黄河源区人工草地种植对地表水总氮浓度变化影响研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘伟 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 人工草地 氮素内循环 SWAT模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 三江源位于青藏高原腹地，是长江、黄河、澜沧江的发源地，素有“中华水塔”之称。青藏高原的河流通常被认为是处于天然状态，水质较好，但三江源地区的氮素浓度高于青藏高原地区整体平均值，且近年来总氮浓度呈现快速上升趋势。人工草地种植过程中大量的肥料输入可能是河流氮素浓度升高的一个重要原因。随着三江源草地种植面积的持续扩大，氮污染可能会加剧。因此，利用具有物理机理的SWAT 模型解析氮素的迁移机制，量化人工草地施肥对河流氮素的影响，制定科学合理的人工草地发展政策，对于三江源生态环境保护及下游饮用水安全十分重要。本文取得主要研究进展如下： （1）建立高寒环境下人工草地遥感识别方法，首次编制了2015-2020 年黄河源区年度人工草地空间分布图.考虑高寒环境下地面训练样本获取困难、多云天气以及天然草地和人工草地在光谱特征上的相似性等问题，常用的分类方法或时间序列提取方法在识别人工草地时效果不佳。因此，本文建立了人工草地在播种和出苗期与生长高峰期的归一化植被指数（NDVI）比值的方法来识别人工草地。研究结果表明，本文提出的模型识别黄河源区人工草地时具有较高的精度，总体精度和kappa 系数分别为96.2%和0.91，且识别方法具有较高的稳定性。本文采用该方法编制了2015-2020年黄河源区人工空间分布图，人工草地的年均种植面积为1104.3±282.2 km2，面积最小的种植年份是2016 年，为749.5 km2，面积最大的种植年份是2018 年，为1473.1 km2，研究时段内人工草地面积呈快速增加趋势，年均增速约111.7 km2。 （2）基于SWAT 模型增加碳氮内循环模块，改进物候模块，构建了适用于高寒生态系统的SWAT 模型.高寒环境下的多年生草本植物通过氮素内循环机制来保障恶劣环境下的生长。若不考虑该过程，返青期植物需要从土壤中吸收的氮素会被高估，这将进一步影响迁移到河道的氮素的模拟。SWAT 物候模块采用积温模型模拟返青期，基于光周期预测黄枯期，而青藏高原牧草返青与黄枯受日照、降水等多因素影响，而非仅仅温度一个指标。因此，本文基于现有的SWAT 模型，新增氮素内循环模块，改进物候模块，从而建立适用于高寒草地的改进SWAT 模型- SWAT-AG（SWAT-Alpine Grassland）。研究结果表明改进SWAT 模型模拟的返青期RMSE降低了60.2~64.6%，黄枯期RMSE 降低73.3~88.9%，在返青期植物从土壤中吸收数量明显降低。该模型可显著提高SWAT 模型的河流氮通量模拟精度，与未修改的SWAT 模型相比，其MAPE 降低42.5%±28.6%，同时考虑物候期和氮素内循环时，其模拟氮素通量的MAPE 则降低了56.5%±26.8%。 （3）基于SWAT-AG 模型与同位素溯源技术，揭示了人工草地施肥是黄河.源区河流氮素主要来源及快速增加的重要因素。研究结果表明，2015-2020 年，SWAT-AG 模拟的肥料硝态氮贡献率为9.5~31.7%，均值为19.5%，其他氮素来源总体贡献率已经从92.5%下降到69.3%。结合δ15N-NO3−和δ18O-NO3−双同位素，MixSIAR 模型评估得出肥料对生长季河流氮素的贡献率约为30.4%。此外，基于氮核算的结果表明，2020 年人工草地对河流氮素贡献为27.5%。相比之下，SWATAG模型的人工草地贡献率略低于同位素溯源结果，这一差异主要源于观测时间的不同：同位素溯源数据采集于2023 年7-10 月，而SWAT-AG 模型的模拟结果基于2015-2020 年的年均值。若根据贡献率的变化趋势估算，SWAT-AG 模拟的2023 年7-10 月人工草地的年均贡献率应为27.5%，与MixSIAR 结果基本一致。同位素溯源分析进一步量化了其他污染源的贡献率，发现粪便贡献率为27.6%，土壤有机氮、污水与大气氮沉降的贡献率都不足20%，这说明肥料（30.4%）已经成为影响河流氮素浓度的主要因素。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 151 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217356]  |
| 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 | 刘伟. 黄河源区人工草地种植对地表水总氮浓度变化影响研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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