三江源地区土壤氮素平衡估算及地表水总氮浓度变化模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 李影 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 李宝林 |
| 关键词 | 三江源 地表水氮浓度 多年生草本植物 养分内循环 土壤氮平衡 黑土滩治理 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 三江源区是亚洲乃至全球最大的水源地，其水质状况直接关乎我国及亚洲各国用水安全。有研究表明，青藏高原及周边地区的人类活动对该区域的氮平衡和水质产生了影响，部分河流断面总氮浓度快速升高。近年来，三江源区实施了生态保护工程，遏制了牲畜数量增长势头与草地退化势头，且该地区人口稀少，工业不发达，点源排放有限，影响三江源区地表水总氮浓度的主要氮素来源（畜禽养殖）变化不大，而黑土滩植被建植等生态修复措施的肥料施用和土壤扰动可能与地表水总氮浓度快速升高有关。因此，准确认识三江源地表水总氮浓度变化趋势与形成机制，尤其是黑土滩植被建植对地表水水质的影响，对三江源地区生态保护政策的制定与实施，以及我国乃至亚洲各国水环境安全都具有重要意义。本文收集了三江源区39 个地表水水质监测断面和15 个水文站2012—2018年的监测数据，及相关统计年鉴数据、自然环境数据、草地实测生物量数据和卫星遥感数据，通过普通线性最小二乘回归和加权最小二乘元分析方法在区域尺度上评价了总氮浓度变化趋势及主要影响因素；建立了考虑多年生草本植物养分内循机制的草地土壤氮平衡模型，更为客观地评估了三江源地区的氮流和氮平衡状况；并将土壤氮平衡模型与SPARROW 模型相结合，进行了流域总氮产率分析、源解析及黑土滩植被建植情景分析和总氮浓度预测。本文取得的主要研究进展如下：（1）基于2012—2018 年39 个地表水监测断面的总氮浓度数据集，确认了三江源区域地表水总氮浓度快速升高趋势，并发现升高断面主要集中在高寒草甸区，且总氮浓度超过Ⅲ类水质限值同时快速升高的断面主要分布在支流，干流断面到2018 年多未超标。2012—2018 年，三江源区河流年平均总氮浓度范围为0.681.06 mg/L。2012—2018 年总氮浓度在三江源区域尺度上呈现显著的升高趋势，增幅为0.03 mg/(L·a)，在黑土滩植被建植工程实施较多的高寒草甸区增长率为0.06 mg/(L·a)，而在城镇化率较高、市政设施较好的温性草原区下降率为-0.04mg/(L·a)。基于影响地表水总氮浓度的多源数据，通过对高寒草甸区和温性草原区总氮浓度关键影响因子的趋势对比分析和趋势一致性分析，发现黑土滩植被建植工程可能通过土壤扰动和氮肥施用增加了水体氮素污染的风险，是地表水支流总氮浓度升高的关键因素之一。在研究时段内，三江源区地表水仍然是中国的清洁水源，但也受到了人类活动干扰，在进行生态恢复的同时也要关注水质。（2）建立了考虑多年生草本植物氮素内循环机制的草地土壤氮平衡模型，解决了草地土壤氮平衡估算时出现的氮赤字问题。为了适应恶劣的自然环境，多年生草本植物在生长季末会将地上部分营养物质转移到地下来支持第二年的生长。而现有土壤氮平衡模型通常将草地生态系统地上转移的氮素归为从土壤中吸收，导致草地系统土壤氮平衡估算出现赤字。本文采用改进的模型评估三江源区土壤氮平衡，结果表明，2012—2019 年总体呈略有盈余状态。三江源草地系统氮盈余为0.274 g/(m2·a)，根系归还是主要的氮输入源，为2.616 g/(m2·a)，占总输入量的67%；氮的重吸收过程是草地系统的主要内部流通过程，为1.079 g/(m2·a)，占草地总吸收的30%；草地系统的氮利用效率较高，为93%。三江源区农业系统的氮素环境污染风险高于草地系统，其氮盈余为1.097 g/(m2·a)，是草地的4 倍，其中化肥氮投入最大，占总输入的84%；耕地的氮利用效率处于理想范围内，为76%。改进的草地土壤氮平衡模型不但对准确模拟地表水总氮浓度变化至关重要，对草地生态系统氮肥的施用与管理也具有重要意义。（3）结合地表水氮浓度影响因素分析、土壤氮平衡和SPARROW 方法，构建了三江源氮浓度模拟框架。SPARROW 模型模拟结果显示，三江源区河流总氮以当年的氮盈余流失为主，城镇排放和土壤侵蚀贡献较小。各子流域年均总氮产率范围为0.30~3.06 kg/ha，其中城镇排放贡献率平均值为23.83%，土壤氮盈余贡献率平均值为57.95%，土壤侵蚀贡献率平均值为18.22%。情景分析结果表明，地表水总氮浓度变化对黑土滩植被建植面积增加较为敏感，其中对三江源中部的黄河源区影响更为突出，在黑土滩面积增加+80%、+100%和+150%的治理情景下，平均总氮浓度依次升高1.30%、2.83%和3.54%；其次为黄河源区东部，对长江流域影响相对较小。研究结果进一步明确了黑土滩植被建植等生态修复措施，对三江源地表水氮污染的具体过程，未来草地生态修复工程实施时可以通过情景分析方法来平衡生态修复与水环境保护之间的矛盾。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 125 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199878]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李影. 三江源地区土壤氮素平衡估算及地表水总氮浓度变化模拟[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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