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人类活动对湖泊环境变化影响的研究,是解决我们湖泊科学面临的许多环境问题的关键所在。在人类活动影响日渐加剧的今天,剖析人类活动与自然因素在湖泊富营养化中的相对关系,探讨湖泊富营养化发生的机制显得尤为重要。流域是一个通过各种水文关系综合的生态系统。流域的气候、地形、土地利用、土壤、农业管理等自然与人为因素,共同影响到流域的水文过程,并以之为纽带,影响到流域营养物质的产生与输移。
本文选择长江中游洪湖流域作为典型流域,应用流域分布式水文模型SWAT(Soil Water Assessment Tool),在自然状态、传统农业和现代农业3个阶段的模拟试验的基础上,结合气候条件、土地利用、土壤属性、农业管理4个方面的敏感性试验,对流域营养物质输移演变的进行时间序列分析,探讨了人类活动与自然因素,在流域富营养化演化中的相对作用。
论文进行传统农业与现代农业条件下的模拟试验,利用文献资料对模拟结果进行率定与验证,揭示了在人类活动参与下流域营养物质输移的特征;自然农耕下流域营养物质输移的模拟工作,采用沉积钻孔资料作验证,揭示了流域营养盐输移的基本特征。
论文以模拟试验为基础,结合流域自然、社会环境的变迁,对流域营养盐输移演变进行了时间序列分析,将流域营养盐输移演变的过程划分为三个阶段。
第一个阶段是自然状态到建国初期,该阶段流域营养物质的输出浓度与总量变化为总氮(TN)从0.12mg/L,420t/a增加到0.31mg/L,1609t/a,变化幅度分别达2.6倍与3.9倍。总磷(TP)从0.018mg/L,78t/a增加到0.057mg/L,303tta,变化幅度分别达3.2倍与3.9倍。人类活动的参与极大地改变了流域营养盐输移量,但这种改变引起的流域营养盐输移变化仍处于一个可控阶段。
建国初期至20世纪80年代,流域营养物质产出与输移受到自然与人类两方面的共同作用,两者的作用基本持平,处于过渡阶段。该阶段营养盐浓度输出的年增长率约为1.4%。流域营养物质的输出浓度与总量变化为TN从0.31mg/L,1609t/a增加到0.47mg/L,2010t/a。TP从0.057mg/L,303t/a变化到0.059mg/L,250t/a,流域径流量的变化影响了营养盐输出的总量。
第三个阶段是20世纪90年代至现在,该阶段流域营养物质的输出浓度与总量变化经历了TN从0.47--0.57--1.15mg/L,2010--2728--6522t/a,TP从0.059--0.071-0.117mg/L,250--337--665t/a的增长过程。在这个阶段,人类活动的作用已经远远超过了自然的作用,人类活动推动了流域营养盐输移向快速发展的方向。在这个阶段之后,洪湖的富营养化问题也开始出现。
模拟试验结果显示,从自然状态到目前,流域营养物质输移的浓度与输出量都发生了极大的变化,TN从0.12mg/L和420t/a,增加到1.15mg/L和6522t/a;TP从0.018mg/L和78t/a,增加到0.117mg/L和665t/a。人类活动在与自然因子的相互作用中逐渐占据主导地位。人类活动加速了营养物质的积累,湖泊水体中营养盐浓度急剧增加,水体富营养化进程加速。
敏感性试验显示,气候因子对流域营养盐输出浓度和总量有一定的影响,降水会影响到流域径流的产量与营养物质侵蚀量,并进而影响到营养盐输出的浓度与总量,相对降水而言,温度变化对流域营养盐浓度和产量的影响较小;不同土地利用方式:耕地、林地、居民用地,对流域营养盐的输出和输移有不同的影响,以耕地为最高(水田TNl720kg/km2/a、TP332kg/km2/a,旱地TN1189kg/km2/a、TP247kg/km2/a),其次为林地,最后为居民用地。气候、农业管理、土壤理化属性也会对流域营养盐输出水平产生影响。农业管理通过化肥、农药的施用对营养盐的输出影响最大,具体数量取决于化肥、农药等的施用数量。