饮用水水源地清洁小流域坡面养分流失防控措施配置与效益评价

【摘要】：饮用水源地农业面源污染的控制,不仅关系到生态环境问题,而且关系到饮用水安全问题。但是,目前针对坡面养分流失的机理与集成控制技术研究较为薄弱。 本研究即是针对云蒙湖库区面源污染现状,选定蒙阴县界牌镇云蒙湖大流域中双河峪小流域作为实验地,设计并布设了一系列针对坡面养分流失的防控措施体系,并对小流域坡面养分流失的治理效益进行了综合评价。 1针对坡耕地水土流失严重,容易产生面源污染的现状,布设了坡耕地垄间植草的处理措施,分别为：花生垄+垄间狗牙根、花生垄+垄间草木犀、花生垄+垄间黑麦草、花生垄+垄间三叶草、花生垄+垄间空白对照。试验结果表明： (1)花生地垄间植草能够有效控制水土流失,径流量为对照的55.1%～61.3%,其大小依次为花生+草木犀花生+狗牙根花生+三叶草花生+黑麦草；泥沙流失量为对照的3.4%～32.3%,其大小依次为花生十三叶草花生+草木犀花生+狗牙根花生+黑麦草。花生+黑麦草种植方式的控水、拦沙效果明显,植草初期泥沙流失量受降雨等因子的影响波动较大,拦沙率与对照相比差异较小,后期泥沙流失量不断减小并趋于稳定,拦沙率不断增加。花生地垄间植草较好地控制了磷素输出,总磷流失量为对照的52.8%～75.3%,其大小依次为花生+狗牙根花生+草木犀花生+三叶草花生+黑麦草。 (2)与对照相比,花生地垄间植草减少27.5%～67.0%的颗粒态磷输出,但相对提高了水溶性全磷的输出。花生+黑麦草种植方式控制磷素输出效果最优,TP输出为对照的58.4%,PP流失为对照的27.5%。在植被生长期,各形态磷素流失存在差异,整个雨季DP输出以水溶性无机磷为主,花生收获后首场降雨中各形态磷素的输出负荷远超过最大雨强降雨磷素输出负荷。 (3)垄间植草方式中土壤粗化指数、砂粒含量、总孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量、有机质及全氮含量出现了不同程度的升高,而容重、黏粒与粉粒、全磷含量呈现下降趋势；与空白对照相比,垄间植草明显改良了土壤理化性质,其中以花生+黑麦草处理效果最优,灰色关联度达到0.9319。 2针对梯田边坡由于降雨以及重力所造成的土壤侵蚀严重的现状,布设了梯壁植草处理措施,所配置的草种分别为：草木犀、苜蓿、狗牙根、三叶草、黑麦草、黄花菜以及空白对照。试验结果表明： (1)梯壁植草增大地表覆盖,通过植被冠层的截留减小雨滴对坡地表面的直接打击,进而降低了地表径流流速与近地面风速,减小径流的冲刷力和风力,进而减少径流中所携带的溶解态养分的流失；同时通过植被根系的束缚作用,增强表面土壤的抗蚀性与抗冲性,改善了土壤性能,进而减少土壤中颗粒态养分的流失。 (2)梯壁植草措施与空白对照相比可以明显改善土壤理化性质,黄花菜由于各项指标均为最优,因此其关联度达到了1,表明其各指标综合判断结果与决策矩阵最为接近,其改良土壤理化性质作用在6种不同植物篱系统中效果最优,其余依次为黑麦草(0.8742)三叶草(0.7312)苜蓿(0.6677)草木犀(0.6614)狗牙根(0.6577),空白对照小区灰色关联度结果为0.3749,改良土壤理化性质的效果最差。 (3)黄花菜由于其植被茂盛、根系发达,形成有利于微生物以及植被生长的微环境,同时也起到了削减降雨动能、调蓄地表径流、增加根部土壤的抗蚀性与抗冲性,使其在控制土壤养分流失与改善土壤理化性质方面均优于其他植被。 3针对果园砂质土壤下渗与蒸发速度快、土壤有机质含量低的现状,布设了果园树盘植草的处理措施,所配置的草种分别为：三叶草、黑麦草、狗牙根以及空白对照。试验结果表明： (1)树盘植草通过增加地面郁闭度,避免了阳光对地面的直接照射,降低了地表温度,进而也影响土壤水分蒸发。同时,其发达的根系以及地上腐殖层能够拦蓄较多的地表径流,增加径流入渗,进而保持相当一部分水分,形成巨大的“土壤水库”。 (2)与空白对照相比,树盘植草方式明显的改善了土壤中有机质以及N、P含量。其中,有机质与试验前所测数据相比增加了23.18%～37.14%,全氮含量增加了9.9%～20.7%,全磷含量增加了11.49%-14.44%。 (3)黑麦草属禾本科牧草,茎叶坚韧,株高5-10厘米,茎分蘖数达5株/cm左右,多株丛型发育,茎叶交叉程度高,从而提高了植被覆盖率,其地下部分根须密集,在增加雨水下渗改善土壤物理性质方面均优于其它植被,因此改善地表温度与水分的效果最为明显。同时,黑麦草由于本身对N、P的固定作用,使后期所测土壤中N、P含量增加明显。而其根系发达,枝叶茂盛,枯萎之后土壤所含有机质明显高于其他处理小区。 4针对小流域土地利用结构不合理的实际情况,借助GIS与线性规划模型,对小流域土地利用结构进行了基于氮磷输出风险控制的土地利用空间优化配置。结构表明： (1)采用单因子评价与综合评价相结合的方法进行中小尺度土地适宜性评价,评价方法更加简便、易于操作,各种参数获取的可行性高,与研究区特征更为一致。 (2)将优化分析能力占优的线性规划模型与具有强大空间配置功能的GIS有效耦合,充分弥补了线性规划模型与GIS的不足,使得土地利用优化配置结果既具有面积上的约束,同时又与具体的空间位置相匹配,增强了优化结果的科学性与可视性。 (3)将N、P等面源污染物输出风险纳入土地利用优化配置所考虑的因素当中,建立面源污染物输出最小与经济效益最大两个线性规划目标模型,使得土地利用优化配置结果兼顾了经济效益与环境效益的统一。 (4)对沂蒙山区典型小流域——双河峪小流域进行的土地利用优化配置及野外监测试验表明,园地具有较高的经济效益与相对较低的N、P输出风险,且在空间配置上具有较强的灵活性,因此,园地是影响该流域土地利用优化配置的重要因素,在优化配置中应对园地给予重视。 5综合不同坡面措施效益对比研究,得出坡耕地以垄间种植黑麦草方式、边坡以梯壁种植黄花菜方式、果园以树盘种植黑麦草的方式对流域土坡地进行水土保持措施布设,同时辅以土地利用的空间优化配置,使得小流域保水效益增加561.6m3,保土效益增加881.4kg,经济效益增加了21.391万元,生态效益中氮磷输出负荷减少了433.61g。 【关键词】：清洁小流域 水土流失 土地利用 沂蒙山区
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S157.2
【目录】：

• 摘要7-10
• Abstract10-14
• 1 绪论14-21
• 1.1 研究背景14
• 1.2 研究意义14-16
• 1.2.1 理论意义14-15
• 1.2.2 实践意义15-16
• 1.3 国内外研究现状和趋势16-19
• 1.3.1 清洁小流域研究进展16-17
• 1.3.2 坡面养分防控措施在清洁小流域治理中的研究进展及现状17-19
• 1.4 研究内容19-21
• 1.4.1 研究目标19
• 1.4.2 研究内容19
• 1.4.3 研究思路19-20
• 1.4.4 技术路线20-21
• 2 材料与方法21-27
• 2.1 研究区概况21-22
• 2.1.1 地理位置21
• 2.1.2 气候21
• 2.1.3 土壤21-22
• 2.1.4 植被22
• 2.2 试验点概况22
• 2.3 数据采集与分析22-25
• 2.3.1 不同处理措施小区的布设22-24
• 2.3.2 数据分析24-25
• 2.4 计算方法25-27
• 2.4.1 土壤理化性质评价25
• 2.4.2 土地利用优化研究25-27
• 3 坡耕地垄间植草防控措施对坡面养分流失的影响27-39
• 3.1 耕地垄间植草对水土流失的影响27-29
• 3.1.1 不同处理措施径流及泥沙流失总量特征27-28
• 3.1.2 植被生长不同时期各处理小区泥沙流失特征28-29
• 3.2 耕地垄间植草对P素输出的影响29-32
• 3.2.1 不同处理小区各形态P素输出总负荷29-30
• 3.2.2 植被生长不同时期各处理小区P素流失浓度特征30-31
• 3.2.3 典型降雨条件下的P素输出特征31-32
• 3.3 耕地垄间植草对土壤理化性质的影响32-39
• 3.3.1 不同措施下土壤粗化指数的变化32-33
• 3.3.2 不同措施下土壤质地变化33-34
• 3.3.3 不同措施下土壤容重变化34-35
• 3.3.4 不同措施下土壤孔隙度及水分变化35-36
• 3.3.5 不同措施下土壤化学性质变化36-37
• 3.3.6 土壤理化性质评价37-39
• 4 梯壁植草防控措施对坡面养分流失的影响39-43
• 4.1 梯壁植草对水土流失的影响39-40
• 4.2 梯壁植草对土壤养分流失的影响40
• 4.3 梯壁植草对土壤理化性质的影响40-42
• 4.4 土壤理化性质评价42-43
• 5 树盘植草对坡面养分流失的影响43-46
• 5.1 树盘植草对土壤表层温度与水分的影响43-44
• 5.2 树盘植草对养分的影响44-46
• 6 基于氮磷输出风险控制的小流域土地利用结构优化研究46-50
• 6.1 双河峪小流域土地适宜性评价46-48
• 6.1.1 土地适宜性评价原则46
• 6.1.2 土地适宜性评价方法46-48
• 6.2 双河峪小流域土地利用结构优化48-50
• 6.2.1 线性规划模型参数48
• 6.2.2 双河峪小流域土地利用优化方案及空间配置48-49
• 6.2.3 双河峪小流域土地利用优化结果分析49-50
• 7 双河峪小流域小流域坡面养分流失防控措施配置与效益评价50-54
• 7.1 评价指标体系50
• 7.2 蓄水保土效益估算50-51
• 7.2.1 蓄水保土效益计算方法50-51
• 7.2.2 蓄水保土效益51
• 7.3 经济效益51-52
• 7.3.1 经济效益计算方法51
• 7.3.2 经济效益评价51-52
• 7.4 生态效益52-54
• 7.4.1 土地利用调整对氮磷输出负荷的影响52
• 7.4.2 坡面防控措施对氮磷输出负荷的影响52-54
• 8 结论与展望54-57
• 8.1 结论54-55
• 8.1.1 坡耕地垄间植草养分输出特征54
• 8.1.2 边坡梯壁植草养分输出特征54
• 8.1.3 果园树盘植草养分特征54-55
• 8.1.4 土地利用空间优化配置55
• 8.1.5 小流域坡面养分流失防控措施配置与效益评价55
• 8.2 展望55-57
• 8.2.1 加强清洁小流域的理论体系、构建技术及投入与产出机制的研究55-56
• 8.2.2 加强水土保持信息系统建设56-57
• 参考文献57-62
• 攻读学位期间发表的学术论文及参与的课题62-64
• 致谢64

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