三江平原阿布胶河流域浅层地下水氮素污染变化研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 路路 |
| 答辩日期 | 2018-09 |
| 文献子类 | 博士后出站报告 |
| 授予单位 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 戴尔阜 |
| 关键词 | 同位素示踪 氮素 来源途径 削减过程 历史过程 |
| 学位名称 | 博士后 |
| 英文摘要 | 三江平原是典型集约化农垦区，集约化农业开发活动导致区域性地下水位持续下降，地下水体氮素污染严重。由于其特殊的地理位置以及人群健康的需求，迫使其在保障粮食安全的基础上，寻求地下水体氮素污染控制的途径，实现区域生态环境安全调控，以规避界江界湖水质恶化的风险。因此，如何在探明区域种植结构演替的基础上，系统地追踪氮素在地下水体中的补给途径，解析各个补给路径中氮素的来源和空间分布，把握地下水体中氮素的存留时间及削减过程，揭示地下水体中氮素污染累积历史，对氮素有的放矢地进行源头控制及过程阻隔，是解决三江平原农垦区建设过程中地下水体氮素污染问题的关键。 本项目在三江平原农业开发背景下，针对三江平原农业开发过程中，如何解析区域地下水体中氮素污染变化过程、来源及历史累积等问题，选取典型农业小流域—阿布胶河流域作为研究区，通过野外原位监测手段，获取流域内地下水体中氮素及水化学的时空变化特征，并结合同位素示踪技术(δ2H、δ15N以及δ18O) 识别地下水体中氮素的补给途径及相应的迁移转化过程，并结合统计分析方法及SIAR模型定性及定量地解析阿布胶河流域内水体中氮污染的主要补给来源。通过室内情景实验，结合同位素示踪技术，针对还原性铁离子对硝态氮的削减机制进行了探讨。在此基础上，结合地下水测年技术对地下水体中氮素历史累积特征进行了初步解析。其主要结论如下： (1) 水环境中氮素污染与水化学时空分异特征研究发现：阿布胶河流域内的地下水体中部分点位超出标准限值(《地下水质量标准》Ⅲ类限值，GBT 14848-2017)近4倍。在气候因子以及土地利用类型等因素的影响下，流域内水环境化学类型具有明显的时空演变趋势。NO3-与NH4+以及Fe2+高度负相关，Fe2+可能影响到区域氮素循环过程。水田区域浅层地下水体中富集铁离子，离子浓度比旱田区域内铁离子含量高2~3个数量级，大量的还原性铁离子成为降低地下水体中硝态氮浓度的重要因素。 (2) 地下水体中氮素补给途径研究发现：地下水补给途径受区域水文地质特ABSTRACT 征所控制，其运移路径方向与地表河流流向基本一致。西南部山区台地裂隙水是地下水源的重要补给区，而沿江湿地区域则是地下水重要的排泄区。地表水及地下水均主要来源于大气降水，并且地下水体与地表水体之间没有显著的交互作用。SIAR模型结果表明，不同区域地下水体补给途径有较大的差别。城镇区域，地下水中大气降水贡献比例为46.20％，生活废水下渗比例为15.44%。在旱田区域：浅水井与深水井补给水源有较大差别，浅水井位于潜水层内，其水源主要受控于山前台地侧向补给(占59.87%)，而深水井水源补给主要来源于大气降水(74.95％)。在水田区域：地下水为浅层承压水，主要来源于侧向补给(59.18%)，而灌溉水补给不显著，仅为4.15%。 (3) 地下水体中氮素迁移转化过程及来源研究发现：同位素及离子联合示踪结果表明，不同土地利用类型下氮素循环过程有着显著的差异，林地及城镇区域内，硝化作用是其主导的氮循环过程，水田区域存在着显著的反硝化过程，而旱田区域可能受反硝化及雨水混合过程等多重影响。不同土地利用类型下氮素来源同样有着显著的差异，林地区域主要来源于土壤有机氮；城镇区域主要来源于粪便及废水；农田区域主要来源于还原性肥料。基于水环境化学解析和同位素示踪法相互补充，能够进一步提高地下水体氮素污染解析的精度。 (4) 地下水体中“铁氮耦合”反应机制研究发现：在厌氧避光条件下，Fe2+与NO3-基本不会发生反应或反应非常缓慢，硝态氮单纯的化学削减过程并不显著，主要受控于微生物参与的氮循环过程，硝态氮与还原性铁离子的削减过程具有不同的削减机制。硝态氮转化成亚硝态氮过程中，主要受控于微生物作用，二价铁离子的还原作用可以忽略不计，该步骤是造成硝态氮同位素分馏的主要原因。而步骤二中亚硝态氮还原成气体或铵根离子的过程中，亚铁离子与微生物之间存在显著的交互作用，同时铁离子加速了N2O气体排放，并促进了气体中氮同位素的分馏作用。 (5) 地下水体中氮素污染演变历史特征研究发现：研究区域内地下水年龄位于18.0~62.0年之间，与井深及水文地质状况密切相关。地下水体年龄自山前台地(源头林地区，18年)向一阶台地(水田区域，>45年)逐渐递增。表明山前台地是区域地下水体的重要补给区，而水田采样点(G08)位于一阶台地承压水区，是 ABSTRACT 区域地下水体的重要排泄区。城镇区域硝态氮及氯离子浓度累积率远大于旱田区域硝态氮累积率。旱田区域较低的氮素累积率与1978年前氮肥使用量较低相关。城镇区域内，氮素累积率的计算值约为观测值的2.31倍，约56.77%的氮素被削减掉。 通过本研究，丰富了国内对于高纬农业垦殖区内地下水体中氮素的补给来源及途径的认识；揭示了在大规模农业生产以及季节性冻融环境中，不同的景观单元在流域地下水体氮素输送过程中所扮演的角色，并提升了污染源解析由定性识别到定量解析的实践。本研究综合评价了地下水系统中还原性铁离子与氮素之间的耦合过程的环境效应，能够为高纬度集约化农区地下水体中氮素污染的削减与控制提供科学依据。研究成果对预防和控制农业面源污染、保障区域水环境质量和水资源的可持续利用、实现粮食安全和水安全协调发展具有重要意义。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 99 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/193916]  |
| 专题 | 科技平台与基建处_图书馆 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 路路. 三江平原阿布胶河流域浅层地下水氮素污染变化研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院地理科学与资源研究所. 2018. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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