毕业论文文献翻译大型农业流域基流对硝酸盐流失的贡献研究.docx
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毕业论文文献翻译大型农业流域基流对硝酸盐流失的贡献研究
本科毕业论文(设计)
外文翻译
题目
大型农业流域基流对硝酸盐流失的贡献研究
姓名
XX
学号
200070303204100
专业
环境工程
指导教师
胡荣贵
职称
教授
中国·武汉
二○一一年三月
大型农业流域基流对硝酸盐流失的贡献研究
原文来源:
KeithSchilling,You-KuanZhang.Baseflowcontributiontonitrate-nitrogenexportfromalarge、agriculturalwatershed,USA.JournalofHydrology.295(2004)305–316
摘要:
爱荷华州的浣熊河流域是美国土地硝态氮流失最严重的地区之一,这对下游的水质有严重的影响。
我们根据一份珍贵的长期关于流速、流量和硝态氮含量的研究数据(1972~2000),评估了浣熊河在流速、流量和基流作用下硝态氮流失的年模式和季节模式。
根据一个负荷评估方法并结合水位图分隔线,我们估计了基流作用引起的硝态氮输出量(17.3kg/ha.)接近硝态氮年平均输出量的2/3。
基流输出量占据了总输出量的80%以上,并且在春季和晚秋表现的最为显著。
因此,我们提出了“基流富集比率”(BER)来描述基流水和基流硝态氮负荷之间的关系。
浣熊河的基流富集比率是1.23表明了硝态氮优先流出进入基流。
BER的季节模式表明了基流硝态氮与农作物需氮量之间有密切的联系。
研究结果论证了,通过评估基流对硝态氮负荷贡献的效用,从而来找出合适的控制方法来减轻基流对硝态氮的传输。
关键词:
硝态氮、河流输出、基流、化学负荷、水位曲线、农业水文学
正文
1导言
由于考虑到过量的营养物质富集、河流富营养化(DoddsandWelch,2000;USEPA,2000)和墨西哥湾水体酸性情况的发展(Goolsbyetal.,1999),美国中西部地区硝态氮(硝酸盐)的输出引起了越来越多的关注。
爱荷华州位于美国中部农业带,那里的硝态氮输出被确定为密西西比河污染物负荷的主要贡献者。
平均每年从爱荷华州地表水输出的硝态氮大约是204,000mg到222,000mg,约占密西西比河传输入墨西哥湾硝酸盐总量的25%,尽管爱荷华州的面积不足流域盆地面积的5%(SchillingandLibra,2000)。
位于爱荷华州中西部的浣熊河流域是美国内陆硝态氮流失最为严重的地区之一。
平均每年浣熊河产出的硝态氮量为26.1kg/ha./a,在评估墨西哥湾水体氧缺乏的报告中,浣熊河地区是密西西比河流域四十二个硝态氮流失最严重的地区之一。
爱荷华州的硝态氮非点源污染主要是农业,如:
氮肥、厩肥的广泛使用,以及豆类固氮和土壤氮的矿化(Hallberg,1987;Goolsbyetal.,1999;BurkartandJanes,1999)。
特别的,氮肥的使用是硝态氮的主要来源。
早在二十世纪六十年代氮肥的使用量就持续上升,从二十世纪六十年代的不足200,000t/a上升到二十世纪九十年代早期的1000,000t/a(IAS,2001)。
从1979到1990年,在浣熊河流域盆地,流体中平均硝态氮负荷占据了流域所施氮肥的25%(LuceyandGoolsby,1993)。
硝态氮主要通过作为基流地下水流和排泄沟进入爱荷华州的河流(Hallberg,1987)。
Schilling(2002)报道说硝态氮的输出主要是发生在爱荷华州流域两个重要的基流中,同时在夏末和秋天基流输送最强烈。
硝态氮的输出表现出显著的季节性变化(Owensetal.,1991;Pionkeetal.,1999;Jaynesetal.,1999),同时它的变化也与地质上对地下水出流的控制(Schnabeletal.,1993)及不同的土地利用方式(Owensetal.,1991;GburekandFolmer,1999;Schilling,2002)有关。
暴风雪引起的输入更进一步的强调了间歇性的非点源污染物质的输入(Carpenteretal.,1998;Pionkeetal.,1999)。
减轻像浣熊河这样大面积农业流域硝态氮输出的影响,需要了解污染物传输进入河流的主要方式以及它在空间上和时间上的变化模式。
假设基流是硝态氮进入浣熊河的主要输送方式。
在最佳管理方法被用来减少或截取流入河流的硝态氮之前,我们需要知道水量的大小、变化情况及基流中硝态氮的组分的动态变化。
将适时的施肥或制定确立的河岸缓冲区与周期性大基流协调起来,这将会是在下游硝态氮转输发生前减轻土地中硝态氮流失的一个控制策略。
这个研究的目的是:
(1)量化地下水复位和流出的基本水文学过程(土壤水分蒸发蒸腾损失总量和基流),
(2)评估28年(1972-2000)以来浣熊河在流水和基流作用下硝态氮流失的年模式和季模式。
为了实现我们的目标,在中西部我们把所积累的每日流水量和硝酸盐含量作为一个长期不断监测项目的一部分。
我们的研究证明了维持一个长期的环境监控方法的重要性,目的是为了克服短期的气候可变性,同时提供了关于水文特征与化学物质传输之间联系的精确估算。
2流域描述和资料来源
位于爱荷华州中西部的浣熊河流域占地16,861km2,超出了位于爱荷华州中西部的VanMeter地区(Fig.1)。
浣熊河北部,中部及南部的小河流形成了浣熊河的大支流。
北部和中部的浣熊河流经了最近的因冰河作用形成的爱荷华州得因美波瓣地形区域,一个被浅浮雕和贫瘠的表面控制的区域(Prior,1991)。
南部浣熊河占据了一个古老的在伊利诺伊州的冰河地形之前的高浮雕和发展良好的排水区域。
浣熊河流域土地主要是农业用地。
在2000年,中耕作物占据了流域的76.2%(玉米41.7%和大豆34.5%)。
其他的土地利用包括草地(17.4%),森林(5.4%)和城市(0.5%)。
在爱荷华州立大学专门为StormLakeandGuthrieCenter流域气象站设置的环境介子网(http:
//mesonet.agron.iastate.edu)下载了关于两流域的降雨资料(Fig.1)。
在本文中,由于降雨是随机变化的,所以年降雨量和季节降雨量取两监测站的平均值。
在美国VanMeter(05484500)地质勘测测量站获得了1972~2000年这段时期日常流量数据。
日常流水量记录用自动水位曲线分离程序(SlotoandCrouse,1996)分成了基流量(baseflow)和暴雨流量(stormflow)。
使用局部极小方法,该方法从本质上包含了水位曲线的最低点,同时提供了评估通过线性内插法得到的局部极小值中日常基流流出量(SlotoandCrouse,1996)。
日常径流量是由每个河流测量站点所决定,用日常流水量减去日常基流量。
基于我们的研究目的,径流量被定义为坡面漫流和地下流量(或者交流)之和(FreezeandCherry,1979)。
浣熊河的水质数据是通过由爱德华州立大学的法学院、建筑和环境工程学院提供以及岩岛区军工(LutzandEsser,2002)支持的得梅因河水质网络获得。
从1972年到2000年,共有981个每周一个或两月一个的样品被收集,这些样品在爱荷华州立大学分析服务实验室进行分析。
分析数据中检测极限在0.01mg/L的氮含量数据都被报告。
硝态氮占大概浣熊河氮输出总量的81%(Goolsbyetal.,1999)。
运用带有WQSTAT加强版本1.56非参数的周期性肯德尔统计方法对1972年到2000年水体硝态氮的时间趋势进行分析,在p<0.05水平上无明显趋势。
硝态氮含量和流量变量从1972到2000年缺乏时间趋势表明整个资料库可能被集中到一起来分析的效果会更好。
在981个地表水样中硝态氮含量变化范围很大,从1982年和1990年的的17.0mg/L到1977年几个偶然小于0.05mg/L(Fig.2)。
为了分析硝态氮而收集的28年来的981个样品里面的252个或者说是总体中26%的部分是超过了美国饮用水标准最高的污染物限制级别的10mg/L(Fig.2)。
所有的硝态氮分析数据平均值是6.8mg/L。
更多的跟浣熊河的硝态氮含量相关的信息可以查询SchillingandLutz(2004)一书。
3硝态氮负担估算
一个流域的硝态氮输出可能会受到水流通量、基流、种植模式、土地利用等方面的影响。
在近二十年之间,多种多样的方法被建立用来进行估算化学成分的负荷能力。
其中的一些方法是最近被Guoetal.(2002)用来评价估算硝态氮负荷不确定性计算。
美国地质勘测局的“评价者”程序(Cohnetal.,1989,1992;Gilroyetal.,1990)被用来估计在VanMeter观测站的日常的硝态氮负荷能力。
这个项目是利用一个最小无偏差方案来执行一个基于流量日志和含量日志的关系的7个参数的衰退模拟实验。
用Schilling(2002)改进的方法,两套流量和含量数据需要用“评价者”来估算。
一套包含整个28年来的日常流量记录值(n=10,225)和含量数据(n=981)(年份1972~2000)。
用这套数据估算出的要素负荷通过观测点的总负荷。
第二套系统是利用日常的基流流量数值作为流量输入“评价者”程序的输入变数,和一个只在日常流量是由90%~100%的组成是基流的日期中记录下的含量(n=285)的一个含量数据的子集。
这个模拟系统的仿真输出的是随基流输出的硝态氮总负荷。
虽然选择较低的基流限制百分比(90%)相当主观,但是确实加重了几个比较的因素。
一个90%的低限制允许足够多的样品数量可以被用来校准在多次模拟中的重现(相对选择100%时候的112个样品来说的),而且可以同时捕捉或早或者晚一点水流量自记水位计而造成的基流的硝态氮含量变化。
日常化学成分的负荷数据被在观测点上一游的流域面积规格化,然后按照月和水利年限制表、汇总。
在日常流量基础上通过划分日常要素负荷来测定的流量含量。
“评估者”程序使用的七个参数的对数线性模型不需要严格遵循测量值,例如,被估计的含量可能是与测量值不一致。
这个可能不会对整个研究造成影响,因为一个整体(而不是一个点)的评估已经被搜寻到。
总体来说,被测量的流量含量的“评估者”程序评估的结果有比实际的测量数值要高出一些的趋势(Guoetal.,2002)但是跟随着相似的当前样式。
这正是所要求的,因为采取周期性的采样,可能在具有较高硝态氮含量事件发生时(例如降雨)正好不是在采样时间,就会造成数据的缺失。
4结果与讨论
4.1ET评估与地下水补给
从1972年到2000年,进入浣熊河易变的降水量超出了年流量的20倍(Fig.3;Table1)。
年降雨量从2000年的513mm变化到1993年的1208mm,年平均降雨量是870mm(Fig.3a);但是流出量从1997年的27mm变化到1993年的573mm,平均量是223mm(Fig.3b)。
较低的年流量与接下来第二年的正常降雨量有典型的联系。
基流趋向遵从总的流出模式。
水流量的基流分数从1990年的37.8%变化到了1988年的72.0%,28年以来平均数为54.2%(Table1;Fig.4)。
一般来说,当较少降雨量引起水量减少时,在干旱的年份基流分数倾向于增加。
降雨量的百分比在监测记录中变化大,超出1973到1974、1983年到1984年和1993年的40%,但少于1977年、1981年、1989年和2000年的10%。
平均水流通量和基流相当于年降雨量的25.6%和13.9%。
浣熊河的平均基流(121mm)和部分基流分数都轻微地低于爱荷华州的一些河流(SchillingandLibra,2003)。
与位于爱荷华州漂浮平原的高浮雕南浣熊河流域高的减缓相比,基流在得因美圆形突出部分流域(浣熊的北部和中部)的贡献表现的更为显著,在这里人工排水沟渠被广泛应用(Fig.1)。
在VanMeter测量站进行的基流测量反映两个地形区域的贡献。
浣熊河流域的水文学方程式可表达为:
P-ET-Q=△S
(1)
这个式子中P代表降水总量,ET代表土壤水分蒸发蒸腾损失总量,Q代表河流流出量,△S代表水流的变化量,同时我们考虑蓄水层是无限的而且没有交叉水池的水流传输。
所有数量的单位都是mm/a。
长期以来,我们以在这方面28年的研究作为例子,贮藏量的变化是最小的。
因此,从1972年到2000年这28年间(Table1),用式
(1)进行计算,当P=870mm/a、Q=223mm/a时,ET=647mm/a。
一个相似的描述地下水平衡方程可写成:
R-BF-QP=△SG
(2)
式中R是净地下水净补给量,补给量要减去土壤蒸发水量,BF是基流水量,QP是井泵取水量,同时△SG在地下水量中是可变的。
基于式子
(2),净补给量估计等于基流量或者是121mm/a,因为QP在式子中略小于其它量,并且贮藏量在28年里或多或少停留在同一水平(△SG≌0)。
净补给量(21mm/a)估计占据了年平均降水量(870mm/a)的13.9%并且符合在美国中西部地区其他研究中得到的评估(e.g.northeastIowa,Hallbergetal.,1983;Wisconsin,HuntandSteuer,2000;Illinois,Walton,1965)。
当平均补给量超过26.5mm时,最大的月补给倾向于三月到七月这段时间出现(Table2)。
基流补给量在这几个月份都比较高,五月达到高峰是20mm。
在化雪和春季降雨期间,月度基流百分比反射了流失的增强,同时在秋季和冬季基流百分比又会增加(Table2;Fig.5)。
每年,三月到七月占据了总年流量的70.2%和总年度基流量的68.1%(Table2)。
四月和五月在年基流量中占的比例(32.5%)大余在总年流量中占的比例(30.3%),并且基流中一个较高的年流量比例也出现在深秋和冬季。
4.2硝态氮负荷和变化
4.2.1年模式
化学负荷,是流量和水中化学物质浓度的产物,它提供了一个除了单纯的浓度外更好的化学物质随时间流失的指标(Jaynesetal.,1999)。
浣熊河流域输出的硝态氮变化非常大,从1977年和2000年的1.4kg/ha.变化到1983年和1993年的多于65.9kg/ha.(Table1;Fig.3c)。
在28年的记录中硝态氮的年平均流失量是26.0kg/ha.(s.d.=18.3)。
据推测,更加巨大的硝态氮损失与这一时期正常降水量和流出量有联系。
最大的硝态氮负荷经常出现在较低的正常降水量和流出量的第二年(Fig.3c)。
这暗示了在更高的降水量和流出时期,干旱季节农用土地的硝态氮贮藏量将被调动(LuceyandGoolsby,1993)。
浣熊河流域大范围长期的平均硝态氮流失与所报道的位于爱荷华州的StoryCounty(5~65kg/ha;Jaynesetal.,1999)面积较小的高度农业地区以及爱荷华州(JasperCounty10~62kg/ha.;Schilling,2002)重建的牧场流域相似。
这里的硝酸盐流失的速率与所报道美国的高度农业地区相似,这些地区包括俄亥俄州(5.8~36.4kg/ha.;ShamblenandBinder,1996)、明尼苏达州(1.4~138.7kg/ha.;RandallandIragavarapu,1995)、印第安纳州(17.9~69.6kg/ha.;Kladivkoetal.,1991)以及伊利诺斯州(26.4kg/ha.;Guoetal.,2002)。
然而,专家认为对该流域的多数短期(5年)研究在时间上太短而不能用来正确的评价农业化学元素的平均流失速率(Jayneetal.,1999)。
基于StoryCounty硝态氮流失的可变性,在爱荷华州四年额研究期间,Jaynes等人(1999)运用29年的观察数据精确的估计该地区年损失氮量在10kg/ha./a以内。
因此,通过浣熊河流域28年的记录,我们可以适当的确定26.1kg/ha.的硝态氮平均流失速率接近流域的长期平均硝态氮流失速率。
基流对硝态氮的输出包含一个部分就是流域的硝态氮输出(Table1;Fig.3c)。
基流硝态氮损失量从0.1kg/ha.变化到57.9kg/ha.,平均值是17.3kg/ha.(Table1)。
在28年的记录中,在浣熊河流域基流对硝态氮输出作用占了总量的66.7%,同时占了河流总输出量的54.2%(Table1)。
基流作用下硝态氮进入河流的量变了10倍,从了1974年的89.8%变化到1977年的9.0%(Table1;Fig.4)。
基流对硝态氮的输出趋向遵从总流出量的模式,但是变化范围很大。
我们提出“基流富集比率”(BER)这个术语来描述明显的基流水对硝态氮的明显富集。
这个术语被定义为
BER=fL/fD(3)
这里fL基流硝态氮负荷与河流硝态氮负荷之比,fD是基流水量与河流水量之比。
如果硝态氮来自于水,fL和fD的大小相等,BER就等于1。
随着时间的推移,大量的硝态氮随着地下水进入河流,BER将大于1。
这暗示了硝态氮通过淋溶进入地下水被基流输送进入河流。
在浣熊河流域BER与硝态氮年均值有重要的联系(Fig.6)。
其中一点是值得注意的,因为BER来自于对基流和硝态氮负荷的评估,尽管含量的年均值源于实际测量值。
此相关性暗示浣熊河的硝态氮含量模式受制于放大的测量硝态氮进入基流的能力。
浣熊河的长期平均比率是1.23暗示了硝态氮优先进入地下水然后被基流输送进入河流,同时硝态氮被基流运送进入河流的速率超过了水进入地下水系统的速率。
每年河流硝态氮含量也遵循类似的硝态氮大规模损失模式(Fig.3d)。
浣熊河中河流硝态氮含量加重,从1977年的1.7mg/L变化到1983年13.3mg/L,28年间平均值为8.4mg/L(Fig.3d)。
基流中净硝态氮含量在明显高于总流量中含量,从1977年0.9mg/L变化到1983年8.2mg/L,平均值是9.2mg/L。
在总流量和基流情况下,净值超过了长期平均含量6.8mg/L。
4.2.2季节性模式
每月硝态氮损失是波动的,无论是在个别月(Fig.7)还是在不同的任一月(Table2)。
大多数每年最大的硝态氮损失出现在3月到6月间,这时候每年的最大氮流失量发生,每月的损失量超过3.2kg/ha.。
从4月至9月平均硝态氮的损失呈下降趋势,接着在深秋再次增加。
对于每年的总硝态氮负荷,有近33%的年度负荷发生在3月和4月,50%的年度负荷发生在3月到6月的这四个月中(Table2)。
基流硝态氮高峰一般出现在春季,这时4月份平均基流硝态氮输出量为3.5kg/ha.,它比3月份和5月份多出了2.6kg/ha.(Table2;Fig.7)。
基流硝态氮对总输出负荷的贡献从四月份开始下降持续到夏季,进入深秋再次增加(Fig.5),所以到了冬季(12月和1月)进入浣熊河的硝态氮约是基流的90%(Fig.5)。
季节性的基流硝态氮的损失与BER有显著的联系(Fig.8)。
在初春BER大于1时基流富集硝态氮,但是在较后的种植季节BER系统性的下降到小于0.5(8月和9月)。
BER在十一月份再次上升到接近1,在十一月和十二月又大于1。
爱荷华州BER的降低与每年的种植季节有紧密的联系(Fig.8),这一点暗示了在夏季和秋季农作物的吸收造成了基流中硝态氮含量的下降。
作物吸收最小或不存在时,硝酸盐特别容易受浸出或随基流流走(例如BER大于1)(Dinnesetal.,2002)。
基流硝态氮损耗部分地与河流的硝态氮迁移除速度有关,但这个过程通常是表现在9月和10月,河流中硝态氮含量显著性的减少(Crumptonetal.,1995;Jaynesetal.,1999)。
每月净硝态氮在基流中的含量高于在总流量中的含量(Fig.9c)。
两种水流的变化规律表现出相似的时间模式,较高的硝态氮含量出现在春季和深秋,在夏季呈现下降的趋势。
平均河流净硝态氮含量超出了美国饮用水标准中所规定的,二月份到五月份的总流量中及三月份而到五月份基流中硝态氮的浓度含量为10mg/L(Fig.8)。
冬季十一月份到二月份加权含量较高时,这些月份流量就较小,通常产生的平均硝酸盐的损失小于2kg/ha.。
5总结
浣熊河长期纪录的流量和硝酸盐集中数据提供了一个在高度农业地区估计硝酸盐损失的基础,这个机遇在其他意义重大监视项目很少能够提供的。
在28年期间硝酸盐损失平均为26.1kg/ha.,其中基流对硝酸盐负荷的贡献大约是3/2(17.0kg/ha.)。
平均每年从浣熊河输出的硝酸盐总量是23,100mg,这超过了爱荷华州对密西西比河硝酸盐贡献量的10%。
基流作用下硝酸盐的输出量占据了总输出量的80%以上,在春季和深秋表现的尤为显著。
2月到5月的这段时期中央河流的硝态氮含量超过了80%。
在浣熊河长期的记录(BER=1.23)中,BER指数显示了硝态氮优先渗入到地下水中,这与上游的硝态氮含量有关系。
在一个季节性依据上,在庄稼生长季节期间BER减少了到少于1,这暗示在庄稼水系统之内或在内流的运输期间,硝酸盐优先地被植物从基流水中去除。
从这项研究的结果论证了,通过利用一个长期流域水文学和硝态氮的负荷模式来了解每年及每个季度变化情况的监控项目是有必要的。
河流中污染物的基流贡献量的定量研究也许是一个需要重要考虑估计的事项,这可以用来评估非点源农业化学物质对河流水质的影响。
在浣熊河这个案例中,减少硝态氮我们应该把目光放在确定一个合适的控制策略来减少这种被改良的河边地区中基流对硝态氮的输送作用,同时可以在战略上指导湿地的构建和改善排水控制系统。
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