【摘 要】
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在全球气候变化和我国大规模实施水生态环境治理的背景下,岩溶区农业面源氮磷污染导致的流域水质日趋下降,已逐渐成为国家关注的重要水环境问题。本文以广西会仙岩溶湿地睦洞流域为研究区,于2017年1月至2021年12月期间开展野外监测采样和室内分析实验,运用稳定同位素技术结合贝叶斯同位素混合模型（SIAR）,分析地表河水和浅层地下水中氮磷的时空变化及其运移的特征。考虑表层岩溶带和裸露型岩溶地貌区的氮磷随水
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在全球气候变化和我国大规模实施水生态环境治理的背景下,岩溶区农业面源氮磷污染导致的流域水质日趋下降,已逐渐成为国家关注的重要水环境问题。本文以广西会仙岩溶湿地睦洞流域为研究区,于2017年1月至2021年12月期间开展野外监测采样和室内分析实验,运用稳定同位素技术结合贝叶斯同位素混合模型（SIAR）,分析地表河水和浅层地下水中氮磷的时空变化及其运移的特征。考虑表层岩溶带和裸露型岩溶地貌区的氮磷随水分运移过程,改进SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型并建模模拟,分析表层岩溶带特征对流域氮磷流失的影响,预测氮磷负荷对变化环境的响应。本文的主要研究内容和结论如下:（1）监测期内地表河水和浅层地下水中氮磷（TN、NO3--N、NH4+-N、TP和TDP）实测浓度,结合降雨量以及各采样点水文要素（流速、流量和水位等）和理化因子（水温、溶解氧和p H值等）的数理统计分析结果显示,水体氮污染较磷严重,地表河水和浅层地下水中TN＞1.0 mg/L的超标率高达76.3%和98.4%。时间尺度上,枯季和雨季地表河水和浅层地下水中氮磷浓度、形态以及不同空间尺度集水区氮磷负荷主要受气象水文条件控制,人为活动次之;空间尺度上,氮磷主要来源于覆盖型岩溶地貌区人类活动强度较大的农业用地。（2）2020年12月（枯季）和2021年4月（雨季）地表河水和浅层地下水的氢氧同位素(δD-H2O和δ18O-H2O)和氮氧同位素(δ15N-NO3-和δ18O-NO3-)分析结果显示,枯季中部径流区河水蒸发加强和浅层地下水分散排泄不畅共同作用下,TN和TP浓度高于流域均值;北部补给区裸露岩溶地貌区下渗的氮肥和覆盖型岩溶地貌区居民地下渗的动物粪便/生活污水在中部径流区分散排泄不畅,导致G4～G7井水的NO3-浓度均值（11.96～15.84 mg/L）以及δ15N-NO3-（0.5‰～28.5‰）和δ18O-NO3-（2‰～14‰）丰度值居高;碳酸盐岩风化形成的浅薄土壤层持水能力差导致枯季土壤氮对浅层地下水中NO3-的贡献率小于地表河水,渗透性强导致动物粪便/生活污水类氮源对浅层地下水中NO3-的贡献率大于地表水。（3）改进了SWAT模型水文响应单元的划分以表征裸露型岩溶地貌类型区土壤层的分布不连续性,并添加了表层岩溶带模块以完善模型对氮磷随岩溶地下水分运移过程的刻画,建立了适于睦洞流域裸露型和覆盖型岩溶地貌区水量和水质模拟的分布式模型。模拟结果显示,率定期和验证期内模型的决定系数R~2和纳什效率系数?指标均大于0.66,模型在睦洞流域具有较好的适用性;表层岩溶带的存在增加了流域TN和TP的流失,其增量变化范围分别为0.81～2.33 kg/hm~2和0.06～0.12 kg/hm~2。（4）利用改进SWAT模型模拟预测了未来气候变化和土地利用（湿地和裸露型岩溶区果园）变化对睦洞流域氮磷负荷排放的影响,以及污染防控措施对流域氮磷的减排效果。结果表明:降水量增加1%同时升温0.5℃的情景下,TN和TP排放负荷分别增加0.35%和0.41%;25%～50%湿地面积的退化会增加TN和TP排放负荷分别为5.02%～14.16%和5.32%～18.66%,25%～50%湿地面积的恢复可削减TN和TP排放负荷分别为0.46%～15.85%和8.87%～21.16%;裸露型岩溶地貌区＜50°的坡地退耕还林,可减少集水区TN和TP排放负荷分别为8.20～9.62 kg/hm~2和1.16～1.48 kg/hm~2;实施有效的流域面源氮磷污染源防控措施可分别削减TN和TP排放负荷至少1.5%和1.6%。综上,本文揭示了岩溶特征下流域水分运动时空差异对氮磷浓度的影响;实现了表征裸露型岩溶地貌类型区土壤层分布不连续性的SWAT模型水文响应单元划分的改进,完善了SWAT模型对表层岩溶带水分和氮磷运移过程的刻画;定量计算了岩溶地貌特征对睦洞流域TN和TP流失的影响。研究结果可为岩溶农业小流域脆弱水生态系统的治理和保护提供决策支持。
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