降雨驱动下农业小流域磷素的迁移特征——以五龙池小流域为例

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磷元素不仅是生态系统中生物不可或缺的营养元素,也是导致水体富营养化的限制因子。降雨径流是磷素迁移的重要驱动力,但是降雨径流过程的随机性、磷污染发生与运移过程的差异性与复杂性,导致了磷输出时间、频率和组成的不确定性,加之缺乏高频率的降雨径流过程监测数据,无法捕捉到降雨产流过程中各阶段磷输出通量变化特征,当前磷及其组分随着降雨径流的输出规律仍有待进一步明确。明确降雨径流中磷素及其组分的迁移规律,对理解磷迁移的水文驱动机制,制定流域面源污染管控策略具有重要的科学意义和实践价值。鉴于此,本研究以典型农业小流域—五龙池小流域为研究对象,通过监测降雨和流量变化,通过划分不同雨型,分析径流对不同降雨事件的响应特征;选择典型降雨事件,结合高频监测的磷浓度数据,明确不同降雨条件磷组分的输出特征;利用滞后指数和冲刷指数,明确不同降雨条件下各组分磷浓度—流量滞后模式,并使用冗余分析和层次分割法,厘清了不同滞后模式的驱动因素。主要结果如下:(1)流域内的降雨以短历时小雨为主,占整个监测期降雨场次的67.5%。前期降雨量对暴雨事件中峰值流量、平均流量、径流持续时间影响较大。降雨和径流序列趋势性、持续性等特征变化一致,其中径流的洪峰滞时受前期降雨量以及降雨历时、降雨分布特征的影响,降雨分布越集中,洪峰滞时越短。此外,流域内的降雨产流与流域湿度存在明显的阈值效应,当流域湿度大于15 mm时,流域发生产流事件。(2)流域降雨事件过程中各组分磷呈现初期冲刷效应,且在降雨不同阶段呈动态变化。降雨初期,TP、TDP和PP的浓度随流量的增加而增加,降雨中后期逐渐降低,峰值浓度多出现在降雨前期。整体上,TP、TDP、PP的浓度变化趋势与流量变化趋势一致。不同降雨事件下,PP输出通量占TP通量的48%~80%,其中PP输出通量由小雨事件平均占比52%,增加到暴雨事件的76%。PP输出通量占TP通量的比例随雨强增加,且二者呈现显著的线性关系(R~2=0.73,p<0.05)。(3)磷浓度—流量的滞后模式与降雨类型密切相关。大部分8字滞后模式出现在小雨事件下;中雨及大雨多为复杂滞后;暴雨下的磷浓度—流量滞后关系则为顺时针或逆时针滞后。冗余分析结果显示,降雨和径流特征能较好解释磷的各种组分与流量的滞后模式,对TDP滞后模式前两轴累计解释度为68.6%,其次为TP(46.7%)、PP(40.9%);层次分割结果表明对TP、TDP、PP滞后模式解释度最高的因素分别为:平均流量(21.8%)、径流持续时间(17.4%)、前期降雨量(23.2%)。本研究以典型农业小流域—五龙池小流域为研究对象,分析径流对不同降雨事件的响应特征、典型降雨事件对磷组分的输出特征,进而揭示降雨过程中各组分磷浓度-流量的滞后关系及其驱动因素。小流域的降雨和径流序列趋势性、持续性等特征变化一致;降雨事件过程中各组分磷呈现初期冲刷效应,且在降雨不同阶段呈现动态变化;磷浓度-流量的滞后模式与降雨类型密切相关。研究结果有助于深入理解面源污染的水文驱动机制,为我国农业小流域面源污染策略的制定提供科学依据。
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