黄土高原小流域吸附态非点源污染过程模拟与调控研究

Loss of nitrogen and phosphorus in soil and water loss area of the Loess Plateau not only reduces the utilization rate of fertilizer, but also is a potential threat to aquatic environments. In order to explore the process of nonpoint source pollution of soil and water loss type in the watershed of Loess Plateau, this study focuses on different land use types in a typical small watershed, and takes infiltration excess runoff and soil erosion condition as starting point, to (1) establish a distributed, watershed-based, dynamic simulation method of adsorbed nonpoint source pollution in the Loess Plateau and investigate the distributed coupling effects of processes of hydrology, soil erosion and adsorbed nonpoint source pollution; (2) classify the formation process of non point source pollution of soil and water loss type; (3) reveal the transport mechanism of adsorbed nitrogen and phosphorus on the basis of field observations and estimate subtractive effects of the agricultural planting structure on loss of soil nitrogen and phosphorus; and (4) present a more complete simulation and regulatory framework of adsorbed nonpoint source pollution in a small watershed of the Loess Plateau. This study will improve the theory of adsorbed nonpoint source pollution model, and provide theoretical basis for the distributed simulation of nonpoint source pollution for multi-scale watersheds in the Loess Plateau.

黄土高原水土流失区土壤氮磷流失，不仅降低了化肥的利用率，对水环境也存在潜在的威胁；为探索黄土区小流域吸附态非点源污染过程，本项目以典型小流域为研究对象，以不同土地利用类型为研究单元，从黄土区超渗产流和侵蚀条件入手，构建黄土区小流域吸附态非点源污染动态联合模拟方法，系统研究水文过程、土壤侵蚀过程与吸附态非点源污染过程的分布式耦合响应；结合野外监测，阐明黄土区典型小流域水土流失型非点源污染形成过程，揭示泥沙携带非点源氮磷运移机理，估算不同农业种植结构优化对黄土区小流域吸附态氮磷流失的消减效果，评价种植结构变化对氮磷流失的影响，提出一套较完整的黄土区小流域水土流失型非点源污染模拟与调控方法框架。该研究将形成较为系统的黄土区小流域水土流失型非点源污染分布式联合模拟方法，丰富非点源污染模型理论体系，为实现黄土高原多尺度流域水土流失型非点源污染的分布式模拟研究提供理论依据。

黄土高原水土流失区土壤氮磷流失，不仅降低了化肥的利用率，对水环境也存在潜在的威胁。为探索黄土区典型流域吸附态非点源污染过程，本项目从黄土区超渗产流和侵蚀条件入手，在构建SLURP分布式水文模型的基础上，对比提出了适合黄土区流域尺度的半月侵蚀力计算方法；改进并建立了基于分布式水文模型、充分考虑降雨侵蚀力及上下游泥沙输移过程的非点源污染输出系数模型；提出了基于GIS、泥沙搬运力、考虑下垫面阻碍作用的流域泥沙输移比新计算方法，构建了计算简便、物理意义清晰、考虑农业种植结构变化、水文与人类活动影响、适用于黄土丘陵沟壑区的水—沙—吸附态非点源氮磷流失分布式动态模拟方法。系统研究了水文、土壤侵蚀及吸附态非点源污染过程的分布式耦合响应特征。.结果表明：① 1995~2012年间马家沟流域逐年输沙量整体呈减小趋势，侵蚀产沙模型改进前后2009-2012年平均泥沙输移模数分别为4574.62 Mg/km2 和 1696.1 Mg/km2，与治理初期（1995~1998）相比减少了约35.4% 和 78.2%，而2013年7月出现的“百年一遇”暴雨是导致该年出现侵蚀产沙极大值的最主要因素。② 马家沟流域吸附态非点源N、P负荷也呈现出逐年减小的趋势，近5年（除2013年）平均吸附态非点源N、P负荷分别为33.61 t/a 和44.72 t/a，与治理初期（1995~1998）相比减少了约78%。③ 马家沟流域土壤侵蚀与吸附态氮磷流失空间分布格局基本一致，均以从流域西北部向东南部贯穿整个流域的河流沿岸两侧为N、P负荷流失高风险区域，且距离河道越近，吸附态N、P非点源氮磷流失越明显。④ 1997年退耕措施实施以来，延河流域的非点源氮磷负荷呈逐年减小的趋势，近4年(2009-2012)流域平均氮磷负荷分别为2372.8 t/a与3618.6 t/a，与治理初期（1995~1998）相比分别减少了约83.1% 和80.7%; 退耕前延河上游流域氮磷流失较大，退耕后延河中下游流域非点源氮磷流失有增加趋势；旱地仍然是黄土丘陵区非点源氮磷流失的关键源区。⑤ 初步形成了一套较完整的黄土区水土流失型非点源污染模拟与调控方法，以期为黄土丘陵区多尺度水土流失型非点源分布式模拟研究提供科学依据。