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摘要
水力侵蚀是我国分布最广、危害最严重的水土流失类型, 由此导致的土壤和生源要素流失会引起土壤质量下降、河流湖泊富营养化等生态环境问题。水文生物地球化学模型水力侵蚀过程的优化, 对定量评估水力侵蚀强度并识别其空间分布特征具有重要意义。因此, 本研究以土壤水力侵蚀物理模型 ROSE 为基础, 在分布式流域水碳氮耦合模型 CNMM-DNDC 中拓展了土壤水力侵蚀流失和颗粒态碳氮磷元素富集模块。以川中丘陵区盐亭截流紫色土农林复合小流域 (简称“截流小流域”) 为例, 开展了地块尺度验证和小流域尺度的土壤水力侵蚀和颗粒态碳氮磷流失的高时空分辨率模拟应用。结果表明: 增加了土壤水力侵蚀和颗粒态碳氮磷富集模块的 CNMM-DNDC 模型, 能够较好地模拟截流小流域玉米-小麦轮作径流小区产沙量和颗粒态氮流失量的季节动态特征, 模型验证阶段模拟值和观测值均表现出显著线性拟合关系 (R2分别为 0.83 和 0.85), 改进的 CNMM-DNDC 模型能够用于模拟评估流域水土流失和颗粒态碳氮磷流失强度空间分布。截流小流域由地表径流引起的土壤水力侵蚀、颗粒态碳氮磷流失强度与土地利用和地形特征密切相关, 其中坡耕地和居民区土壤水力侵蚀最严重, 同时也是截流小流域颗粒态碳氮磷流失的主要来源。模型的模拟结果显示, 2004—2006 年截流小流域栅格尺度土壤侵蚀模数均值分别为 400 t·km-2·a-1、701 t·km-2·a-1 和 1550 t·km-2·a-1, 属于轻度水力侵蚀区域。2004—2006 年截流小流域由水力侵蚀引起的颗粒态碳年总流失量的平均值分别为 63.9 kg(C)·hm-2·a-1、107.2 kg(C)·hm-2·a-1和 200.2 kg(C)·hm-2·a-1, 同期颗粒态氮年总流失量的平均值分别为 6.3 kg(N)·hm-2·a-1、10.5 kg(N)·hm-2·a-1和 19.5 kg(N)·hm-2·a-1, 颗粒态磷年总流失量平均值分别为 0.9 kg(P)·hm-2·a-1、1.5 kg(P)·hm-2·a-1和 2.8 kg(P)·hm-2·a-1。本研究拓展了 CNMM-DNDC 模型对土壤水力侵蚀产沙和随之的颗粒态碳氮磷迁移的模拟功能, 为水土流失和面源污染的研究和防控提供先进的模型工具。
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单位大气边界层物理与大气化学国家重点实验室; 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所; 中国科学院大气物理研究所
