北京官厅水库流域农田地表径流生物可利用磷流失规律
北京重要地表水源区生态建设规划
北京重要地表水源区生态建设规划（2006—2010年）北京市发展改革委2006年8月前言密云、怀柔、官厅水库和拒马河是北京重要的地表水源。
近年来，由于降水减少等原因使上述水源水量急剧减少；同时，水源区周边生产生活污染加剧与环境治理滞后的矛盾日益突出，造成地表水源水质有逐年下降的趋势，水源保护形势严峻。
为改善重要地表水源区生态环境，保护首都地表水源安全，市发展改革委会同市水务局及密云县、怀柔区、延庆县、房山区共同编制了《北京重要地表水源区生态建设规划（2006—2010年）》。
《规划》以《北京市生态建设规划》为指导，根据重要地表水源区周边、拒马河流域的环境现状、存在的问题，综合运用工程、生物等措施，治污水、治垃圾、整治村庄环境、治理水土流失，完成市域范围内密云、怀柔、官厅水库一二级保护区和房山拒马河流域1300平方公里、以及三大水库上游主要河道两侧1公里左右范围内的环境综合整治任务，以期2010年使我市重要地表水源区生态环境明显改善，促进首都地表水源可持续利用。
计划在2008年前率先实施密云县、怀柔区有关工程。
第一章规划区基本情况北京境内密云、怀柔、官厅三大水库上游总面积为5010平方公里。
北京境内拒马河流域张坊应急备用水源区上游的面积为434平方公里。
一、规划区范围规划区具体范围包括：密云、怀柔、官厅水库上游一二级保护区（按照两库一渠管理条例）和房山拒马河流域，面积1300平方公里；密云、怀柔、官厅水库上游15条主要河道两侧（左右各1公里），河道总长577.4公里。
北京规划区共涉及32个乡镇、320个村。
二、自然地理概况（一）地形地貌规划区主要位于山区，地貌类型以中山、低山、丘陵、谷地和盆地为主。
（二）气候北京属暖温带大陆季风性半干旱性气候，冬季干冷，夏季湿热，年均气温6-12℃，年均降雨量500-750mm，其中80％以上的降雨量集中于每年的6-9月。
但是1999年以来，北京及周边地区发生持续干旱，1999年—2005年7年平均降水量450毫米，仅为多年平均降水量的77%。
官厅水库
官厅水库是我国解放后修建的第一座大型水库，曾作为北京市重要的供水水源地之一。
但上世纪９０年代以来，北京供水量不断加大和连续出现枯水年，水资源短缺情况日益加剧；随着永定河上游水源污染严重，１９９７年，官厅水库不得不退出饮用水供水系统，致使北京市居民生活用水出现危机。
为解决北京地区社会经济发展中的水资源短缺、水环境污染和生态恶化等问题，北京市科委和北京市计委等部门投入大量的人力和资金，积极开展了对官厅水库的研究治理工作。
经过多年的努力，官厅水库的水质有了明显的好转，水库周边的生态环境也得到了一定的改善，并有望在２００５年实现再次向北京市区供水。
为了了解官厅水库治理工作的实质性进展，记者日前专程前往北京市科委和北京市水利科学研究所进行了采访。
官厅水库治理已有３０余年上世纪７０年代初，官厅水库曾因污染导致大量的鱼类死亡。
为了调查官厅水库的鱼类死亡事件，国务院联合北京、河北等地政府部门成立了官厅水库污染防治领导小组，并设立了中国第一个大规模的防治水污染项目。
到７０年代中期，官厅水库的重金属污染问题基本得到了解决，官厅水库的水资源得到一定程度的保护。
而随着水库上游支流永定河河北段不断受到污染，官厅水库的水质再次恶化。
在１９９７年水库退出饮用水供给时，“官厅水库上游水生态系统脆弱，土地沙漠化，山坡荒漠化，河床淤积严重；水体水质最好时仅达到四类，氨氮、ＣＯＤ等有机物严重超标，已不能满足饮用水的要求”。
北京市水利科学研究所李其军所长对记者说。
北京市科委为恢复官厅水库正常水源功能，缓解北京水资源紧缺问题，确保北京的供水安全，早在２０００年，就立项开展了“官厅水库流域水质改善总体技术方案研究”，并被列入“首都二四八重大科技创新工程”项目。
２００２年初该项目按预定计划完成任务，基本搞清了水库的污染情况，提出了一整套水质改善技术方案并得到专家认可。
在此基础上，市科委于２００２年又继续组织开展了重大项目“官厅水库流域水质改善关键技术研究”。
官厅水库底泥污染物分析及分布规律研究
论文分类号 X524 单位代码10183 密级内部研究生学号 4990094吉林大学硕士学位论文官厅水库底泥污染物分析及分布规律研究Study on Analysis and Distribution Orderliness ofPollutants in Sediments of Guanting Reservoir作者姓名：陈云清专业：分析化学导师姓名：张凤君教授及职称：论文起止年月：2000年11月至 2002年4月提要本文是在完成《官厅水库流域水质改善总体技术方案研究》项目课题三《官厅水库底泥污染监测及控制技术研究》的过程中完成的。
随着官厅水库上游污染治理的不断深入，水库库区内源污染的诊断及治理变得越来越重要。
当官厅水库周边的点污染源和面污染源被较好地控制后，水库库区沉积在底泥中的污染就成为影响库区水体水质的重要因素。
因此，对官厅水库库区底泥中污染物的分布规律和毒性的研究成为本论文的重点。
通过对官厅水库表层底泥样和柱状底泥样的采集和分析，综合运用ＳＥＭ／ＡＶＳ和生态危害指数法对底泥中重金属的毒性和潜在生态危害进行了评价。
通过此课题的完成，最终达到对官厅水库库区重金属的污染分布有清楚的了解，为后续子课题的完成提供了充分的理论依据。
确保在整个项目完成后，底泥中污染物不会对库区水体造成二次污染，完全恢复官厅水库作为北京市饮用水水源地的功能。
目录第一章文献综述.......................................................................错误！未定义书签。
前言...............................................................................错误！未定义书签。
一、官厅水库基本情况..............................................................错误！未定义书签。
人教版高中地理必修一第三章《地球上的水》综合题提升训练 (56)(含答案解析)
人教版高中地理必修一第三章《地球上的水》综合题提升训练 (56)一、综合题（本大题共29小题，共580.0分）1.开放性探究材料一密度流也称异重流，是洋流的一种，主要是指由重力和密度差异所引起的静压力导致的高密度流体向低密度流体下方侵入的现象。
即由于各海域海水的温度、盐度不同，引起海水密度的差异，从而导致海水流动，这就是密度流。
材料二海水密度在表层与深层之间存在着极大的差异，密度小的海水会集聚在密度大的海水上面，上轻下重，使海水成层分布，其上下层之间自然形成了一个屏障，这叫作密度跃层。
如果海水跃层是上层密度大，下层密度小的状态，就会形成负密度梯度跃变层，海水浮力由上至下急剧减小，这被称为“海中断崖”。
海中断崖对潜艇航行危害巨大。
材料三直布罗陀海峡两侧海水盐度分布图。
（1）在上图的短横线上画出箭头表示海水运动的方向。
（2）第二次世界大战时期，德国潜水艇就曾利用该地区的海水运动躲避敌军设在直布罗陀海峡的雷达监测，多次进出地中海，使英法联军的海军遭受巨大的损失。
德军潜艇是如何进出地中海的？（3）根据材料二判断，材料三图中会出现“海中断崖”的海洋是_____________，“海中断崖”出现于该海洋的哪个深度范围内？2.阅读图文材料，回答下列问题。
2017年4月20日，一座巨型冰山搁浅于纽芬兰岛东南部小镇费里兰，小镇突然成了拥挤的旅游景点。
图甲为搁浅冰山照片，图乙为北大西洋中高纬度洋面年平均水温图。
（1）每年春季纽芬兰岛附近会出现大量冰山，这些冰山源自__________，指出冰山对附近海水性质可能产生的影响：___________________。
（2）纽芬兰岛附近海域常会出现一些不利于海洋交通的现象，请根据海水的性质和运动说明原因。
（3）冰山分布范围与大洋表层水温状况有关。
北大西洋中高纬地区水温分布特点是_______________________________，主要影响因素是________________________________________。
官厅水库及永定河枯水期水体氮_磷和重金属含量分布规律
收稿日期:2001-10;修订日期:2001-11 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(N K BR SF -G 1999045710);中国科学院知识创新工程项目(K ZCX 2-310-04-01);中科院地理所所长基金项目(SJIOG -A 00-03) 作者简介:梁涛(1970-),男,博士,副研究员。
主要从事水环境生物地球化学研究工作,已在国内外发表论文近30篇。
E-mail:liang t@ig 文章编号:1007-6301(2001)04-0341-06官厅水库及永定河枯水期水体氮、磷和重金属含量分布规律梁 涛,张秀梅,章 申(中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)摘要:于枯水期(冬季和春季)在官厅水库库区及永定河沿线13个地点采集了表层水样品,分别测定了原水和过滤水中N 、P 和重金属的含量,同时进一步分析了过滤水中不同形态氮的含量,初步探讨了枯水期官厅水库和永定河水体N 、P 及重金属含量的分布规律及污染特征。
研究结果表明,官厅水库库区及永定河沿线重金属基本没有污染,大多低于地表水Ⅲ类标准,极个别样点超过Ⅲ类但仍低于Ⅳ类标准。
N 、P 污染比较严重,大部分样点的总氮、总磷指标超过湖泊水库Ⅳ类标准,个别样点甚至超过Ⅴ类标准。
不同地点,各形态N 的含量有显著差别,体现了外源污染的区域分布规律。
关 键 词:官厅水库;永定河;氮、磷;重金属;含量分布中图分类号:P 343 文献标识码:A水资源是制约区域经济发展的重要因素[1],位于北京西北部的官厅水库,是北京市两个最重要的供水水源地之一[2]。
然而来自上游大量的点源和非点源污染使官厅水库从建库至今,先后发生重金属污染[3]、有机物污染(主要发生在河口及洋河汇入处)[4]、大肠杆菌污染(上游河流入口处)[5]和氮磷污染[6],并于1997年退出首都饮用水供水系统。
近年来北京市的饮用水供需矛盾日益突出,改善官厅水库水质,恢复其饮用水源地功能已列为北京市的重要战略目标。
官厅水库流域水生态环境问题及总体修复方案
Joint Chinese - German Technical Project“Technical solutions for the sustainable water supply of Beijingfrom the Yongding River Basin"官厅水库流域水生态环境问题及总体修复方案Water Environment Problem and Integrated Restore Strategy for Guanting Reservoir and Yongding River Basin北京市水务局刘培斌教授1. 流域概况及存在的水生态环境问题流域概况Situation of GR basin官厅水库坝址以上流域面积43402km2，地跨内蒙、山西、河北及北京，水库总库容41.6亿m3。
The basin area upstream Guanting dam is 43402km2 and it goes across Provinces of Inner Mon-golia, Shanxi , Hebei and Beijing. The total capacity of Guanting reservoir is 4.16 billion m3.流域水生态环境问题 The ecological environment problems in GR basin随着上游地区社会经济的发展，官厅水库流域水生态环境逐年恶化。
(1) 入库水量逐年减少(2)上游地区污染排放增加(3) 库岸淘刷，塌岸严重(4) 底泥淤积，内源污染1997年因水污染被迫退出饮用水供水系统。
针对北京水资源紧缺形势，国务院提出“稳定密云、挽救官厅，恢复官厅水库饮用水源地功能”的治理目标。
北京市水务局为此组织开展了大量的调查和科学研究，经过众多专家和技术人员两年的联合攻关，完成20多项专题研究，提出了官厅水库流域总体治理方案。
官厅水库、密云水库上游流域地表水氮磷含量现状
第38卷㊀第9期2020年9月环㊀境㊀工㊀程Environmental EngineeringVol.38㊀No.9Sep.㊀2020官厅水库、密云水库上游流域地表水氮磷含量现状魏㊀静1,2,3∗㊀郑小刚4㊀张国维1㊀张延夕1㊀王彩玲1㊀王㊀苒1(1.河北省地质调查院,石家庄050081;2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心,石家庄050022;3.中国科学院大学,北京100049;4.河北省土地整理服务中心,石家庄050051)摘要:于平水期和丰水期同点位采集官厅水库㊁密云水库上游流域的地表水样品共计222件,分别测试了原水㊁悬浮物中TN ㊁NH 3-N ㊁NO -3-N 和TP 的含量,探讨氮㊁磷的分布规律及污染特征,并参照GB 3838 2002‘地表水环境质量标准“进行评价㊂结果表明:1)研究区地表水处于富营养化状态,永定河水系氮㊁磷含量相对较高,高值点主要分布在洋河干流断面㊂2)主要河流的干流氮㊁磷高值点的出现均与上游的城市废水排放密切相关,应加大城市废水的治理力度,提高排污标准㊂3)TN 78.26%(丰水期)㊁91.59%(平水期)的样品劣于Ⅲ类,除洋河上流㊁桑干河上流和汤河水系外,其他水系大部分样点TN 仅达劣Ⅴ类要求,但NO -3-N 和NH 3-N 大部分样品符合标准限制,建议制定标准时应加强对NO -3-N 的管控㊂4)TN 33.04%(丰水期)㊁14.02%(平水期)的样品不符合Ⅲ类要求,主要分布在洋河中段㊁壶流河和潮河中段水域㊂关键词:地表水;氮磷含量;官厅水库上游流域;密云水库上游流域DOI:10.13205/j.hjgc.202009017㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2019-04-15基金项目:河北省财政厅(冀财预复 2016 826号)资助㊂∗第一作者㊁通信作者:魏静(1981-),女,博士,正高级工程师,主要从事农业生态环境研究㊂weijing810201@NITROGEN AND PHOSPHORUS CONTENT OF SURFACE WATER IN THE UPSTREAMBASIN OF GUANTING RESERVOIR AND MIYUN RESERVOIRWEI Jing 1,2,3∗,ZHENG Xiao-gang 4,ZHANG Guo-wei 1,ZHANG Yan-xi 1,WANG Cai-ling 1,WANG Ran 1(1.Hebei Institute of Geological Survey,Shijiazhuang 050081,China;2.Center for Agricultural Resources Research,Institute ofGenetics and Developmental Biology,Chinese Academy of Sciences,Shijiazhuang 050022,China;3.University of ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100049,China;nd Consolidation and Rehabilitation Center of Hebei Province,Shijiazhuang 050051,China)Abstract :A total of 222surface water samples from the upstream water system of Guanting Reservoir and Miyun Reservoirwere collected at the same point in both plain and the abundant water periods.The contents of total nitrogen,ammonianitrogen,nitrate and total phosphorus in raw water and the suspended solids were measured respectively.The distribution andpollution characteristics of nitrogen and phosphorus were discussed and evaluated with reference to the environmental quality standard of surface water (GB 3838 2002).The results showed that:1)the surface water in the study area was ineutrophication state,the nitrogen and phosphorus content in Yongding River system was relatively higher,and the high value points were mainly distributed in the cross section of the main stream of the Yanghe River;2)the appearance of the high valuepoint of nitrogen and phosphorus in the main stream of the main river was closely related to the discharge of urban wastewater in the upper reaches of the river,and the treatment of urban wastewater should be strengthened;3)the samples of 78.26%total nitrogen (in abundont water period)and 91.59%(in plain water period)were inferior to class Ⅲ.Except for the upper reaches of the Yanghe River,the upper reaches of the Sanggan River and the Tang River systems,the total nitrogen in most of the sample sites of the other water systems was inferior to class Ⅴ.However,most of the samples of nitrate and ammonianitrogen were defined to meet the standard limit,so it was suggested that the control of nitrate should be strengthened whensetting the standard;4)the samples of total phosphorus 33.04%(in abundant water period)and 14.02%(in plain water环㊀境㊀工㊀程第38卷period)didn t meet the requirements of category Ⅲ,and mainly distributed in the middle section of the Yanghe River,HuliuRiver and the middle section of the tidal river waters.According to the present situation of surface water environmental quality,some suggestions for future work were put forward.Keywords :surface water;nitrogen and phosphorus content;the upstream basin of Guanting Reservoir;the upstream basin of Miyun Reservoir0㊀引㊀言水资源是制约区域经济发展的重要因素[1],随着近年来人口增长㊁农业生产和燃料消耗,地表水中的氮㊁磷负荷明显增加[2,3],过量的氮㊁磷向地表水的输入不仅使人体健康受到威胁,还引起水体富营养化,进而导致河流水生生态系统的退化[4-6],成为水环境治理面临的重要问题之一㊂官厅水库由于库区水体受到严重污染[7,8],于1997年退出首都饮用水供水系统,虽然2015年作为北京备用水源地又重新启用,但其上游水土环境问题仍然存在隐患㊂密云水库作为北京市最大的地表饮用水源,其水质状况直接影响北京市人民的生活和健康[9]㊂为推进京津冀协同发展,打造京津冀生态涵养保护支撑区,于2017 2018年在官厅水库㊁密云水库上游流域开展地表水调查工作,本文提取地表水丰水期和枯水期氮㊁磷含量第一手分析数据,开展地表水氮㊁磷含量特征和空间分布规律研究,并依据相关标准对其环境质量进行评价,为水资源的保护和合理利用提供数据支撑㊂1㊀研究区概况研究区为官厅水库㊁密云水库上游流域河北段,分属潮白河流域和永定河流域,包括怀安县㊁怀来县㊁阳原县㊁蔚县㊁赤城县等12县1市(图1),北靠内蒙古高原,南临太行山北段的小五台山,东接燕山北麓㊂区内水系发育,主要河流包括洋河㊁桑干河㊁永定河㊁白河㊁黑河㊁汤河和潮河,地下水资源开采资源模数主要为(5~10)ˑ104m 3/(a ㊃km 2),分属潮白蓟运河地下水系统和永定河地下水系统㊂地貌类型以中山㊁低山㊁盆地及河谷平原为主,出露地层主要有太古界㊁元古界㊁古生界㊁中生界㊁新生界等,以新生界的第四系和中生界的白垩系为主㊂全区有17个土壤类型,其中褐土㊁棕壤分布面积相对较大,分别占全区的30.46%和18.41%,褐土主要分布于研究区东部和西南部的低山㊁台地区,棕壤主要分布于丰宁县北部㊁崇礼区㊁下花园区东部和兴隆县西部㊂土地利用类型以林地㊁草地和耕地为主㊂图1㊀区位置图和行政区划图Figure 1㊀A map depicting the location of study area in Hebei province and expansion on the study area depicting administrative counties201第9期魏㊀静,等:官厅水库㊁密云水库上游流域地表水氮磷含量现状2㊀数据和方法2.1㊀数据来源2017年4 8月同点位采集平水期和丰水期2期地表水样品,采样点主要分布在二级水系入河(库)口的上下游和污染源入水口,样品采集密度按汇水域以300km2计为1点,剔除平行样后,采集数量为丰水期共115件,平水期共107件㊂悬浮物原水样选择在水面下50cm处取样,过滤膜孔径为0.45μm㊂样品全部送河北省地质实验测试中心分析,滤膜规格为0.45μm㊂TP采用过硫酸钾高压氧化 钼锑抗比色法测定;碱性介质中,TN测定采用过硫酸盐氧化-盐酸萘乙二胺分光光度法;NH3-N测定分光光度法;NO-3-N测定采用紫外分光光度法;NO-2-N测定采用盐酸萘乙二胺分光光度法㊂2.2㊀评价方法利用ArcGIS10.2㊁SPSS18.0和Office2016等软件对数据进行空间统计分析,按照GB3838 2002‘地表水环境质量标准“中的基本项目标准限值对地表水中氮㊁磷含量的数量和空间特征进行描述,归纳总结地表水中氮不同形态的分配特征,并统计分析氮在原水㊁悬浮物中的变化情况㊂其中,TN㊁NH3-N㊁TP 按照限值分为5类(表1),硝酸盐作为补充项目分为2类,标准值为10mg/L㊂表1㊀GB3838 2002基本项目标准限值Table1㊀Basic items limits specified in environmentalquality standard for surface water(GB3838 2002)mg/L 项目ⅠⅡⅢⅣⅤNH3-Nɤ0.15ɤ0.5ɤ1.0ɤ1.5ɤ2.0 TNɤ0.2ɤ0.5ɤ1.0ɤ1.5ɤ2.0 TPɤ0.02ɤ0.1ɤ0.2ɤ0.3ɤ0.4 3㊀结果与分析3.1㊀地表水中氮、磷含量分布从地表水中TN的赋存状态分析,研究区地表水中氮主要以硝酸盐形式存在,少量为亚硝酸盐和NH3-N㊂硝酸盐含量均值为5.24mg/L,为总氮含量均值的92.42%(平水期)和95.41%(丰水期)(表2)㊂由于NO-3-N易被淋洗,随着渗漏水的增加,硝酸盐的淋失率较氨氮大,而氨氮中铵盐态氮(NH+4)易被土壤黏粒表面和有机质表面功能基吸附,淋失率相对较小㊂表2㊀地表水氮㊁磷总体数量特征Table2㊀Total quantitative characteristics of nitrogen and phosphorus in surface water mg/L指标平水期丰水期最大值中值最小值均值变异系数最大值中值最小值均值变异系数TN24.02 4.740.42 5.670.7129.19 3.880.02 4.790.97 NH3-N8.270.03<0.020.18 4.74 1.290.04<0.020.08 1.88 NO-3-N20.46 4.670.25 5.240.7022.45 3.79<0.20 4.570.97 NO-2-N8.090.02<0.0040.25 4.14 1.48<0.004<0.0040.04 4.95 TP 3.140.01<0.0010.12 3.06 3.280.11<0.0010.25 2.04㊀㊀对平水期和丰水期地表水中氮㊁磷含量差异分析,丰水期氮的不同形态含量均值均小于平水期,而磷表现恰好相反(表2)㊂氮的含量变化主要受到地表径流的稀释作用影响,其中,丰水期地表水中亚硝酸盐含量均值比平水期下降84%,氨氮下降55.56%;丰水期地表水磷含量均值为平水期的2.08倍,主要由于丰水期土壤氧化还原电位(Eh)下降,磷酸亚铁的溶解度较高,增加了磷的有效度㊂按照GB3838 2002进行评价,研究区地表水TN含量超标严重,不同形态含量则环境质量较好㊂如表3所示,地表水78.26%(丰水期)㊁91.59%(平水期)的样点总氮含量劣于Ⅲ类,63.48%(丰水期)㊁85.05%(平水期)的样点总氮含量为劣Ⅴ类㊂对硝酸盐和氨氮的评价结果显示,86.96%(丰水期)㊁85.98%(平水期)的样品硝酸盐含量符合集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准;99.13%(丰水期)㊁97.20%(平水期)的样品氨氮含量满足Ⅲ类要求,整体环境质量较好㊂表3㊀地表水中氮㊁磷含量评价Table3㊀Evaluation results of nitrogen and phosphoruscontent in surface water%指标ⅠⅡⅢⅣⅤ劣Ⅴ丰水期TN11.30 1.748.709.57 5.2263.47 NH3-N92.17 4.35 2.610.87TP20.8728.7017.3914.78 5.2213.04NO-3-N符合不符合86.9613.04平水期TN0.00 2.80 5.61 3.74 2.8085.05 NH3-N88.79 5.61 2.800.93 1.870.00TP60.7519.63 5.617.480.00 6.53NO-3-N符合不符合85.9814.02㊀㊀造成此类问题的主要原因是由于评价标准中301环㊀境㊀工㊀程第38卷NO -3-N 的标准限值为10mg /L,TN(湖㊁库)标准限值为1.0mg /L,二者相差10倍㊂NO -3-N 本身对人体无直接危害,一旦其被还原为NO -2-N 后就可能引发如肝癌㊁胃癌等病症[3,11],故标准修订时还需进一步加强对硝酸盐的管控㊂地表水磷环境质量优于氮,66.96%(丰水期)㊁85.98%(平水期)的样品总磷含量符合GB 38382002Ⅲ类要求(表3)㊂地表水磷环境质量较好,主要由于磷可与土壤矿物质结合,施入土壤的可溶性磷可与铁㊁铝氧化物和水化氧化物㊁层状铝硅酸盐㊁碳酸盐以及钙㊁铁㊁铝等发生沉淀反应和吸附反应,转变为不溶性或缓效磷,降低了土壤磷的流失量㊂3.2㊀地表水氮㊁磷空间分布无论丰水期还是平水期,地表水中总氮㊁硝酸盐变异系数均较小(表2),空间分布相对均匀,整体环境质量不容乐观㊂除洋河上流㊁桑干河上流和汤河水系外,其他水系总氮含量仅达劣Ⅴ类(图2);氨氮㊁亚硝酸盐和总磷变异系数均较大,高值区主要分布在大中城市下游,其来源主要为城市废水㊂图2㊀地表水氮㊁磷含量评价(丰水期)Figure 2㊀Evaluating contents map of nitrogen and phosphorus of the surface water in abundant water period㊀㊀选择洋河㊁桑干河㊁潮河和白河4条主要河流,沿河流流向进行TN㊁TP 含量示踪(图3)㊂可知:洋河㊁桑干河和白河中TN㊁TP 含量呈波浪状上下波动,变幅较大;潮河自3号样点含量升高之后,变幅较小㊂其中,洋河的6号样点,桑干河的4号样点㊁9号样点,白河的5号样点(平水期)㊁6号样点(丰水期),潮河3号样点的TN 含量处于波峰位置;洋河6号样点,桑干河1号样点,白河5号样点,潮河3号样点TP 含量处于波峰位置㊂野外调查发现,这些相对高值点上游均有城市废水注入,导致下游水质明显变差,通过测试分析发现,废水样品中污染指标主要为NH 3-N 和TP㊂3.3㊀TN ㊁TP 在水体㊁悬浮物中含量特征TN㊁TP 在悬浮物和水体中的含量如表4所示㊂可知:水体中TN 含量均大于悬浮物,其中,水体TN 含量均值为悬浮物均值的3倍,表明研究区TN 主要以溶解态存在于地表水中;TP 则恰好相反,悬浮物中TP 含量均值为水体均值的3倍,表明研究区TP 主要以颗粒态存在于悬浮物中㊂4㊀地表水氮磷防治建议1)应将GB 3838 2002修改工作提上日程㊂2002版标准发布至今历经17年,为地表水评价工作洋河(丰);----洋河(平); 桑干河(丰);----桑干河(平);白河(丰);----白河(平); 潮河(丰);----潮河(平)㊂图3㊀地表水中TN㊁TP 含量沿河流流向变化折线Figure 3㊀Line chart of total nitrogen and phosphorus content in surfacewater along the flow direction of the riveras做出了巨大贡献㊂通过此次调查发现,研究区水库中总氮主要以硝酸盐形式存在,而地表水评价标准中仅以集中式生活饮用水地表水源地补充项目对硝酸盐规定了限值,数值为总氮限值的10倍,这导致地表水中硝401第9期魏㊀静,等:官厅水库㊁密云水库上游流域地表水氮磷含量现状㊀㊀表4㊀TN㊁TP在悬浮物和水体中含量对比(丰水期)Table4㊀Comparison of nitrogen and phosphorus contents in suspended solids and water body(in abundant water period)酸盐和氨氮指标均符合标准要求,而水库中总氮却发生超标现象,不能及时对致污河段进行预防和管理㊂2)全面落实 化肥施用量零增长计划 ,转变施肥观念㊂农业农村部2015年3月发布的‘到2020年化肥施用量零增长行动方案“提到我国农作物用量0.033kg/m2,远高于世界平均水平(0.012kg/m2),是美国的2.6倍,欧盟的2.5倍㊂研究区作为水源生态涵养区应率先启动,提高有机肥资源利用率,推进测土配方施肥和施肥方式的转变㊂3)提高城市污水排污标准,更新处理技术㊂地表水中氮㊁磷的极值点附近均有城市污水排放口,导致下游水质明显变差,污水超标指标主要为氨氮和总磷㊂城市污水氮来源呈现季节性差异,春㊁夏㊁冬季潜在来源包括生活黑水及大气降雨,而秋季主要来源是生活黑水[12],应从源头提高生活黑水的资源化率,广泛更新处理技术,有助于城市污水氮污染排放的实际削减㊂4)按行政单元测算农业用地对水体氮㊁磷污染贡献率,为生态环境损害赔偿制度建立提供数据支撑㊂征收生态环境补偿费是解决生态环境破坏和资源保护最直接㊁最有效的手段之一[13],根据不同行政单元不同种植模式下农田氮㊁磷地表径流排放系数,结合农用化肥施用量㊁河网密度,建立相关模型测算不同行政单元农用地对地表水体氮㊁磷贡献率,为生态环境损害赔偿制度建立提供数据支撑,为污染的有效治理和环境保护补偿金的收取提供技术支撑㊂5)合理规划河道两侧景观类型,最大限度地弱化面源污染问题㊂应用 源 - 汇 理论,深度研究景观格局对研究区地表水中氮㊁磷含量的影响,通过对比不同子流域景观空间负荷对比指数,判断流域发生养分流失的危险性,探讨不同景观类型在空间上的搭配组合来控制养分流失在时空尺度上的平衡状态[14]㊂通过增加植被缓冲带,在坡地上植树种草,对降水所携带的泥沙㊁营养盐负荷起到一定的阻碍,加强对水体的保护㊂5㊀结㊀论研究区地表水水体处于富营养化状态,氮元素主要以硝酸盐形式赋存,含量比例高达90%以上,氨氮㊁亚硝酸盐含量相对较低㊂永定河水系地表水氮㊁磷含量相对较高,高值点主要分布在洋河干流断面㊂主要河流氮㊁磷高值点的出现均与上游的城市废水排放密切相关㊂研究区地表水总氮超标严重,丰水期优于平水期,其中硝酸盐和氨氮大部分样点符合地表水限值要求,从侧面反映出地表水标准制定时应对硝酸盐加强管控㊂磷在土壤中由于能够转变为不溶性或缓效磷,降低其淋失率,环境质量整体优于氮,丰水期劣于平水期,超标区域主要分布在洋河中段㊁壶流河和潮河中段水域㊂参考文献[1]㊀王劲峰,陈红焱.区域发展和水资源利用透明交互决策系统[J].地理科学进展,2000,19(1):9-16.[2]㊀CURT M D,AGUADO P,S NCHEZ G,et al.Nitrogen isotoperatios of synthetic and organic sources of nitrate water contaminationin spain[J].Water Air&Soil Pollution,2004,151(1/4):135-142.[3]㊀ZEBARTH B J,FREYMAN S,KOWALENKO C G.Influence ofnitrogen fertilization on cabbage yield,head nitrogen content andextractable soil inorganic nitrogen at harvest[J].Canadian Journalof Plant Science,1991,71(4):1275-1280.[4]㊀DING J T,XI B D,XU Q G,et al.Assessment of the sources andtransformations of nitrogen in a plain river network region using astable isotope approach[J].Journal of Environmental Sciences,2015,30(4):198-206.(下转第144页)501。
基于InVEST模型的官厅水库流域产水和水质净化服务时空变化
基于InVEST模型的官厅水库流域产水和水质净化服务时空变化吴瑞;刘桂环;文一惠【摘要】Guanting Reservoir(GR) is one of the most important water sources in both Beijing and its neighboring regions.Because of water pollution,it was once withdrawn from the local drinking water supply system.After thorough treatment,GR has been a spare water source since 2007.In order to do a quantitative,overall analysis of the services of both water yield and water purification in GR basin,two time points were selected:when GR was withdrawn from the local drinking water supply system and when it became the spare water source.The quantities of water yield,total nitrogen and total phosphorus outputs were evaluated during 1995 to 2010 based on the InVEST model.Besides,the spatiotemporal variations of the water yield service and water quality purification service in GR basin were analyzed.The results showed that the water yield service in GR basin from 1995 to 2010 was weakened at first and then increased,but overall it was weakened.Water yield capacity in the basin decreased from 18.85 × 108 m3 in 1995 to 14.33 × 108 m3 in 2010(a decrease of24.0％).Water quality purification service was weakened at first and then enhanced,and overall it was enhanced.The total nitrogen output decreased from 4028.7 t(in 1995) to 3611.4 t (in 2010) while the total phosphorus decreased from 379.7 t (in 1995) to 354.0 t (in 2010).Nitrogen and phosphorus purification services were enhanced by 10.4％ and6.8％,respectively.The changes to the climate and land use were the main factors which led to the changes of water yield service in GR basin.In addition,water resource protection-oriented policies in different periods have matched the variation trend of water quality purification service.%官厅水库是北京市及其周边地区重要的水源地之一,曾因水质污染严重而被迫退出北京市饮用水供应系统,经过全面治理后于2007年恢复成为北京市备用水源地.为了从整体上定量分析官厅水库流域生态系统的产水和水质净化服务,基于InVEST模型,选择官厅水库退出北京市饮用水供应系统和恢复成为北京市备用水源地为时间节点,定量评估1995-2010年官厅水库流域生态系统的产水量和TN、TP输出量,分析其产水服务和水质净化服务的时空变化.结果表明:1995-2010年,官厅水库流域产水服务表现为先减弱后增强,但整体呈减弱趋势,流域产水量由1995年的18.85×108 m3降至2010年的14.33 × 108m3,产水服务减弱24.0％.水质净化服务表现为先减弱后增强,但整体呈增强趋势,流域的TN、TP输出量分别由1995年的4 028.7、379.7 t降至2010年的3 611.4和354.0 t,TN、TP净化服务分别增强10.4％和6.8％.研究显示,气候变化和土地利用变化是导致官厅水库流域产水服务发生改变的主要原因,不同时期的水资源保护政策导向也与水质净化服务变化趋势相吻合.【期刊名称】《环境科学研究》【年(卷),期】2017(030)003【总页数】9页(P406-414)【关键词】官厅水库流域;InVEST模型;时空变化;水质净化;产水量【作者】吴瑞;刘桂环;文一惠【作者单位】北京林业大学水土保持学院,北京 100083;环境保护部环境规划院,北京 100012;环境保护部环境规划院,北京 100012;环境保护部环境规划院,北京100012【正文语种】中文【中图分类】X826生态系统服务是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用［1］．具有极高甚至无法计量的价值，与人类福祉关系极其密切［2］．产水服务和水质净化服务是流域生态系统研究中非常重要的两项服务，对水量和水质的变化有直接影响，针对产水服务和水质净化服务的研究逐渐成为水文学和流域管理领域的研究热点［3-5］．以往对于生态系统服务的评估多是基于土地利用类型，同时结合因子分析法进行研究［6-8］，但所得结果存在动态研究不足、评价结果单一、缺乏空间概念的问题［9-11］．近年来，随着GIS、RS等技术的发展，一些研究者开始借助于模型工具的方法来进行研究，这成为解决上述问题的一个突破口．InVEST模型［12］是其中较为成熟、应用较为广泛的一种，在国外的应用研究相对成熟，研究热点多集中于运用该模型多个模块对生态系统服务进行综合评估，并将评估结果用于规划管理中．如Nelson等［13-14］分别研究了威拉米特河盆地和非洲西部加纳、科特迪瓦两地的土地利用变化，运用InVEST 模型评估了由此造成的生态系统服务变化;Goldstein等［15-16］分别运用该模型多个模块对夏威夷瓦胡岛和美国加利福尼亚州内达华山脉进行了综合生态系统服务评估，将研究结果应用于当地的决策方案筛选与水资源保护规划中．国内相关研究起步相对较晚，目前多是运用InVEST模型针对某一区域进行单一或综合的生态系统服务评估，如ZHANG等［17-18］分别对西苕溪流域和三江源区的产水量进行了评估;白杨等［19］运用该模型生物多样性、水源涵养以及水质净化等6个模块对白洋淀流域的生态系统服务进行了综合评价和空间分布特征分析．综上，InVEST模型是一种有效的评估自然资本和空间化分析的工具，能够为管理决策的制订提供参考．官厅水库对于保障北京市及其周边地区的饮用水安全具有重大意义，但到目前为止仍缺乏针对该区域产水服务和水质净化服务的研究．当前针对官厅水库的研究主要集中于水库水体污染、周边土壤污染、水质演变等方面［20-21］，尚没有从生态系统服务角度进行有关水量与水质的研究．为全面认识并充分发挥官厅水库流域生态系统服务功能，积极维护首都水生态安全，开展该区域产水服务和水质净化服务的时空变化及其驱动因素研究十分必要．该研究以官厅水库流域为研究区域，将InVEST模型运用于该区域的产水服务评估和水质净化服务评估之中;同时，关注政策因素对官厅水库水质变化的影响，并以官厅水库退出北京市饮用水供应系统和恢复成为北京市备用水源地为时间节点，选取1995年、2000年、2010年三期InVEST模型所需数据进行评估，分析该时段内官厅水库流域产水服务和水质净化服务的时空变化，并探讨其驱动因素，以期为完善官厅水库水资源管理工作、改善官厅水库水环境提供科学依据和有效参考．官厅水库位于河北省张家口市怀来县和北京市延庆县境内，自1954年建库以后，曾一度是北京市最重要的水源地之一．但在20世纪80年代中期，官厅水库遭受严重的有机污染，并不断恶化［22］．1997年5月，官厅水库被迫退出北京市饮用水供应系统;2003年，北京市政府为缓解北京市水资源供需矛盾，决定对官厅水库进行全面治理，最终于2007年10月使官厅水库恢复成为北京市备用水源地．水库入库水系有桑干河、洋河和妫水河，流域总面积46 768 km2．该研究所选的流域范围包括北京市延庆县的妫水河流域、门头沟区境内的部分永定河流域及河北省张家口市境内的洋河流域(包括清水河)、桑干河流域(包括壶流河)，面积34 151 km2，约占官厅水库流域总面积的3 4．该区域为影响官厅水库水量及水质变化的主要区域，极具代表意义．研究区地处蒙古高原与华北平原之间，为温带半干旱区，属大陆季风型气候，夏短冬长，多风少雨，气候干燥，多年平均降水量为400～600 mm，降水的季节分配差异很大，主要集中在6—9月．2．1 数据来源及处理InVEST模型所需数据包括土地利用数据、DEM、气象数据、年潜在蒸发量、土壤深度、植物可利用水含量、流域和子流域边界、生物物理属性以及氮磷输出负荷数据．土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据中心，选取1995年、2000年、2010年三期数据，经接边、转换、裁剪等处理得到研究区域30 m分辨率的土地利用栅格数据;DEM数据来源于地理空间数据云网站(http: www．gscloud．cn)提供的30 m分辨率的GDEMV2数字高程数据，经镶嵌、裁剪和填洼等处理，生成DEM数据;气象数据来源于中国气象数据网(http: data．cma．gov．cn)，为规避单一年份数据的低代表性，选取3个时段(1993—1997年、1998—2002年、2008—2012年)气象数据的多年平均值，对研究区域及周边共25个气象站点和水文站点的降水量数据进行克里金插值，生成相应年份30 m分辨率的栅格图;年潜在蒸发量采用针对华北地区经过系数校正后的Hargreaves公式［23］进行计算:式中:ET0为潜在蒸发量，mm d;Tmax和Tmin分别代表日最高温均值和日最低温均值，℃;Ra为太阳大气顶层辐射，mm d．太阳大气顶层辐射数据是通过NASA 网站(https: eosweb．larc．nasa．gov sse RETScreen)查询研究区域内各气象站点和水文站点的太阳辐射值，并将太阳辐射值除以50%所得［24］．对计算得出的25个气象站点和水文站点的年潜在蒸发量进行克里金插值，生成研究区域相应年份30 m分辨率的潜在蒸发量数据;土壤深度和植物可利用水含量均来源于寒区旱区科学数据中心的中国土壤数据集 (http: westdc．westgis．ac．cn data 611f7d50-b419-4d14-b4dd-4a944b141175)，通过属性空间栅格化之后获得，其中植物可利用水含量数据根据ZHOU等［25］的非线性拟合土壤AWC估算模型经过计算后得到;流域和子流域边界是运用Arc-SWAT工具对研究区域的DEM数据进行小流域划分处理后得到，生成的子流域是作为模型统计结果的输出单元;生物物理属性以及氮磷输出负荷数据参考InVEST 用户指南和查阅研究区附近区域的相关文献［26-29］后估算获得，该研究采用的氮磷输出相关参数见表1．2．2 模型原理与校验2．2．1 模型原理InVEST模型的产水模块是一种基于水量平衡法的估算方法，某栅格单元的降水量减去实际蒸散的水量即为产水量，单位面积产水量越多，产水服务越强，其中实际蒸散是根据ZHANG等［30］基于Budyko水热耦合平衡假设提出的算法计算得出．模型主要算法:式中:Yxj为栅格x中土地覆被类型j的年产水量，mm;AETxj为栅格x中土地覆被类型j的实际蒸散量，mm;Px为栅格x的降水量，mm．InVEST模型中的水质净化模块用于评估生态系统中植被和土壤的水质净化服务，主要运用植被和土壤可以通过储存和转换等方式移除或减少径流中的营养盐污染物以达到净化水质的作用的机理．该模型忽略其他污染源，只考虑非点源污染中的TN和TP，二者输出量越高，表明水质净化服务越低，其主要算法:式中，ALVx是栅格x的调整后输出量，HSSx栅格x的水文敏感性得分，polx为栅格x的输出系数．得到营养物(TN、TP)输出量之后，再根据各土地利用覆被类型对污染物的移除效率来计算得出营养物保持(截留)量．2．2．2 模型校验模型校验是指将模型运行结果与实测数据进行比较，通过调整季节性因子来确定最适合于研究区域的评估模型．由于断面径流量数据不能准确反映自然径流量［31］，并且该研究涵盖的区域范围为非完整流域，因此难以采用断面数据进行校验;同时，模型产水模块的计算结果包含了地表水和地下水，因此笔者采用平均径流深与模型相应评估值进行校验．经过反复调节季节性因子取值，确定当季节性因子取值为4．22时，模型评估结果与实测值最为接近，误差为0．05%．此时，官厅水库流域的产水深为55．16 mm，产水量为18．85×108m3．3．1 产水服务时空变化3．1．1 产水服务时间变化1995年、2000年、2010年官厅水库流域内44个子流域的单位面积产水量如图2所示．从整体上看，官厅水库流域的产水服务呈现先减弱后增强的趋势．1995年的产水服务最强，全流域单位面积产水量为550．17 m3(hm2·a)，年产水量为18．85×108m3，年产水深为55．16 mm;2000年产水服务最弱，全流域单位面积产水量为203．54 m3(hm2·a)，年产水量为7．59×108m3，年产水深为22．35 mm;2010年的产水服务相比较于2000年有所增加，全流域单位面积产水量为408．37 m3(hm2·a)，年产水量为14．33×108m3，年产水深为40．77 mm．同一年份内，官厅水库流域的单位面积产水量在空间上分布不均匀;不同年份间，流域单位面积产水量的分布规律表现较为一致，流域下游地区的单位面积产水量明显多于上游地区．根据统计分析(见表2)，张家口市6区5县(下称张家口地区)的单位面积产水量与北京市(下称北京地区)差异较大，1995年、2000年和2010年张家口地区的单位面积产水量比北京地区相比降低38．6%、45．7%和36．6%．1995—2010年期间北京地区和张家口地区的产水量变化率表现出较大差异．1995—2000年北京地区和张家口地区的产水量变化率分别为－57．9%和－62．8%，2000—2010年分别为78．3%和108．2%，其中张家口地区产水量变化幅度较大，但总体上北京地区的产水量下降率更高．3．1．2 产水服务空间分异1995—2000年，官厅水库流域大多数区域的产水服务呈减弱趋势;产水服务减弱的区域占流域总面积的84．5%，流域下游地区的产水服务降幅比上游地区更大，7．6%的流域面积产水服务有所增强，产水服务保持不变的区域占流域总面积的7．9%，主要集中在北京中心城区．2000—2010年，官厅水库流域大多数区域的产水服务有所增强;产水服务有所增强的区域占流域总面积的88．2%，增幅较大的区域主要集中在流域下游地区，9．0%的流域面积产水服务有所减弱，产水服务保持不变的区域占流域总面积的2．8%(见图3)．3．1．3 产水服务变化驱动因素分析由于InVEST模型产水量模块是基于水量平衡法开发的模型，受降水和实际蒸散的影响较大．其中降水是气候变化的重要变量，实际蒸散则同时受气候和下垫面地表覆被的影响．气候变化通过影响降水和蒸发能力来影响产水量，土地利用变化通过改变下垫面状况来对产水量产生影响［3，18］．该研究通过情景分析分别评估气候变化和土地利用变化对官厅水库流域产水服务的影响，深入探讨该区域产水服务时空变化的原因．设置气候不变情景和土地利用不变情景两种情景，其中气候不变情景仅假设气候状况维持在1995年不变的水平，土地利用不变情景仅假设土地利用状况维持在1995年不变的水平，然后分别对两种情景下1995年、2000年、2010年官厅水库流域的产水量进行评估．气候不变情景下的产水量评估结果整体表现为连续下降趋势(见图4)，其中2000年的评估结果与实际情况表现出显著差异，这是因为研究区域土地利用类型发生转变的缘故．1995—2000年，官厅水库流域内林地面积和水域面积分别减少了19 974和4 739 hm2［32］，直接导致流域产水服务大幅下降．因此，土地利用变化是导致产水服务发生变化的一个重要原因．土地利用不变情景下的产水量评估结果与实际情况类似(见图4)．对1995—2010年的气候变化(降水量和气温)进行分析，发现气温变化基本持平，而降水量的变化表现为倒抛物线趋势(见图5)，该趋势也与土地利用不变情景下的产水量变化趋势一致，这说明气候变化也是引起产水服务发生变化的重要原因．从空间上看，张家口市的降水量普遍低于北京市，与产水量空间分布(见图2)表现一致;在1995—2000及2000—2010年，北京市降水量的降幅和增幅均明显大于张家口市，分别与官厅水库流域1995—2000及2000—2010年的产水量变化情况(见图3)对应，北京市在这两段时间内的产水量降幅和增幅均大于张家口市．这也进一步证实了气候变化(降水量)是引起产水服务变化的重要原因．3．2 水质净化服务时空变化3．2．1 TN、TP输出空间分异流域内各子流域单位面积TN、TP输出量分布存在一定的空间分异．单位面积TN、TP输出量最大值分别为2．55和0．24 kg hm2，二者均出现在1995年;单位面积TN、TP输出量最小值分别为0．27和0．03 kg hm2，其中单位面积TN输出量最小值出现在2010年，而单位面积TP输出量最小值在1995年、2000年和2010年表现一致(见图6)．从空间上看，单位面积TN、TP输出量较高的子流域主要集中在北京地区东南部和张家口地区西南部，这些区域往往有着较低的植被覆盖度;单位面积TN、TP输出量较低的子流域主要集中在北京地区北部和张家口地区东南部，这些区域的植被覆盖度普遍较高．从时间上看，不同年份间多数区域的TN、TP输出量基本保持不变．1995—2000年TN、TP输出量保持不变的面积分别占流域总面积的81．5%和90．3%;2000—2010年分别占86．9%和95．2%(见表3)．不同年份间TN、TP输出量增加或减少的区域随机分布在流域各处，没有主要集中区域．3．2．2 水质净化服务时间变化1995—2010年，官厅水库流域的TN、TP输出量呈先增加后减少趋势，其中1995—2000年TN、TP输出量分别增加了2．7%和5．8%，2000—2010年分别减少了12．7%和11．9%．15 a间官厅水库流域的TN、TP输出量均有所减少，分别减少了10．4%和6．8%．北京地区和张家口地区的 TN、TP输出量在1995—2010年也几乎呈下降趋势，但北京地区的下降程度明显大于张家口地区．15 a间北京地区的TN输出量下降了18．2%、TP输出量下降了17．7%，张家口地区的TN输出量下降了3．0%、而TP输出量增长了3．8%(见表4)．总的来说，1995—2010年官厅水库流域的水质净化服务呈现不断增强的趋势，15 a间该流域对TN的净化服务增强了10．4%，对TP的净化服务增强了6．8%．北京地区的氮、磷净化服务均有一定程度增强，张家口地区的氮净化服务略有增强，而磷净化服务略有减弱．3．2．3 水质净化服务影响因素探讨InVEST模型的水质净化模块主要评估植被和土壤对TN、TP的截留效用，因此植被覆盖、土壤类型等都是影响水质净化服务的重要因素．从空间上看，官厅水库流域水质净化服务较弱的区域主要集中在平原地区(见图6)，这些区域的植被覆盖度更低，对污染物的截留效用减弱;同时这些区域的城市化程度更高，更加频繁的人类活动也导致污染物排放的增加，从而导致水质净化服务的减弱．因此由于人类活动引起的植被覆盖变化或污染物排放变化也会对水质净化服务产生影响，这一点在官厅水库的发展历程及政策变化中也有所体现: 1995—2000年，官厅水库的富营养化问题日益突出，氮、磷污染成为这一时期的主要污染［33］，这直接导致官厅水库于1997年退出北京市饮用水供应系统，从而在该时期内官厅水库流域的氮、磷输出量均有所增加;2000—2010年，随着《21世纪初期(2000—2005 年)首都水资源可持续利用规划》《海河流域水污染防治规划(2006—2010年)》等一系列规划的颁布实施，官厅水库水质有了明显改善，从而这段时期内官厅水库流域的氮、磷输出量均明显减少，水质净化服务得到恢复并有所增强．这也充分说明这些水资源相关规划和政策切实改善了官厅水库流域的水环境，可以为官厅水库的水资源管理提供有力依据和重要参考．从研究区域的行政区划上来看，2000—2010年，北京地区产水服务和水质净化服务的增强程度均明显大于张家口地区，而这段时间内张家口地区作为北京地区上游为保护官厅水库采取了多项环境保护和污染治理措施［34］．二者之间是否存在联系值得进一步研究，研究结果或可为官厅水库流域的环境政策研究提供参考．a)1995年、2000年、2010年官厅水库流域的产水服务呈现先减弱后增强的趋势，其年产水量分别为18．85×108、7．59×108、14．33×108m3，整体呈减弱趋势，15 a来产水服务减弱24．0%．b)官厅水库流域内各子流域的产水服务表现出显著的空间异质性，下游北京地区的产水服务明显强于上游张家口地区，并以张家口地区产水服务的变幅较大．c)1995年、2000年和2010年官厅水库流域的水质净化服务呈现先减弱后增强的趋势，其中TN输出量分别为4 028．7、4 137．9、3 611．4 t，TP输出量分别为379．7、401．8、354．0 t．15 a间官厅水库流域对TN的净化服务增强了10．4%，对TP的净化服务增强了6．8%．d)1995—2010年北京地区的水质净化服务增强幅度明显大于张家口地区，其中北京地区的氮、磷净化服务分别增强了18．2%和17．7%，张家口地区的氮净化服务略有增强，增强幅度为3．0%，而磷净化服务出现衰退，减弱了3．8%．【相关文献】［1］ JANSSON N K，LEVIN S，LUBCHENCO J，et al．The value ofnature and the natureof value［J］．Science，2000，289(5478): 395-396．［2］谢高地，张彩霞，张昌顺，等．中国生态系统服务的价值［J］．资源科学，2015，37(9):1740-1746．XIE Gaodi，ZHANG Caixia，ZHANG Changshun，et al．The value of ecosystem services of China［J］．Resource Science，2015，37(9): 1740-1746．［3］ TERRADO M，ACUA V，ENNAANAY D，et al．Impact of climate extremes on hydrological ecosystem services in a heavily humanized Mediterranean Basin ［J］．Ecological Indicators，2014，37(1): 199-209．［4］ BRAUMAN K A，DAILY G C，DUARTE T K，et al．The nature and value of ecosystem services:an overview highlighting hydrologic services［J］．SocialScience Electronic Publishing，2007，32: 67-98．［5］ DE GROOT R S，ALKEMADE R，BRAAT L，et al．2010．Challenges in integrating the concept of ecosystem services and values in landscape planning，management and 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第15卷第2期湖泊科学Vol. 15, No. 2 2003年6月 Journal of Lake Sciences Jun. , 2003北京官厅水库流域农田地表径流生物可利用磷流失规律∗黄满湘１，２ 周成虎２ 章 申２ 张秀梅２提 要 在模拟降雨条件下ＢＡＰ坡度和作物覆盖影响径流平均颗粒态生物可利用磷ＳＰ表明流域农田地表径流对库区水体存在潜在污染危害估算的农田径流ＢＡＰ流失达０．４９ｋｇ／（ｈｍ２．ａ）以上．７９．７％以上的ＢＡＰ是颗粒态的． 研究结果有助于采取措施减少农田径流向库区输入生物可利用磷农田径流磷素流失与湖泊水库富营养化现象的发生有着密切的关系［１，２］． 在我国由农田径流磷的转运引起的富营养化相当严重［３］． 磷肥的施用导致了磷在土壤累积［４］和河流湖泊水体磷浓度的上升如太湖白洋淀和渤海湾水体的富营养化［５］． 但是机制和影响因素的有关信息是很少的包括溶解态磷（ＳＰ）和颗粒态磷（ＰＰ）． 大部分溶解态磷可被藻类直接吸收利用一些研究［７］表明几乎不影响到湖泊水库生物生产力研究ＢＡＰ对准确评价农田暴雨径流对地表水体生物生产力的影响是必不可少的．位于北京西北部的官厅水库先后发生了有机污染和磷氮引起的富营养化等［８］如何控制流域农田磷通过地表径流向库区的转运是改善水库富营养化状况的主∗国家自然科学基金重大项目资助． ２００２－０８－２５收稿１９６７年生，博士后．2期黄满湘等本研究在模拟降雨径流基础上颗粒态生物可利用磷（ＢＰＰ）浓度和负荷为控制库区水体富营养化提供基础信息资料．１ 材料和方法１． １ 流域概况官厅水库位于北京西北１００多ｋｍ的永定河上洋河和妫水河－４０ １１２Ｅ属于中温带亚干旱的山间盆地． 土壤类型为褐土１０６ｈｍ２． 农作物以玉米谷子等杂粮为主年降水的６０％－７０％集中于夏季８月次之形成６－８月的夏汛土壤理化性质如表１． 试验处理采用配对比较设计［１１］（１） 雨强因子试验０．７７ｍｍ／ｍｉｎ）和大暴雨（Ｂ处理其余条件为缓坡５５（Ｃ处理）ＡＣ均为翻耕平整裸地裸地（Ｄ１处理）和玉米区（Ｄ２处理均施肥（Ｐ） ９０ｋｇ／ｈｍ2ÆäÓàÌõ¼þÏàͬ.表２ 模拟降雨径流试验处理区资料Tab. 2 Rainfall-runoff information for all the plots处理坡度覆盖率（％）磷肥００１１．３３１．３０．７７１２＇００＇＇４．７１５．７３０５．１Ｂ５００１１．４２９．６１．２８１＇４６＇＇４２．１８７．０２４９３３．４Ｄ１５４５９０２１．４３１．０１．７６５＇３０＇＇３３．４４９．０２２０１．６模拟降雨采用中国科学院地理科学与资源研究所的模拟降雨装置系统［１２］． 径流试验1973-1975Äê¿ÆÑÐ×ܽá120 湖泊科学 15卷小区水平受水面积２ｍ（宽）×５ｍ（长）． 在小区两长边及顶端薄金属板插入土中１５ｃｍ防止降雨泥沙溅出和小区外围水分进入小区在小区下端收集和测定径流体积．１．３取样和数据分析降雨历时３９ｍｉｎ产流时间地面断流时间． 地面产流后用干净的塑料桶收集径流用１０００ｍＬ塑料瓶分取径流水样． 取水样离心５ｍｉｎ（２６６ｃｍ／ｋ）ｍ滤膜过滤用同样的方法测定全磷（ＴＰ）浓度． 颗粒态磷（ＰＰ）浓度为全磷浓度与溶解态磷浓度之差． 取未过滤径流水样ＢＰＰ全量（ＢＡＰ－ＳＰ）和ＢＰＰ含量． 取２５０ｍＬ径流水样计算滤液体积称重径流磷平均浓度为体积平均浓度． 用配对ｔ 检验法确定同因素不同水平侵蚀区径流磷浓度和负荷等特征参数差异的显著性［１４］降雨不同处理小区开始产流时间存在显著的差异． Ｂ区产流明显早于Ａ区说明降雨强度和坡度是影响产流发生时间的两个重要的因素． 其它条件相同时从降雨到产流发生时间越短降雨开始后Ｄ２区产流发生时间存在差异Ｄ１从降雨到产流发生的时间反而延长迅速发生板结有利于地面产流．不同处理区累积径流深存在显著差异． Ａ区径流深小于５ｍｍＣ区径流深也随着增加． 在作物覆盖下径流系数也降低． 累积侵蚀泥沙同径流有相似的趋势． 干旱的翻耕地遭遇大暴雨时缓坡地遭遇一般暴雨时土壤侵蚀强度小． 裸露区累积侵蚀泥沙大于作物覆盖区． 值得注意的是Ｄ１而且其侵蚀泥沙浓度接近一般暴雨的Ａ区． 这是因为这两区降雨前表土含水量较高较为紧实坡度坡度越大的裸露农田ＢＰＰＢＡＰ浓度与排水速率无明显相关关系（ｂ）ＢＡＰ浓度都与泥沙浓度有密切的相关关系（ｒ＝０．９６）（ｄ）2期黄满湘等Ｓ表示差异显著．图１ 径流ＢＰＰａ ，ｂ径流泥沙浓度ｄ坡度增大但效果不显著． 随着降雨强度和径流区坡度增加有利于更多的溶解态磷进入径流水中． 作物覆盖对ＳＰ浓度影响作用也不显著． 一般认为本试验没有观测到这一现象也可能是施用磷肥对径流ＳＰ浓度的增大效应使作物覆盖的效果不明显． 作物覆盖试验区径流溶解态磷浓度大于雨强和坡度试验组122 湖泊科学 15卷高（表１）所有试验区径流ＳＰ浓度都大于水质允许临界值但对水体的影响是不可忽视的超过了临界值Ｎ含量非常丰富 减少ＳＰ浓度已成为控制库区富营养化的关键［９］减少土壤磷的累积和径流流失应当引起高度重视．Ｂ区ＢＰＰ而Ｃ区径流ＢＰＰ表明雨强ＢＡＰ浓度有显著的增大作用Ｄ２区径流ＢＰＰ表明作物覆盖对径流ＢＰＰ坡度和作物覆盖对土壤侵蚀的影响效果一致．２．２．２磷负荷和侵蚀泥沙磷富集 径流磷的流失随降雨径流的延续而增长（ｂ）表示降雨过程径流ＳＰＢＰＰ流失累积量与时间线性正相关坡度径流ＢＡＰ负荷差异显著． 雨强显著增大径流磷流失． 作物覆盖显著减少径流ＢＡＰ流失． 径流ＢＡＰ负荷是化学因素和水文因素对养分转移共同作用的结果径流系数最低（１５．７％）Ｂ区有较高的ＢＡＰ浓度和较大的径流系数 Ｃ区ＢＡＰ浓度（１１．４２ｍｇ／Ｌ）和径流系数都最高 ＡＣＤ２区分别为１．４％， ２９．３％， ８６．９％， １９．６％和 １３．３％． 假定损失强度最低的Ａ区情形具有流域内农田水土侵蚀和磷流失的代表性流域农田暴雨径流磷流失而且也使土壤磷肥力遭到损失．图２ 降雨过程径流磷流失随时间的变化ＳＰ；ＢＰＰFig.2 Accumulated SP in surface runoff, accumulated BPP yield from each plot雨强表明在试验条件下的地表径流都发生了ＢＰＰ的富集． 但是坡度增加和地表裸露的条件下侵蚀泥沙平均ＢＰＰ含量及其富集系数都呈现降低的现象暴雨径流泥沙ＢＰＰ的流失和富集也类似于泥沙颗粒态磷的流失及其富集规律［１２］．２． ３径流生物可利用磷占径流流失磷的比例不同条件下径流磷的损失水平不同在１８．２％－２２．９％之间ＢＰＰ的贡献受施肥的影响则差别明显． 在未施肥条件下施肥2期黄满湘等ＳＰ／ＴＰ达４．４％． 不施肥处理区ＳＰ／ＢＡＰ低于１０％ＳＰ对ＢＡＰ的贡献增大到２１％．径流颗粒态磷的生物可利用性百分数随径流泥沙平均浓度增加而增大这与前面分析的径流磷浓度与泥沙浓度成正相关的结论是一致的． 但与Ｓｈａｒｐｌｅｙ的结论［１６］不同． Ｓｈａｒｐｌｅｙ统计分析了俄克拉荷马洲和德克萨斯洲南部平原２０个研究流域的径流颗粒态磷的生物可利用性后同时略低于Ｌｅｅ推荐的２３％［１７］因此（１）次降雨过程累积泥沙产量为３０５．１－２４９３３．４ｇ／１０ｍ２遇大暴雨产生的地表径流和侵蚀泥沙最多估算的流域农田径流ＢＡＰ流失达０．４９ｋｇ／(ｈｍ２ ·ａ）以上ＳＰ浓度都远大于水体允许临界值０．０２ｍｇ／Ｌ（４） ７９．９％以上的径流ＢＡＰ是颗粒态的屠清瑛中国环境科学出版社2000¹Ë¶¡ÎýÖйú¿Æѧ¼¼Êõ´óѧ³ö°æÉçÁ׺ÍÖؽðÊôº¬Á¿·Ö²¼¹æÂÉ. 地理科学进展,2001, 20(4): 341-3469 袁博宇. 官厅水库水质现状及趋势分析. 北京水利, 2000, 5: 29-3110 Douglas C. 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The objectives of this study were to evaluate the effects of rainfall intensity, slope, crop cover, and fertilizer ap-plication on bioavailable P concentrations in surface runoff and eroded soil. Accumulated sedi-ment yields varied from 305.1 to 24933.4g/10m2, depending on rainfall intensity, slope, crop cover, and fertilizer application. Weighted average concentrations of soluble P(SP) and particu-late bioavailable P (BPP) were much higher than 0.02mg/L。