巖溶關鍵帶的水中氮、硫酸鹽和碳的分解來源及其轉化機制

時間：2024/6/7閱讀：2343

在喀斯特關鍵帶（KCZ），采礦和城市化活動產生的多種污染物會對飲用水和灌溉所必需的重要地下水和地表水資源構成威脅。盡管它們很重要，但人們對這些污染物在高密區復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、硫酸鹽和碳的轉化機制和來源，并使用 ArcGIS 進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。硝化作用主要發生在地表水中，同時反硝化過程也起到了重要作用。地下水和地表水中的無機氮主要來自土壤氮（分別為 48% 和 49%）。污水和糞便是地表水中無機氮的次要來源，其中城市占41%，礦區占38%。值得注意的是，無機硫氧化在城市和礦區之間表現出顯著的空間差異，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，對地下水造成較高的污染風險。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和土壤呼吸。研究發現硫化物氧化會增強碳酸鹽溶解，從而導致高密帶碳酸鹽溶解釋放的二氧化碳增加。這些發現增強了我們對地下水和地表水中氮、硫和碳的轉化機制和相互作用的理解。這些知識對于準確控制和處理庫里水污染至關重要。

巖溶關鍵帶的水中氮、硫酸鹽和碳的分解來源及其轉化機制

這項研究的目的是解開氮、硫酸鹽和碳在喀斯特關鍵帶（Karst Critical Zone）的水中的來源和轉化機制。具體來說，研究人員想了解這些污染物在復雜的水文和土地利用中的相互作用，以及它們在地下水和地表水之間的交換。他們使用多種同位素和MixSIAR模型來研究這些問題。

巖溶關鍵帶的水中氮、硫酸鹽和碳的分解來源及其轉化機制

a. 在喀斯特關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化機制。

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

巖溶關鍵帶的水中氮、硫酸鹽和碳的分解來源及其轉化機制

我們證明了多種同位素方法（N、S、C、H、O）和MixSIAR模型在揭示復雜土地利用模式下巖溶臨界區（KCZ）污染物來源和轉化機制的復雜性方面的有效性。硝化作用是城市和礦區地表水中氮循環的主要過程。相反，地下水中的硝化作用相對較弱。反硝化作用對地下水和地表水中氮循環的貢獻最小。土壤是地下水（48%）和地表水（49%）中無機氮的主要貢獻者。在城市和礦區，污水和糞肥是地表水中無機氮的次要貢獻者，占46%～47%。還原無機S的氧化作用是SO₄^2?的主要來源。礦區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，當產生H⁺和SO₄^2?時，硫化物氧化可以增強碳酸鹽的溶解，增加CO₂的釋放。這些發現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KCZ中N、S和C的生物地球化學耦合的影響。