关中平原包气带和地下水中硝酸盐运移与模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 牛晓倩 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 专业学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 贾小旭，张应龙 |
| 关键词 | 硝酸盐 包气带 地下水 同位素分析 水氮运移模拟 关中平原 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 英文摘要 | 储存在包气带和地下水中的硝酸盐(NO3 –)对陆地生态系统氮循环具有重要 的调节作用，对生态环境和人类健康产生重要影响。探究陆地生态系统中 NO3 – 的累积和迁移规律对制定农业管理策略和地下水污染风险评估具有重要意义。关 中平原农耕历史悠久，土层深厚，1000 多年前关于“地下肥水”的记载可能是 早期 NO3 –污染地下水的例证。近年来关中地区农地大量转变为果园，以获得更 大的经济效益，而果园更高的施肥量和灌溉量可能导致土壤和地下水更为严重的 NO3 –污染风险。因此，本研究以关中平原为研究区域，分别采集 0-1 m (n = 117) 和 0-10 m (n = 12)土壤样品以及地下水样品(n = 123)，测定土壤和地下水 NO3 –含 量及相关理化性质，并调查样地土地利用方式和农业管理措施。分析不同土地利 用方式下深层土壤 NO3 –累积特征，明确地下水 NO3 –空间分异规律及主控因素， 基于氮氧稳定同位素方法量化包气带和地下水中 NO3 –可能来源，建立区域尺度 水溶质运移模型，以模拟 NO3 –在包气带中的运移过程并明确农田转变为果园的 NO3 –污染风险。取得主要结果如下： (1)关中平原地下水中 NO3 –浓度平均值为 10.1 mg N/L，其中 38%的地下水样 本 NO3 –含量超过了 WHO 发布的饮用水标准(10 mg N/L)，超标水体主要分布在 关中平原东部地区。利用增强回归树模型分析地下水 NO3 –浓度空间分异的影响 因素，结果表明，地下水 NO3 –浓度主要受土壤理化性质和水文化学性质影响， 而农业管理活动（如土地利用变化、灌溉、氮肥施用量）尚未成为主要影响因素， 这可能是由于深层包气带延长了 NO3 –到达地下水的时间，区域尺度地下水 NO3 – 浓度尚未对近几十年的农业活动产生明显响应。果园和农田 0-10 m 包气带 NO3 – 平均含量分别为35.5和12.3 mg N/kg，果园0-10 m包气带累积的NO3 –总量达4650 kg/ha，是农田的 3.7 倍。农田土壤 NO3 –累积主要发生在 0-4 m 土层以内，而果 园在 9 m 处 NO3 –平均含量仍高达 20.8 mg N/kg，表明农田转变为果园可导致深 层包气带中 NO3 –的大量累积。 (2)利用氮氧稳定双同位素(δ 15NNO3和δ 18ONO3)和贝叶斯同位素混合模型解析 包气带和地下水中 NO3 –可能来源及贡献比例。结果表明，包气带中积累的 NO3 – 主要来自粪肥和污水(27-54%)、土壤氮(0-64%)和化肥(4-46%)，而粪肥和污水是地下水中 NO3 –的主要来源(58-82%)。因此，自 1980s 以来广泛施用的化肥尚未成 为关中平原地区地下水 NO3 –的主要来源。此外，基于氯离子(Cl–)质量守衡法计 算得到包气带 NO3 –淋溶速率和滞留时间，结果表明在包气带较薄的地区，化肥 已进入地下水。因此，在包气带较薄的地区，地下水可能已受到历史时期粪尿污 水排放和现代农业化肥施用的共同影响。尽管在大部分地区，包气带对 NO3 –的 淋溶起到了延滞作用，但累积在包气带中的 NO3 –仍将继续向地下水迁移，持续 对地下水质量造成威胁。 (3)基于实测数据建立了 van Genuchten 水力参数预测的传递函数方程。基于 MATLAB 和 Hydrus-1D 构建区域尺度包气带溶质运移模型，并将模型用于模拟 关中平原包气带 NO3 –运移过程和评估土地利用变化下 NO3 –污染风险。结果显示， 区域尺度模型拟合效果良好，可用于关中平原区域范围的 NO3 –运移模拟。模型 模拟确定了 1990-2020 年关中平原地区 NO3 –淋溶通量和包气带 NO3 –累积量。结 果表明，果园根区以下包气带 NO3 –年均淋溶通量为 198.7 kg N/ha/y，远高于农田 (29.7 kg N/ha/y)，果园包气带 NO3 –淋溶累积量约为农田的 6.71 倍，可能对地下 水环境产生严重污染。包气带 NO3 –淋溶总量的空间分布与土地利用方式显著相 关，表明农田转变为果园可导致深层包气带 NO3 –的大量累积。因此，在进行陆 地生态系统氮储量估算时，需将土地利用方式的变化最为重要因素进行考虑。 本研究为长期农耕区包气带中储存大量 NO3 –提供了直接证据，由农田到果 园的土地利用方式转变导致了深层包气带中 NO3 –的大量累积，加剧了地下水污 染风险。由于深厚包气带对 NO3 –迁移的迟滞作用，化肥暂未成为关中平原地区 地下水 NO3 –污染的主要来源。然而，该区深层包气带中的反硝化反应速率较低， 包气带中累积的 NO3 –可存在几十年甚至成百上千年，并最终迁移至地下水造成 污染。采取合理的水氮管理措施以控制 NO3 –淋溶量和淋溶速率迫在眉睫，同时， 农田转变为果园需更谨慎，尤其是在包气带较薄且土壤质地较粗的地区。研究结 果探明了关中平原深层包气带和地下水中 NO3 –储量及分布格局，定量解析了包 气带和地下水中 NO3 –的可能来源及贡献比例，模拟了不同土地利用方式下包气 带中 NO3 –的迁移过程，对深入认识农田生态系统氮循环过程具有重要的科学意 义，对地下水 NO3 –污染防控及土地管理具有一定的应用价值。 |
| 学科主题 | 环境工程 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 84 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/184466]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 牛晓倩. 关中平原包气带和地下水中硝酸盐运移与模拟[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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