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太湖富营养化问题与入湖氮、磷负荷过高密切相关,而流域氮、磷污染又以农业面源为主。近年来,受城镇化与粮食安全共同影响,太湖流域人地关系紧张,丘陵坡地农业综合开发是缓解人地矛盾的重要方式。作为丘陵坡地农业综合开发的重点发展类型,茶园施肥强度高于农田,但坡地土壤砂砾含量高、土层薄,导致茶园氮、磷流失严重,并逐渐成为太湖流域氮、磷污染严重的重要原因。太湖上游丘陵地区茶园开发方式、施肥种类和强度以及耕作管理措施均与其它农业类型存在明显差别。当前,针对面源污染的研究主要集中于平原地区农田和坡耕地,而对茶园氮、磷流失(尤其是壤中流途径)关注较少,茶园氮、磷污染排放过程和排放强度均不清楚。为了应对丘陵坡地农业综合开发(尤其是茶园开发)所面临的面源污染防治问题,目前迫切需要开展茶园坡面水土过程研究。 本论文选择太湖上游天目湖流域的典型茶园坡面和典型用地类型(茶园、次生马尾松林和毛竹林)开展试验,在茶园坡面的坡顶、坡上部、坡中部和坡下部以及次生马尾松林和毛竹林坡面的坡中部土壤不同深度处埋设土壤水分传感器,对土壤水分进行高频、连续监测,并布设自动气象站同步监测各项气象因子;紧邻土壤水分监测点位建造径流小区,监测地表径流量,同时监测茶园(坡中部)、次生马尾松林和毛竹林的地表径流和土壤溶液氮、磷含量。基于2012-2013年同步获取的气象因子、土壤水分、地表径流量与地表径流和土壤溶液氮、磷含量数据,综合应用统计方法与土壤水分平衡方法,研究坡面土壤水分空间分布及动态变化,揭示氮、磷流失动力机制,估算氮、磷输出通量,阐明氮、磷流失主要途径。本研究的主要结果如下: (1)坡面土壤水分研究结果显示:受坡面地形、土壤、降雨量及土壤水分运移综合影响,坡面土壤含水量存在明显时空差异。空间分布上,土壤含水量自坡顶至坡下部递增;不同坡位土壤含水量垂向分布存在较大差异:坡顶和坡上部土壤含水量自表层至底层呈降低趋势,反映出湿润区土壤含水量受控于降雨补给,且降雨补给的影响超过蒸散发损耗;坡下部土壤含水量自表层至底层呈升高趋势,反映出坡下部土壤水分既受垂向的降雨补给,又受坡面上方土壤水分侧向补给。时间变化上,土壤含水量年内呈现“双峰”(12月-翌年3月与5-8月)“双谷”(9-11月和4月)特征。降雨过程中,坡面各部位不同深度土壤水分对降雨响应程度和坡面各部位土壤储水量变化特征均存在明显差异,该差异与降雨量和土壤水分侧向运移有关。对于小雨和中雨事件,坡面仅表层土壤水分对降雨有所响应,且土壤水分沿坡面向下运移的特征不明显;而对于大雨和暴雨事件,坡面不同深度土壤水分对降雨的响应均非常明显,且发生明显的土壤水分侧向运移现象;土壤水分降雨响应程度还与前期土壤水分状况有关。降雨径流过程地表产流监测和土壤储水量变化计算的结果显示,茶园坡面地表产流以超渗产流为主,坡面地表径流产流极少,坡顶、坡中部和坡下部径流系数分别仅为0.20%、0.09%和0.18%,壤中流是丘陵坡地径流的主要形式,且主要发生在0-60 cm土层。 (2)土地利用类型对坡面地表径流和壤中流氮迁移过程具有显著影响。茶园地表径流和土壤溶液TN含量均显著高于次生马尾松林与毛竹林,分别为次生马尾松林的4.75和5.49倍、毛竹林的3.99和26.83倍,且土壤溶液浓度一般高于地表径流;不同用地类型之间土壤溶液的差异大于地表径流。各用地类型地表径流TN均以溶解态为主,DIN为重要组成部分;茶园和次生马尾松林土壤溶液TN均以DIN(尤其是NOx--N)为主,毛竹林以DON为主。雨季地表径流氮含量均高于旱季,连续降雨过程中,各用地类型地表径流和次生马尾松林与毛竹林土壤溶液氮含量均呈降低趋势,茶园土壤溶液氮含量随降雨持续有所升高。茶园、次生马尾松林和毛竹林径流氮流失强度分别为79.37、14.44和3.49 kg/(ha·yr),茶园分别是次生马尾松林和毛竹林的5.50和22.73倍,由此可见丘陵地区茶园开发会导致氮流失显著增加。由于坡面地表产流少(径流以壤中流为主),且土壤溶液氮含量较高,氮流失以壤中流途径为主。 (3)土地利用类型对坡面磷流失同样具有显著影响,但磷的流失过程和机制与氮有所不同,主要表现在流失强度和流失途径两个方面。茶园地表径流TP含量显著高于次生马尾松林和毛竹林,分别是次生马尾松林和毛竹林的14.25和8.69倍;茶园、次生马尾松林和毛竹林土壤溶液磷含量均较低,TP依次仅为0.041、0.022和0.024 mg/L;土壤溶液磷含量显著低于地表径流,其不同用地类型差异小于地表径流。各用地类型雨季地表径流磷含量高于旱季,连续降雨过程中各用地类型地表径流和土壤溶液磷含量均呈降低趋势。茶园、次生马尾松林和毛竹林磷流失强度分别为0.18、0.09和0.13 kg/(ha·yr),磷流失量远小于氮流失量,由此可见,茶园扩张对丘陵坡地磷流失影响相对较小。丘陵山区地表径流产流极少,使得壤中流的磷流失量多于地表径流。 本论文基本阐明坡面土壤水分运移过程及氮、磷流失的动力机制、流失强度和流失途径,但由于坡面水分运移和氮、磷流失受众多因素综合影响,精确量化氮、磷流失过程及其通量仍需要加强野外监测工作,并结合坡面水分运移及氮、磷流失过程机理模型进一步深入研究。