應(yīng)用案例

巖溶關(guān)鍵帶的水中氮、硫酸鹽和碳的分解來源及其轉(zhuǎn)化機(jī)制

發(fā)表時(shí)間：2024-08-09

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摘要

在喀斯特關(guān)鍵帶（KCZ），采礦和城市化活動(dòng)產(chǎn)生的多種污染物會(huì)對(duì)飲用水和灌溉所必需的重要地下水和地表水資源構(gòu)成威脅。盡管它們很重要，但人們對(duì)這些污染物在高密區(qū)復(fù)雜的水文和土地利用中的相互作用仍然知之甚少。在本研究中，我們利用多種同位素和 MixSIAR 模型揭示了氮、硫酸鹽和碳的轉(zhuǎn)化機(jī)制和來源，并使用 ArcGIS 進(jìn)行了空間建模中的水文和表面分析。通過δD-H₂O 和 δ¹⁸O-H₂O 的分析結(jié)果證明了地下水和地表水之間存在頻繁的交換過程。硝化作用主要發(fā)生在地表水中，同時(shí)反硝化過程也起到了重要作用。地下水和地表水中的無機(jī)氮主要來自土壤氮（分別為 48% 和 49%）。污水和糞便是地表水中無機(jī)氮的次要來源，其中城市占41%，礦區(qū)占38%。值得注意的是，無機(jī)硫氧化在城市和礦區(qū)之間表現(xiàn)出顯著的空間差異，使得地下水比地表水更容易受到硫污染。地下水與地表水頻繁互換，對(duì)地下水造成較高的污染風(fēng)險(xiǎn)。此外，地下水和地表水中 CO₂ 和HCO₃^? 的主要來源是水碳酸鹽反應(yīng)和土壤呼吸。研究發(fā)現(xiàn)硫化物氧化會(huì)增強(qiáng)碳酸鹽溶解，從而導(dǎo)致高密帶碳酸鹽溶解釋放的二氧化碳增加。這些發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)了我們對(duì)地下水和地表水中氮、硫和碳的轉(zhuǎn)化機(jī)制和相互作用的理解。這些知識(shí)對(duì)于準(zhǔn)確控制和處理庫里水污染至關(guān)重要。

研究目的

這項(xiàng)研究的目的是解開氮、硫酸鹽和碳在喀斯特關(guān)鍵帶（Karst Critical Zone）的水中的來源和轉(zhuǎn)化機(jī)制。具體來說，研究人員想了解這些污染物在復(fù)雜的水文和土地利用中的相互作用，以及它們?cè)诘叵滤偷乇硭g的交換。他們使用多種同位素和MixSIAR模型來研究這些問題。

研究方法

a. 在喀斯特關(guān)鍵帶的地下水和地表水中收集樣本，并分析其δD-H₂O和δ¹⁸O-H₂O值，以確定水之間的交換頻率。

b. 使用MixSIAR模型來確定氮、硫酸鹽和碳的來源和轉(zhuǎn)化機(jī)制。

c. 使用ArcGIS進(jìn)行空間建模和表面分析，以了解污染物在復(fù)雜土地利用中的分布。

結(jié)論

我們證明了多種同位素方法（N、S、C、H、O）和MixSIAR模型在揭示復(fù)雜土地利用模式下巖溶臨界區(qū)（KCZ）污染物來源和轉(zhuǎn)化機(jī)制的復(fù)雜性方面的有效性。硝化作用是城市和礦區(qū)地表水中氮循環(huán)的主要過程。相反，地下水中的硝化作用相對(duì)較弱。反硝化作用對(duì)地下水和地表水中氮循環(huán)的貢獻(xiàn)最小。土壤是地下水（48%）和地表水（49%）中無機(jī)氮的主要貢獻(xiàn)者。在城市和礦區(qū)，污水和糞肥是地表水中無機(jī)氮的次要貢獻(xiàn)者，占46%～47%。還原無機(jī)S的氧化作用是SO₄^2?的主要來源。礦區(qū)地下水由于與地表水頻繁交換，易受黃鐵礦氧化的SO₄^2?污染。同位素值表明，水、碳酸鹽和土壤呼吸之間的相互作用是地下水和地表水中CO₂和HCO₃^?的主要來源。此外，當(dāng)產(chǎn)生H⁺和SO₄^2?時(shí)，硫化物氧化可以增強(qiáng)碳酸鹽的溶解，增加CO₂的釋放。這些發(fā)現(xiàn)從各種定量來源為硫化物氧化和碳酸鹽溶解的耦合提供了有價(jià)值的見解。了解這些過程有助于有效的巖溶水管理，并了解人為因素對(duì)KCZ中N、S和C的生物地球化學(xué)耦合的影響。

Picarro儀器的使用

作者使用了Picarro儀器（Picarro，Santa Clara，USA）來測(cè)量δ¹⁸O-H₂O和δD-H₂O值。根據(jù)文本，作者進(jìn)行了離散采樣測(cè)量。他們收集了樣本，并使用Picarro儀器進(jìn)行測(cè)量。

Picarro儀器數(shù)據(jù)的使用和支持

作者使用來自Picarro儀器的數(shù)據(jù)來確定

δ¹⁸O-H₂O和δD-H₂O值，這些數(shù)據(jù)用于確定水之間的交換頻率。這些數(shù)據(jù)支持了研究結(jié)論，即地下水和地表水之間存在頻繁的交換。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171310