稳定同位素技术在环境水体氮的生物地球化学循环研究中的应用

氮的生物地球化学循环是地表环境中最复杂的物质循环之一.近年来,稳定同位素技术在氮的生物地球化学循环研究中得到了广泛应用,极大地丰富了人们对氮的来源、物理迁移及其生物地球化学循环等过程的认识,完善了氮的生物地球化学循环理论体系.本文综述了在环境水体中应用稳定同位素示踪技术及统计模型,将氮的溯源研究从定性识别拓展到定量解析;应用稳定同位素分馏理论及同位素配对技术,实现氮的生物地球化学循环转化途径的判别及其转化速率的定量解析;重点提出应进一步开展不同转化途径、不同水体环境要素对氮同位素分馏特征的影响研究,逐步完善环境水体氮循环同位素分馏理论体系,为准确认识氮循环和加强水环境保护奠定科学基础.

典型黑色页岩地区土壤风化速率及潜在生态效应研究

风化条件作用下,黑色页岩富含的重金属元素释放到周围环境中,会造成土壤重金属的超标富集,从而形成重金属地质高背景区。为了了解黑色页岩地质高背景区重金属风化富集过程和特征,本研究以浙西地区典型寒武系黑色页岩区土壤为研究对象,运用PROFILE模型定量计算土壤剖面化学风化速率,并以此评估重金属释放速率,同时对该地区的土壤重金属潜在生态效应进行了评估。研究结果表明,土壤的化学风化速率为62.95~412.62 mmol/(m^(2)·a),盐基阳离子(Ca^(2+)、Mg^(2+)、Na^(+)和K^(+))的释放速率为97.47~806.16 mmol/(m^(2)·a)。黑色页岩土壤中碳酸盐含量的大小对风化速率强弱的影响比较大。研究区土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的平均释放速率分别为31.25、18.79、135.65、65.14、0.15、28.02和367.35 mmol/(m^(2)·a)。土壤的重金属浓度和盐基阳离子浓度(CBCt)对重金属释放速率的影响较大,盐基阳离子释放速率(RBC)对重金属释放速率的影响较小。研究区重金属综合潜在生态风险指数平均值为961.89,Cd的潜在生态风险指数最高,贡献率在53.44%~99.70%之间。

陆生蜗牛文石方解石化过程及其碳同位素组成变化高温实验

在过去全球气候变化研究中,生物CaCO3壳体的稳定同位素组成是常见的古气候替代性指标,被用来重建古气候变化历史,而生物成因文石质矿物的方解石化则是自然界较为常见的现象,该过程会导致生物壳体稳定同位素组成发生改变,从而影响古气候重建的准确性。利用陆生蜗牛Achatina fulica的文石壳体在空气背景下进行高温加热实验,来揭示加热前后样品中方解石含量和碳同位素组成的变化。结果表明:随着温度的升高,方解石含量增高;文石方解石化过程受壳体有机质含量的影响,相同加热温度和时间条件下,未采用双氧水处理的方解石含量比采用双氧水处理的方解石含量低;高温加热的壳体样品比原始样品碳同位素组成偏负;较短时间实验条件下,温度对文石方解石化过程起主导作用,并且双氧水处理也会对文石方解石化有所影响;造成样品碳同位素组成偏负可能是因为加热过程中样品与空气CO2发生了碳同位素交换反应,而不是因为矿物相变。因此,在利用蜗牛壳体碳同位素组成进行古环境重建时,需考虑文石方解石化过程对壳体碳同位素组成变化的影响。

典型黑色岩系分布区土壤重金属污染与生物有效性研究

风化作用条件下,黑色页岩富含的重金属元素释放到环境中,会引起土壤重金属污染。运用生态地球化学的分析手段,对发育于浙江寒武系黑色页岩地层(荷塘组)土壤的重金属污染现状、来源、分布特征及其生物有效性进行系统研究。结果表明,研究区土壤重金属Cd、As、Cu、Zn和Hg均存在超标现象,超标率分别为67.81%、7.81%、7.18%、4.68%和1.87%;而Se、Ni、Pb和Cr等未超标;对黑色页岩和土壤重金属分布特征进行分析可知,超标土壤分布区域与黑色页岩发育区域基本吻合,土壤中Cd、Cu、Se、Ni、Zn等重金属主要来源于黑色页岩风化释放;土壤重金属的生物有效性因来源不同而差异显著,其生物可利用率顺序为Cd>Zn>Se>Ni>As>Pb>Cu>Cr;Cd等元素的高生物可利用率对当地生态环境产生潜在的危险。

岩性对化学风化的影响:来自亚热带气候条件下花岗岩和安山岩的对比

硅酸盐风化被称为"地质空调",影响着地球的长期气候变化。控制硅酸盐风化速率的影响因素有很多,包括岩性、植被、气候和构造等。为了探讨岩性单一变量对于硅酸盐风化速率的影响,选取云南省腾冲市北海湿地的数十平方千米区域作为研究对象。该区域仅有花岗岩和安山岩两种岩性出露,花岗岩流域和安山岩流域的构造活动一致,温度、降雨量、径流量等气候条件相同,植被的发育情况也完全相似。基于上述情况,对区域内采集的4个河水样品和1个雨水样品开展水化学质量平衡计算。结果表明:大气输入、硅酸盐风化和碳酸盐风化对于采样流域主量阳离子的贡献比例平均值分别为8.1%、76.5%、16.0%;采样区域内硅酸盐和碳酸盐风化速率平均值分别为5.68、9.96t·km^(-2)·年^(-1),大气CO_2消耗速率分别为2.68×10~5、0.29×10~5 mol·km^(-2)·年^(-1);花岗岩和安山岩的风化速率分别为3.22、8.14t·km^(-2)·年^(-1)。安山岩的风化速率是花岗岩的2.5倍,表明在植被、气候、构造等条件一致的情况下,岩性对化学风化的影响占主导地位。

土壤中不同形态水的化学组成研究

采用离心法提取土壤中的重力水、毛管水和有效膜状水,对比研究了不同形态水中的化学元素组成差异.结果表明,土壤中不同形态水的化学成分存在较大差异.其中,有效膜状水中Ni、Zn、Cr、Cu和Cd的含量比毛管水中高,但Fe、As、V和Sr的含量无明显差异,这与粘土矿物表面的重金属解吸作用及重金属迁移能力等因素有关.有效膜状水中K、Ca、Na和Mg的含量较毛管水中无明显变化.受下渗水对土壤的淋滤作用及元素迁移能力等因素的影响,重力水中Ni、Zn、Cr、Cu和Cd含量较毛管水中高.与重金属元素表现不同,土壤重力水中K、Ca、Na和Mg的含量明显低于毛管水和有效膜状水.

中国现代陆生蜗牛壳体碳氧同位素组成的分布特征及其气候响应

陆生蜗牛壳体碳氧同位素组成记录了环境气候信息,是地质历史时期古环境和古气候重建的一个良好指标。文章在前人对现生蜗牛壳体碳氧同位素的环境意义研究基础上,通过增加对不同气候条件下的新疆地区(受西风带控制)、川西地区(受印度季风控制)以及东北地区(东亚季风北端)的现生蜗牛碳氧同位素组成进行测试分析,结合中国其他地区已有数据,总结探讨所有研究区已有蜗牛壳体碳氧同位素组成的分布规律及影响因子,回归分析蜗牛壳体碳氧同位素组成与降水量、温度、湿度、蒸发量及干燥度等5个气候因子之间的关系。得出以下研究结果:全国范围内的蜗牛壳体碳同位素组成与年均降水量、年均相对湿度具有明显负相关关系,与年均蒸发量及干燥度具明显正相关关系,年均温度大于9.5℃采样点的蜗牛壳体碳同位素与温度呈负相关关系;蜗牛壳体氧同位素组成与各种气候因子之间的关系比较复杂而显示无明显的相关性,可能由于不同区域蜗牛壳体氧同位素对不同气候因子的响应程度不同,也可能是由于蜗牛壳体氧同位素与温度的关系在不同区域存在差异导致。总之,蜗牛壳体碳同位素较为忠实地记录了有效降水引起C3植被同位素变化的信息,而对蜗牛壳体氧同位素记录的信息的解读还不明晰,仍需更多研究。

DNAPL场地污染通量升尺度预测的敏感性分析

重非水相液体(DNAPL)污染问题日益严重。为评估DNAPL污染场地的环境风险,常采用升尺度模型推估DNAPL污染源区溶解相的质量通量(溶解通量)。由于升尺度模型中的参数较多,调查成本较高,因此需筛选模型中的关键参数,指导实际污染场地设计合理的观测数据采集方案。首先对升尺度模型中6个参数(地下水平均流速q、标准化浓度C_(0)/C^(eq)、离散状DNAPL质量比例GF_(0)、初始时刻离散状DNAPL贡献的通量比例f_(g)、拟合参数β1及β2)开展全局敏感性分析,识别其中关键参数,进而采用局部敏感性分析定量化关键参数的变化对通量预测的影响。研究结果表明,参数q、C_(0)/C^(eq)、GF_(0)和f_(g)对通量预测有较大影响。q和C_(0)/C^(eq)在整个衰减过程中敏感性均相对较高,GF_(0)和f_(g)随着衰减过程的进行,敏感性不断增高,分别在衰减中后期和后期达到峰值;对于不同结构的污染源区,q或C_(0)/C^(eq)增大时,通量的增幅基本不变。随着污染源区中离散状DNAPL和池状DNAPL间的质量比例(GTP)增大,GF_(0)或f_(g)增大时,其对通量预测的影响不断增大或减小。因此在预测溶解通量时需将调查成本重点应用于q和C_(0)/C^(eq);在合理设计污染源区修复方案时,应重点调查GF_(0);在预测污染源区寿命时,f _(g)为重要调查对象;对于所有结构的污染源区,q和C_(0)/C^(eq)均为重要调查对象,对于GTP较大的污染源区,应将调查成本重点应用于GF_(0),对于GTP较小的污染源区,应重点调查f _(g)。

土地覆被变化对河源区小流域径流模拟影响分析研究

以颍河源头流域告成集水区为研究区域,根据区域相关规划构建森林覆被、现状覆被以及耕地覆被情景,利用BTOPMC(Block-wise use of TOPMODEL with the Muskingum-Cunge method)模型模拟分析不同土地覆被情景下的径流过程,研究结果表明:研究区域由现状覆被转变为森林覆被会使得流域蒸散发能力增加25.3%,截留蒸发和土壤蒸散发量分别增大13.9%和18.4%,进而导致总径流量、地表径流以及基流量分别减少45.5%、54.6%和42.4%;由现状覆被向耕地覆被转变会导致蒸散发能力和土壤蒸散发量分别减小27.4%和20.9%,进而导致总径流量、地表径流以及基流量分别增加48.2%、63.0%和43.2%.地表径流对土地覆被变化的响应较基流敏感,雨季期间土地覆被变化对径流的影响较枯季显著.

一株荧蒽降解菌Herbaspirillum chlorophenolicum strain FA1的固定化及其优化

对草螺菌属荧蒽降解菌Herbaspirillum chlorophenolicum strain FA1以不同材料和方法进行固定化,考察固定化后菌株对土水系统中荧蒽的降解性能。结果表明:聚乙烯醇(PVA)-硅藻土载体(硼酸法)固定的菌株对荧蒽的降解效率最高,对荧蒽的25-d降解率达97.74%;硼酸法制备的PVA-硅藻土载体和PVA-活性炭载体对荧蒽的降解效果优于相应冷冻-解冻法制得的载体;硅藻土的添加比活性炭更能够提高固定在PVA复合载体中的菌株FA1对荧蒽的降解率。在此基础上,对PVA-硅藻土载体(硼酸法)进行响应曲面法优化,采用4水平的Box-Behnken设计安排实验,对结果进行拟合和分析,建立二次回归模型并求解,获得最佳固定化条件为:菌浓度9.6%、PVA浓度11.2%、硅藻土浓度4.5%、粒径4 mm。据此优化后,PVA-硅藻土载体(硼酸法)对荧蒽的20-d降解率即达99.46%。

秸秆还田对土壤氨氮热力学吸附性质的影响研究

通过对比未添加秸秆和添加秸秆情景下潮土和砂姜黑土对氨氮的等温吸附实验,探讨秸秆还田对土壤氨氮热力学吸附性质的影响,为氮素在土壤垂向迁移转化过程中发生的吸附反应提供科学参考.研究表明:1砂姜黑土对氨氮的吸附能力要强于潮土,吸附能力主要与土壤的黏粒含量有关.2在实验设定的浓度范围内,未添加秸秆和添加秸秆的所有样品的吸附等温线均能用Henry吸附等温模型和Freundlich吸附等温模型拟合.同时,Langmuir吸附等温模型可以更好地拟合未添加秸秆以及少量添加秸秆的样品.3添加秸秆的混合样品相对于土壤样品降低了对氨氮的吸附效率和吸附容量.未添加秸秆的土样对氨氮的吸附效率KH的平均值为41.88L·kg-1,饱和吸附量qm的平均值为823.85 mg·kg-1;少量添加秸秆的混合样对氨氮吸附效率KH的平均值为21.29L·kg-1,饱和吸附量qm平均值为732.06 mg·kg-1;大量添加秸秆的混合样对氨氮的吸附效率平均值为13.99L·kg-1.

基于NARXNN模型的降雨—水位关系研究

近年神经网络模型的发展为降雨—径流这一复杂的水文非线性过程的模拟提供了一种新的解决思路.本文基于淮河流域下游区滨海站2010—2012年的降雨及水位日资料,应用带外部输入的非线性自回归神经网络模型(Nonlinear AutoRegressive models with eXogenous input Neural Network,NARXNN),构建了以降雨为外部输入的淮河下游区降雨—水位关系模拟模型.设计了不同参数组合的正交模拟实验,采用相关系数,均方误差和平均绝对差评判模型的拟合优度,对模型参数进行优选,实验结果表明节点数对模型的拟合优度影响最大,当激励函数为logsig,节点数为7,延时阶数为4,隐含层数为9时,模型模拟效果最优.根据优化的参数组合,利用NARXNN模型对淮河下游区滨海站和长江下游区黄桥站的水位过程进行了模拟,结果表明该模型具有很强的鲁棒性.

淮河流域渠北地区降水年内分配特征研究

基于淮河流域渠北地区6个站点1956—2017年月降水数据,计算各站点降水年内分配不均匀系数、降水集中度和降水集中期等降水年内分配指标,分别采用Mann-Kendall方法和线性回归法分析各指标年际变化及随降水年型变化趋势,并进一步分析各指标随降水年型变化成因。结果表明:淮河流域渠北地区降水年内分配不均匀系数、降水集中度和降水集中期在时间上呈波动变化,未有显著线性趋势和突变点。随降水年型变丰,降水年内分配不均匀系数和降水集中度有增加的趋势,主要原因在于降水更加集中于6—9月,而年内1—5月和10—12月降水占比有所降低;降水集中期未有随年型线性变化的趋势,主要原因在于6—9月单个月份降水占比随降水年型变化趋势不显著。

淮阴站降雨年内分配指标特征及相关性研究

基于淮阴站1951~2015年的月降雨数据,应用不均匀系数、信息熵、集中度,集中期、重心等指数表征降雨年内分配不均匀性及集中程度特征,分别采用Mann-Kendall非参数检验方法和Pearson相关系数分析降雨年内分配特征年际变化趋势及各指标之间的相关性。结果表明:从时间上看,降雨年内分配不均匀性有降低,集中期有后移趋势,但幅度均较小,各指标均无突变趋势;年内分配不均匀系数、信息熵、集中度之间具有高度相关性,集中期与重心高度相关,不均匀系数、信息熵、集中度均与保证率存在显著相关。

多孔介质中微塑料的环境行为研究进展

微塑料的环境污染问题已成为当前国内外研究的前沿热点之一,近年来土壤和地下水系统中微塑料的环境行为研究得到越来越多的关注.在论述多孔介质中微塑料来源和危害的基础上,聚焦国内外学者在微塑料环境行为方面的研究,综合评述了微塑料稳定性及其在多孔介质中运移行为的最新进展,重点介绍了物理、化学和生物三方面因素的影响及作用机制.从微塑料对其他污染物之间的吸附/解吸作用以及共运移行为两个方面汇总分析了微塑料和其他污染物间相互作用的最新研究进展.今后需要在不同类型微塑料、多因素耦合效应以及微塑料与微生物之间的相互作用等方面进一步深入研究,以期系统掌握多孔介质中微塑料的运移行为及作用机制.

上覆水不同C/N比条件下沉积物环境反硝化及氨氧化功能基因丰度变化特征

以太湖梅梁湾沉积物环境为研究对象,通过室内培养试验,研究上覆水不同C/N比条件对沉积物中反硝化(nirS、nirK)及氨氧化功能基因(古菌AOA-amoA、细菌AOB-amoA)丰度的影响,实验设计硝氮水平为2.0和5.0mg·L-1,C/N为0.5、2、4、6、10、14.结果表明,所有实验组样品在60天的培养周期中,反硝化功能基因丰度与本底值相比有所上升,但对C/N比变化响应不显著;氨氧化功能基因丰度对C/N比的变化有响应,当C/N比大于一定比值时,其丰度由初期的显著上升变化为显著下降.其中,氨氧化古菌(AOA-amoA)丰度对C/N比变化响应更显著.相关性分析表明,系统中硝酸盐氮浓度与氨氧化功能基因丰度呈显著相关(r2=0.551,P<0.05),当氨氧化功能基因丰度较高时,来源于沉积物中氨氮的硝化产物使得系统中硝酸盐氮趋于累积.

基于水质目标管理的水功能区调整实践

水质目标管理是以保障水体物理、化学及生物的完整性为目标的流域水环境管理模式,将其融入我国现行的水功能区管理,对水生态系统及人类健康安全具有重要意义.从水质目标管理角度剖析了我国现行水功能区管理存在的两大不足,主要表现为在目标设定上,缺乏生态系统连通度、种群规模及种群结构、生物完整性指数等物理完整性及生物完整性目标;在功能设定上,排污控制区的设置忽视了生物安全性要求.以保障水体的完整性为流域管理的核心目标,提出了水功能区调整及其目标体系构建的技术方法.首先,在功能设定上取消排污控制区,结合排污控制区对应的水生态功能、压力状况及实际用水需求,进行功能调整.其次,根据水功能区功能需求、水生态系统安全性需求、生境物理完整性需求,提出水功能区保护目标的指标体系.并对淮河流域的主要支流沙颍河流域进行了功能调整实践,对颍河登封-禹州段进行了调整可行性和目标可达性验证,可为我国水功能区管理提供新思路.

基于还原率法的河流系统毒害污染物的TMDL计划研究

环境水体有毒有害污染物(文中简称:毒害污染物)的生物生理毒性、持久性和生物累积性对生态系统和人类健康存在风险,由于缺乏长时间序列监测资料,难以通过建模量化入河排污量与断面水质的响应关系.采用非建模还原率法,以太湖流域城市尾水河道白茆塘为对象,进行了毒害污染物的限排研究.2019年5月对白茆塘及其沿线重点排口进行半挥发性有机物、挥发性有机物及重金属检测,共检出50种特征污染物.参照中国水中优先控制污染物黑名单、中国2019年发布的《有毒有害水污染物名录(第一批)》、美国EPA(Environmental Protection Agency)水环境中129种优先控制污染物名单及基于人体健康和水生生物的国家推荐水质基准,甄别了12种需要控制的优先控制污染物,为As、1,1,2,2⁃四氯乙烷、1,2⁃二氯丙烷、一溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、三溴甲烷、双(2⁃氯乙基)醚、DBP(邻苯二甲酸二丁酯)、DEHP(邻苯二甲酸二辛酯)、芘、芴及荧蒽.采用还原率法确定毒害污染物的排放限值,来自沿线各排口的芘、芴和荧蒽限值为14.42~52.32μg·L^(-1),排放量需削减1.91~2.04倍;污水处理厂的一溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷限值为0.68~10.41μg·L^(-1),排放量需削减1.30~9.26倍;来自印染、食品行业的DBP和DEHP限值为0.08~27.61μg·L^(-1),排放量需削减1.91~316.40倍;这些排放限值远低于现行的排污限值标准.来自流域汇水范围的1,2⁃二氯丙烷、1,1,2,2⁃四氯乙烷和双(2⁃氯乙基)醚的源项具有不确定性.因此,应对优先控制污染物进行更为广泛的溯源,并提出安全的排放限值标准,以期为环境水体毒害污染物限值排放管理提供科学依据.

辽河流域岩石风化速率及碳汇计算

岩石风化是全球碳循环的重要碳汇过程。以辽河流域为研究对象,采用水化学与元素地球化学方法,从河流水化学角度对整个辽河流域的岩石风化过程进行研究。在对流域干流和主要支流河水以及水库水的水化学特征进行统计分析后,通过正演方法计算发现,辽河流域河水化学组成主要由岩石风化主导,岩石风化以碳酸盐岩风化为主,但受到人类活动(畜牧业、农业、工业等)的影响很大。辽河流域碳酸盐岩风化速率为每年12.99t·km^(-2),硅酸盐岩风化速率为每年2.27t·km^(-2),岩石风化速率小于大陆河流平均水平。辽河流域碳酸盐岩风化CO_2消耗通量为每年14.66×10~9mol,硅酸盐岩风化CO_2消耗通量为每年6.40×10~9 mol,都小于世界大部分大陆河流。

咸水层CO_2矿物封存数值模拟研究进展

CO2咸水层封存是目前减少CO2排放的最有效方法之一。矿物封存由于其稳定持久而被认为是最安全的封存形式,因此矿物封存成为目前CO2咸水层封存研究的重点。在CO2咸水层封存过程中由于发生的化学反应非常缓慢,数值模拟是目前最主要的研究手段之一。概述了国内外CO2咸水层矿物封存数值模拟方面的研究成果,着重分析了两大类储层(砂岩层和碳酸盐岩层)在封存CO2过程中的地球化学反应以及化学反应对储/盖层的影响,同时对矿物封存数值模拟中的影响因素进行了总结。最后阐释了目前矿物封存数值模拟研究存在的难点和困难,认为不确定性分析将是未来需要重视的研究方向。