規模化凍融農區水文特徵及非點源污染效應研究

《規模化凍融農區水文特徵及非點源污染效應研究》是依託北京師範大學，由歐陽威擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：規模化凍融農區水文特徵及非點源污染效應研究
• 依託單位：北京師範大學
• 項目負責人：歐陽威
• 項目類別：面上項目

項目摘要

隨著流域水環境管理要求的提高，農業非點源時空特徵及控制分析逐步得到重視。在我國凍融地區，由於特殊的自然環境和規模化大地塊的耕作模式，使得區域農業非點源污染的產生和遷移均存在較大的特異性和挑戰性。本項目擬選擇一個規模化凍融農業小流域，在已有田間尺度觀測的基礎上開展規模化農區小流域生態水文特徵、凍融過程溫度驅動的徑流發生特徵及其對農業非點源氮磷污染的傳輸機制研究。採用土壤-作物-氣象-生態水文監測網路甄別小流域規模化農區不同於常規小型農田地塊的生態水文特徵和非點源氮磷流失規律、分析凍融過程對土壤水分和氮磷物質遷移的作用機制。在生態水文和物質遷移觀測的基礎上開展機理分析，改進傳統的以降雨為驅動的分散式水文模型，得到降雨-溫度雙因子驅動分散式水文模型，並運用監測和歷史數據進行率定和最佳化。使其能客觀描述規模化凍融農區生態水文過程及其對非點源氮磷污染的作用特徵，為區域非點源污染控制提供效益評估和建議。

結題摘要

選取凍融農區主要農田利用類型——水田和旱田為研究重點，基於作物生長季的長期原位試驗，分析土壤水的時空分布特徵及其對氮磷的遷移作用，探討白漿層土壤對水分分布的作用；分析水田和旱田氮磷流失潛能差異；在此基礎上，建立適宜於水田和旱田的參數的生態水文模型，探討田間水文特徵及作物水分回響；基於非作物生長凍融期的連續監測，分析水田和旱田的凍融特徵和水分運移機制；在研究基礎上，根據水田和旱田的實際情況，基於作物水分回響模型進行多目標混合最佳化問題的決策。 通過解譯LANDSAT TM影像獲得研究區域多期的土地利用情況，基於解譯結果建立土地利用轉移矩陣，分析土地利用變化情況。同時利用SWAT模型和GRACE重力衛星數據分別對小尺度及大尺度的區域水資源動態進行了模擬和反演，再結合土地利用變化情況分析農業發展中區域水資源對土地利用變化的回響。 以非作物生長凍融期連續5個月的實時監測不同深度土壤溫度和土壤含水量變化，分析水田和旱田土壤凍結的冰點、最低溫度出現的深度、土壤水分運移，以及土壤水分在土層的聚集，結果發現有顯著差異。土壤凍結開始時土壤含水量很大程度上決定了凍融期土壤水分運移量。水分向凍結鋒面的運移使水田和旱田各層土壤的含水量在土壤溫度達到冰點之前就有所降低。與旱田相比，水田的凍結溫度高、凍結期短，凍融末期水田淺層水分聚集量比旱田高2.76mm。經過冬季，水田和旱田土壤有效氮和總磷含量略有增加，說明作物收穫後到開始凍融，直至凍融末期，某個時刻土壤中的氮磷含量可能有增加。 分析了土壤水分在具有特殊白漿層的水田和旱田土體中的分布特徵及其對氮磷運移的潛在影響；量化了田間尺度水田和旱田營養物環境效應的差異，為點位和區域尺度上水田和旱田養分的合理調控提供依據。率定和驗證了能細緻表征田間水分運移的農田生態水文模型SWAP在我國三江平原水田和旱田水分運移和作物生長模擬過程的適應性，對水田和旱田土壤特徵、水稻和玉米生育期、生物量等參數進行了修正。證實了土壤含水量對於凍融過程特徵的表征能力，強調了將農田土地利用類型與凍融過程相結合的作用對凍融期水土界面上水分動態變化特徵的影響。為補充凍融條件下水文特徵提供了科學依據，同時也是區域農業管理的基礎。