3 研究目标及内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 技术路线

1.5 论文结构安排

第2章 研究区概况、数据来源及研究方法

2.1 研究区概况

2.1.1 九龙江流域自然概况

2.1.2 九龙江流域社会经济概况

2.2 数据及资料来源

2.2.1 遥感数据来源及处理

2.2.2 水质监测与分析

2.3 研究方法

2.3.1 水质时空变异特征分析方法

2.3.2 流量的模拟

2.3.3 通量的计算方法

2.3.4 水质影响因素分析

2.3.5 软件应用

第3章 九龙江流域氮浓度的时空动态变化特征分析

3.1 氮浓度的季节变化特征

3.1.1 氮浓度的月际变化

3.1.2 氮浓度四季变化特征

3.1.3 不同季节水质差异性检验

3.2 九龙江流域氮浓度的空间变化特征

3.2.1 典型小流域氮浓度的空间变化特征

3.2.2 汇流点氮浓度的空间变化特征

3.2.3 不同土地利用类型小流域水质的差异性检验

3.3 九龙江流域DIN组分的时空变化特征

3.4 九龙江土地利用比例与氮浓度的关系

3.5 讨论

3.5.1 九龙江流域氮浓度的季节变异特性

3.5.2 九龙江流域氮浓度的空间变异特性

3.6 管理启示

3.7 本章小结

第4章 九龙江流域氮输出的时空变化特征分析

4.1 九龙江流域流量的模拟

4.2 四种常规方法计算九龙江流域氮的通量

4.3 九龙江流域Smith方程的校验

4.4 九龙江流域氮输出的时空变化特征

4.4.1 九龙江流域氮输出的月际变化特征

4.4.2 九龙江流域氮输出的季节性变化特征

4.4.3 九龙江流域氮输出的空间变化特征

4.4.4 九龙江流域DIN组分输出比例

4.4.5 不同土地利用情景下的流域氮输出

4.5 讨论

4.5.1 通量计算方法

4.5.2 氮输出的空间差异性

4.5.3 氮输出的季节差异性

4.5.4 有关Smith方程

4.6 管理启示

4.7 本章小结

第5章 九龙江流域氮输出的影响因素分析

5.1 基于Pearson相关分析识别氮输出与环境变量的关系

5.2 流量与氮通量的关系

5.3 九龙江流域氮输出与环境变量的关系

5.3.1 九龙江流域氮输出与第一产业GDP的关系

5.3.2 九龙江流域氮输与氮肥施用量的关系

5.3.3 九龙江流域氮输出与农业用地比例的关系

5.3.4 九龙江流域氮输出与林地比例的关系

5.3.5 九龙江流域氮输出与建设用地比例的关系

5.4 讨论

5.4.1 土地利用对流域氮浓度及氮输出的影响

5.4.2 水文状况对流域氮浓度及氮输出的影响

5.5 管理启示

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 特色与创新

6.3 不足与展望

参考文献

致谢

硕士学习期间参加课题与论文发表情况

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摘要

在过去的几十年里,世界范围的大部分地区都经历了由于进入近海的河流氮通量的大量增加而导致的富营养化和其它生态损害。氮、磷作为限制性营养盐,控制着河流—近海系统富营养化,威胁着我们所依赖的生态系统服务与功能。河流营养盐状况是植被、土壤、地形、气候、土地利用状况等自然和人为因素综合作用的结果,这些因素在不同时空尺度内交互作用,使得河流营养盐输出的影响机制研究更具挑战性。本研究开展亚热带流域氮输出对土地利用及水文状况季节性变动的响应,可为流域综合管理和区域用水安全提供科技支撑。
  本研究通过现场监测、GIS技术、数理统计、模型模拟等方法,基于2015年3月-2016年2月持续一年两周一次的九龙江流域不同土地利用主导(自然、农业和城市三种类型)的典型小流域河流氮指标(总氮、硝态氮、铵态氮、亚硝态氮)浓度监测,探究流域氮浓度与氮输出的时空差异性,揭示亚热带近海流域河流营养盐输出对土地利用和水文季节性变动交互控制的响应机制,取得如下主要结论:
  九龙江流域氮指标浓度具有明显的时空动态变化特征。九龙江流域氮指标(TN、NO3--N、NO2--N、NH4+-N)浓度在春季最高,夏季有所降低,秋季最低,冬季又有所升高,但具体到源头小流域时不同氮指标在不同季节表现存在较大差异。三种类型小流域(城市、自然、农业)的TN、NO3--N、NH4+-N、NO2--N浓度在对应季节(春、夏、秋、冬)均存在显著的空间差异性;TN浓度在3类流域、NO3--N浓度在自然流域和城市流域、NH4+-N浓度在农业流域、NO2--N浓度在自然流域均存在显著的季节性差异。整体上,九龙江干流氮指标浓度大于支流,农业流域>城市流域>自然流域。源头小流域中,农业流域花山溪的TN和NO3--N浓度最高,龙山溪的NH4+-N和NO2--N浓度最高;汇流点中,郑店的TN和NO3--N浓度最高,北4的NH4+-N和NO2--N浓度最高,且西溪出口郑店的氮指标浓度较北溪出口浦南的高。
  九龙江流域的氮输出(总氮、硝态氮、铵态氮、亚硝态氮通量)存在较大的时空差异。研究期间九龙江流域全年总氮输出为34918吨,西溪出口郑店占66%,北溪出口浦南占34%,并且位于西溪流域的花山溪总氮输出量为12435t,达到西溪输出量的54%;对于单位面积的流域氮输出而言,西溪各流域仍高于北溪流域,西溪出口郑店的总氮输出量为6730kg/km2/yr,北溪出口浦南的总氮输出量为1411 kg/km2/yr,西溪为北溪的4.8倍,其中氮输出量最高为农业流域,最低为自然流域。另一方面,城市小流域和自然小流域的氮输出在冬季最高,秋季其次,夏季最低;而在农业小流域中,夏季的氮输出最高,秋冬其次,春季最低,且花山溪对应季节的总氮和硝态氮输出要高于其他各个小流,龙山溪对应季节的铵态氮和亚硝态氮输出较其他各个小流域高;总体来讲,农业小流对应季节的氮输出较城市小流域和自然小流域的高。
  九龙江流域氮输出受人为因素和自然因素的综合影响,其中河流流量和土地利用方式对氮输出的影响较大。九龙江流域氮浓度和氮通量与环境变量的Pearson相关分析发现:林地比例与总氮和硝态氮浓度及通量均呈显著负相关,而流域内单位面积第一产业GDP、单位面积氮肥施用量、单位面积径流量以及农业用地比例与氮通量、总氮和硝态氮浓度均呈显著正相关,畜禽养殖量也与铵态氮和亚硝态氮浓度呈显著正相关,且日流量与氮通量有显著的正相关关系。
  全球均值法、线性插值法、流量权重法、流量特性曲线法得出的氮通量存在些许差异,但方法变异系数均低于7%,均可用于九龙江流域的氮通量计算,其中流量特性曲线法对采样频率有较强的依赖性;另一方面,经校验的Smith方程也可以用于九龙江流域溶解态无机氮(DIN)通量的计算,Smith方程得出的DIN通量与观测的DIN通量线性拟合系数达到0.81,计算结果良好,可以应用于九龙江流域DIN输出预测。

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