典型巖溶區(qū)溪流中硝酸鹽動態(tài)變化及其影響因素研究.pdf

1、硝酸鹽污染是水體污染中最常見也是危害最嚴重的污染之一。近年來，不斷報道出河流、湖泊、城市地下水等受到硝酸鹽污染，產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化以及誘發(fā)食道癌等疾病并對人類健康造成嚴重危害。在西南巖溶區(qū)，已查明的地下河有2836條，總流量達1482m3.s-1，相當于一條黃河，對西南巖溶地區(qū)人民健康和社會經(jīng)濟發(fā)展有著重要作用的巖溶地下水資源，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的加劇、城鎮(zhèn)化擴張等，也受到了嚴重的污染，西南地區(qū)巖溶地下水正面臨著變成“下水道”的威脅，西南巖溶

2、地下水污染已十分嚴重，地下水資源全面告急，保護巖溶地下水環(huán)境已經(jīng)刻不容緩。
　　我國西南巖溶區(qū)地上、地下雙層結構，“三水”轉換迅速，使得巖溶地下水對外界環(huán)境的反應非常敏感。同時，由于硝酸鹽污染發(fā)生的隨機性，機理過程的復雜性，排散的途徑及排放污染物的不確定性，使得巖溶區(qū)水體中硝酸鹽的時空分布非常難以監(jiān)測、模擬和控制。因此，在巖溶區(qū)從不同時間尺度和空間尺度去探討硝酸鹽在巖溶水體中的動態(tài)變化及其影響因素顯得十分必要，為全面了解硝酸鹽在巖

3、溶水體中的動態(tài)變化提供科學的認識，為防治巖溶區(qū)水體中的硝酸鹽污染提供科學參考。
　　本文以柳州官村地下河為為例，以官村地下河出口和受官村地下河補給的地表溪流為基礎，對比探討地表溪流中硝酸鹽在不同時間尺度（季節(jié)、降雨、晝夜）上的動態(tài)變化及其影響因素。通過研究得到初步結論:
　　(1)研究區(qū)溪流中NO3-離子表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，地下河出口中NO3-離子含量為秋季＞冬季＞春季＞夏季，地表溪流中NO3-離子含量為秋季＞冬季＞夏

4、季＞春季，兩個監(jiān)測點都是旱季偏高，且兩個監(jiān)測點中NO3-離子含量最高值都出現(xiàn)在11月份，主要是由于旱季流量偏低，最低值出現(xiàn)在4月份且春季NO3-離子含量劇烈變化，可能主要受到降雨過程的影響。
　　溪流中NO3-離子在9、10、11、12、2、3、5、8月表現(xiàn)出氮的損失過程，損失量分別為2.46kgN.d-1、1.77 kgN.d-1、3.01 kgN.d-1、2.09 kgN.d-1、2.08 kgN.d-1、17.34 kgN.

5、d-1，在1、4、6、7月表現(xiàn)出氮的增長過程，增長量分別為1.06 kgN.d-1、6.84 kgN.d-1、5.92kgN.d-1、0.7 kgN.d-1。溪流中δ15N-NO3-與δ18O-NO3-表現(xiàn)出一定的正相關關系（R2=0.38，P＜0.05），且δ15N-NO3-與δ18O-NO3-的比值大部分落在了1∶1的比值附近，說明溪流中在監(jiān)測期間主要發(fā)生了氮的同化作用，只有很小的一部分落在了2∶1的附近，說明反硝化作用對溪流中NO

6、3-離子的季節(jié)變化影響不大。另外，在一年中溪流中氮的損失量為28.75 kgN.d-1（未包括3、8月的損失量），而增長量為14.52 kgN.d-1，說明在一年的季節(jié)變化監(jiān)測中，溪流中NO3-離子主要發(fā)生了氮的損失過程，且主要受到水生植物的同化作用影響。而1、4、6、7月并沒有發(fā)生氮的損失過程，可能主要是由于降雨淋溶作用的影響，使得累積于溪流周圍土壤中的高濃度硝酸鹽進入溪流中，從而覆蓋了水生植物同化作用的影響。
　　(2)地下河

7、出口和地表溪流中硝酸鹽降雨后的響應總體上表現(xiàn)出相似的變化趨勢，但是地表溪流中硝酸鹽也表現(xiàn)出與地下河出口不同的“異?！弊兓?，且影響因素比地下河出口更加復雜，地表溪流中硝酸鹽主要受到地下河出口補給水的影響，同時受到外界雨水以及土壤水的影響。而且不同的降雨強度以及降雨次數(shù)也會使得外界雨水和土壤水以不同的影響作用于地表溪流，首次降雨，外界土壤水中高濃度的NO3-離子進入地表溪流使得地表溪流中NO3-離子升高，而多次降雨后，土壤水中NO3-離子濃

8、度逐漸下降，從而起到稀釋作用。
　　在兩次降雨監(jiān)測中，地下河出口和地表溪流中電導率和NO3-離子在R2（2013年8月監(jiān)測中第二次降雨）和2014年5月降雨過程中表現(xiàn)出更加快速的反應，而R1（2013年8月監(jiān)測中第一次降雨）則相對緩慢，主要是由于R2和2014年5月降雨過程，雨強更大，降雨更加集中有關，也就是說降雨強度會影響電導率和NO3-離子響應的時間長短及速率。雨強越大，電導率和NO3-離子反應越迅速。
　　(3)201

9、3年7月晝夜監(jiān)測溪流中各物理化學參數(shù)（T、pH、DO、Spc、pCO2）以及NO3-離子都表現(xiàn)出有規(guī)律的晝夜變化趨勢，其中水溫、DO和pH表現(xiàn)出白天上升晚上下降，而電導率、pCO2以及NO3-離子則表現(xiàn)出白天下降而晚上上升的趨勢。地下河出口補給對地表溪流各物理化學參數(shù)及NO3-離子表現(xiàn)出有規(guī)律的晝夜變化趨勢影響不大，且溪流的流量變動不大，沒有表現(xiàn)出晝夜變化，可以說明在監(jiān)測期間溪流流量也不是驅(qū)動溪流中各物理化學參數(shù)及NO3-離子晝夜變化的

10、因素。地表溪流中DO和pCO2表現(xiàn)出顯著的負相關關系（R2=0.81，P＜0.01），且溫度對pCO2的貢獻率為27.48％～54.88％，水生植物對水體pCO2的影響為45.12％～72.52％，說明監(jiān)測期間溪流中水生植物的光合作用和呼吸作用是DO和CO2的晝夜變化的主要影響因素，同時，NO3-離子與DO表現(xiàn)出明顯的負相關關系（R2=0.52，P＜0.01），說明DO濃度的晝夜變化影響著NO3-離子濃度的晝夜變化，溪流中NO3-離子和

11、pCO2的變化存在很弱的相關性，說明脫氣作用最溪流中NO3-離子的晝夜變化影響不大，同時說明溪流中水生植物的光合作用和呼吸作用是NO3-離子濃度有規(guī)律的晝夜變化的主要影響因素。
　　NO3-離子總體上表現(xiàn)出下降趨勢，但是在下午出現(xiàn)增長的趨勢，在中午(12:30)達到增長的最大值3.72 mg.L-1，可見在白天NO3-離子不僅受到因光合作用增強而產(chǎn)生的同化作用影響，主要還受到硝化作用的影響。而在夜間水生植物呼吸作用占據(jù)主導作用，D

12、O含量快速下降，因此同化作用和硝化作用在夜間受到抑制，反硝化過程開始發(fā)揮作用，因此NO3-離子出現(xiàn)下降過程。溪流中N的日變化量為2.59 kgN.d-1，下午以增長過程為主，增長量為0.99kgN.d-1，其余時間以損失過程為主，其中白天損失量為0.8 kgN.d-1，夜間損失量為0.8kgN.d-1，通過N的變化量計算各個作用所占的比例，下午以硝化作用為主，增長量為0.99kgN.d-1，占日變化量的38％，夜間以反硝化作用為主，損失

13、量為0.8 kgN.d-1，占日變化量的31％，白天損失量為0.8 kgN.d-1，以同化作用為主，占日變化量的31％，因此可以說N以生物作用為主的日變化量中，硝化作用占38％，同化作用占31％，反硝化作用占31％。
　　2014年7月晝夜監(jiān)測溪流中各物理化學參數(shù)（T、pH、DO、Spc、pCO2）表現(xiàn)出有規(guī)律的晝夜變化趨勢，其中水溫、DO和pH表現(xiàn)出白天上升晚上下降，而電導率、pCO2則表現(xiàn)出白天下降而晚上上升的趨勢。但是溪流中

14、NO3-離子并沒有表現(xiàn)出與DO一致的晝夜變化，兩者沒有表現(xiàn)出相關性（R2=0.03），δ15N和δ18O同樣沒有表現(xiàn)出有規(guī)律的晝夜變化趨勢，NO3-離子與δ15N表現(xiàn)出較小的相關性（R2=0.18，P=0.03），與δ18O沒有表現(xiàn)出相關性（R2=0.01，P=0.25），且δ15N和δ18O之間也沒有表現(xiàn)出相關性（R2=0.008，P=0.25）。δ15N和δ18O沒有表現(xiàn)出相關性，兩者比值有很小的一部分落在1∶1比值區(qū)間，有一部分落

15、在2∶1的比值區(qū)間，說明溪流中同化作用作用和反硝化作用對溪流中NO3-離子的晝夜變化產(chǎn)生了一定的影響，溪流中主要發(fā)生了氮的損失過程，損失量為2.71 kgN.d-1，可能受到反硝化作用和同化作用一定的影響，但是溪流中δ15N-NO3-和δ18O-NO3-并沒有表現(xiàn)出相關性變化，可能主要受到硝化作用和氮多種混合源的影響，同時NO3-離子濃度與流量表現(xiàn)出一定的相關性（R2=0.25，P=0.03），說明隨著時間和來源變化的上游補給也影響著溪