草原流域地下水化学时空特征及环境驱动因素——以内蒙古巴拉格尔河流域为例

为查明内蒙古草原流域地下水水化学特征、成因及其环境意义,选择巴拉格尔河流域为研究对象,以Piper三线图、Gibbs图、主成分分析法（PCA）和内梅罗指数法等对2018~2019年丰水期、枯水期46处92个浅层地下水水样进行分析.结果表明：研究区地下水呈现弱碱性环境,属于淡水,枯水期多数离子含量高于丰水期,空间分布整体呈现出西高东低的特点;地下水水化学类型多样,以HCO₃^–-Ca²⁺·Na⁺型占主导,HCO₃^–-Ca²⁺型、HCO₃^–--Ca²⁺·Mg²⁺型、HCO₃^–-Na⁺型和HCO₃^–-Ca²⁺·Na⁺·Mg²⁺型等多种共存;不同河段枯水期水化学差异不显著,但丰水期地下水离子具空间特征,地下水化学成分来源变化复杂;地下水化学离子主要受岩石风化作用控制,Ca²⁺、Mg²⁺主要来源于碳酸盐、硅酸盐和蒸发岩的溶解,其中碳酸盐占主导,Na⁺、K⁺来自岩盐的溶解;地下水级别较好水居多,其次为较差和良好,极差、优良水占比最小,总体水质偏好;碳酸盐岩石风化、水岩溶滤作用和人类活动是研究区地下水化学特征演化的主要驱动因素.研究成果可为区域草原生态环境保护与恢复、水资源开发利用及流域生态水文研究提供技术参考与依据.     

基于水化学和氢氧同位素的泰安城区岩溶地下水补给来源及演化过程

泰安市城区岩溶地下水较丰富,是重要的地下水供水水源地.基于泰安城区岩溶水和地表水的水化学和氢氧同位素(δD、δ¹⁸O和³H)特征,结合Gibbs图解、主要离子比值,揭示岩溶地下水补给来源、补给年代、循环更新能力及主要的水-岩作用演化过程.结果表明,区内岩溶地下水阳离子以Ca²⁺和Na⁺为主,阴离子以HCO₃^-和SO₄^2-为主,K⁺、NO₃^-、Cl^-、Na⁺和SO₄^2-的变异系数较大,空间差异性较强,Ca²⁺和HCO₃^-的含量较稳定.水化学类型复杂多变,主要为HCO₃·SO₄-Ca型、HCO₃·Cl-Ca型和HCO₃     

西南喀斯特流域土地利用对河流溶解无机碳及其同位素的影响

河流溶解无机碳（DIC）作为流域碳循环的重要部分一直备受关注,其稳定同位素(δ¹³C_DIC)能够反映DIC来源和转化过程,而其受土地利用变化的影响的研究还较为缺乏.为了研究喀斯特河流水体DIC和δ¹³C_DIC的影响因素,在典型喀斯特流域赤水河进行了河水样品采集与分析.赤水河流域上游主要分布碳酸盐岩而下游分布硅酸盐岩,且下游林地覆盖率较高,河水的元素组成揭示了流域上游河流水化学主要受碳酸盐岩风化作用控制,而下游部分支流主要受硅酸盐岩风化的影响.丰水期河流c（DIC）和δ¹³C_DIC的平均值分别为（1 940±493）μmol·L^-1和（-9±1）‰;枯水期c（DIC）偏高,δ¹³C_DIC值更偏正,二者平均值分别为（2 334±626）μmol·L^-1和（-7.3±1）‰.河流DIC主要受开放体系中碳酸盐岩风化作用控制,来源于碳酸盐矿物以及大气和土壤CO₂     

祁连山东端地表及地下水水化学时空变化特征

于2016~2017年5~9月采集祁连山东端（乌鞘岭、古浪、天祝）的地表水和地下水样品进行水化学分析,综合运用统计分析、Piper三线图、Gibbs图以及离子比值等方法探究了祁连山东端地表水和地下水主要离子组成特征、来源以及时空变化.结果表明,祁连山东端地表水和地下水化学组成中优势阳离子为Ca²⁺和Na⁺,Ca²⁺的平均浓度为76.897mg/L,占比73.89%;Na⁺的浓度为16.592mg/L,占比15.94%.优势阴离子为HCO₃^-和SO₄^2-,HCO₃^-浓度190.117mg/L,占比68.71%;其次是SO₄^2-,平均值为67.565mg/L,占比为24.42%.乌鞘岭河水、地下水,天祝河水、地下水的水化学类型为HCO₃^--Ca²⁺型,古浪河水、地下水水化学类型为HCO₃^--Ca²⁺-Mg²⁺型,处于水化学易变区.不同水体离子来源于岩石风化,主要受碳酸盐与硅酸盐风化溶解共同作用控制,人类活动在一定程度上贡献了水体的离子来源.不同水体主要离子浓度的时间变化特征各不相同,整体上大部分水体的离子浓度随时间变化不明显,总体趋势较平缓.     

寒旱区湖泊冰封期有机碳氮同位素研究

为了探究寒旱区湖泊悬浮物和沉积物中颗粒有机碳氮稳定同位素来源与环境相关性,于2019年1月对南海湖冰封期悬浮物和表层沉积物有机δ¹³C、δ¹⁵N及C/N值进行了测定.结果表明：南海湖冰封期悬浮有机质δ¹³C的变化范围为-31.94‰~-27.87‰,δ¹⁵N变化范围为15.16‰~18.66‰,C/N变化范围为3.90~5.13.沉积物δ¹³C值变化范围为-25.39‰~-18.83‰,δ¹⁵N值变化范围为7.04‰~13.66‰,C/N值变化范围为7.66~12.23.悬浮有机质δ¹³C和δ¹⁵N最高值分别出现在进水口区和湖心岛区,沉积物则都为湖心岛区表层沉积物.端元混合模型分析表明,冰封期悬浮有机质主要由内源水生藻类主导,水质保护区藻类贡献率达到82.33%,与该区域浮游植物丰度最高相符.表层沉积物有机质的主要来源为内源水生植物,在水质保护区贡献率高达89.7%.相关性分析表明,在冰封期内悬浮有机质与表层沉积物δ¹³C、δ¹⁵N并没有明显的相关性,在低温情况下悬浮物δ¹⁵N与温度（P<0.025）、硝态氮（P<0.019）呈显著负相关,与亚硝态氮呈显著正相关（P<0.034）.原因主要与外源贡献率和生物作用的同位素效应有关.悬浮物δ¹³C和COD呈极显著正相关（P<0.008）,与盐度呈显著正相关（P<0.046）,COD和悬浮物δ¹³C很可能具有同源性,在湖泊冰封期具有一定的环境指示意义.     

基于硫酸盐硫同位素的伊洛河流域河水溶解性重金属来源

借助伊洛河河水硫酸盐硫同位素（δ³⁴S_SO4）和溶解性重金属含量水平,研究伊洛河流域不同形式人类活动对河水溶解性重金属的影响.结果表明：伊洛河流域上游干流和支流河水溶解组分受金属矿山开采废水影响较大,洛河河水中溶解性硫酸盐浓度（SO₄^2-）和δ³⁴S_SO4均值分别为（173±108）mg/L和（3.1±2.1）‰（n=8）,河水中Co、Fe、Mn、Ni、Zn、Mo、Cd、Pb和U等含量较高,伊河河水中SO₄^2-和δ³⁴S_SO4均值为（169±89）mg/L和（3.7±1.2）‰（n=6）,河水中Cr、Co、Fe、Ni、Zn、Mo、Cd、W、Hg、Pb和U等含量较高.伊洛河流域下游河水溶解性重金属受生活污水和工业废水影响较大,洛河河水中SO₄^2-和δ³⁴S_SO4均值分别为（121±30）mg/L和（9.4±0.8）‰（n=4）,河水中V、Cr、Ni、As、W和Hg等含量较高,伊河河水中SO₄^2-和δ³⁴S_SO4均值分别为（122±22）mg/L和（10.5±2.4）‰（n=3）,河水中V、U、Ni和As等含量较高.伊洛河流域源头河水溶解性重金属含量低,河水溶解组分来自大气降水,河水δ³⁴S_SO4值范围为（6.7‰~8.2‰）.伊洛河流域河水溶解性重金属含量以及δ³⁴S_SO4值具有一致的空间差异性,δ³⁴S_SO4可以很好地说明河水中溶解性重金属以及硫酸盐来源.     

崇明东滩大型底栖动物食源的稳定同位素示踪

利用稳定同位素示踪技术,对崇明东滩盐沼湿地夏季不同生境大型底栖动物的食物来源和营养结构进行了初步研究。结果显示,表层沉积有机质稳定碳、氮同位素组成分别在-21.3‰~-24.2‰、4.6‰~5.6‰,不同生境下存在一定差异。植物体各组织的同位素值存在差异,在判别食物来源时需要注意,不能简单地以植物叶片值来代替整个植株。大型底栖动物的δ¹³C值为-14.7‰~-23.6‰,表现出食物来源的差异。总体上说,湿地优势植物的活植物体不是大型底栖动物的主要食物来源,沉积有机质是大部分底栖消费者的食物基础。底栖动物的氮同位素能较好地反映其食性和营养级,计算出崇明东滩大型底栖动物营养级在2.0~3.7,为一级消费者和二级消费者。     

鄱阳湖湿地土壤有机碳氮同位素特征及其环境意义

通过对2011年鄱阳湖及其主要入湖河流(赣江、抚河、信江、修水及饶河)15个湿地土壤样品中δ¹³C及δ¹⁵N的测定,分析探讨了鄱阳湖及其主支流湿地土壤有机质和氮素来源.结果表明:鄱阳湖湖区湿地土壤中总有机碳(TOC)的含量在0.45%~1.58%之间,总氮(TN)含量变化范围为0.06%~0.17%;各入湖河流TOC含量为0.41%~1.18%, TN含量在0.05%~0.13%之间.鄱阳湖湖区湿地土壤有机质δ¹³C及δ¹⁵N变化范围分别为-28.35‰~-18.58‰和3.27‰~6.84‰;各入湖河流湿地土壤δ¹³C和δ¹⁵N分别为-25.93‰~-22.66‰和2.97‰~5.41‰.有机质来源分析表明:除湖口处主要来源于C4植物外,鄱阳湖区及其入湖河流湿地土壤有机质的主要来源是C3植物.湖区湿地土壤氮素来源分析表明吴城处主要受农业化肥使用的影响,而其他采样点湿地土壤有机质氮素主要来源于生活污水;入湖河流湿地土壤氮素来源较复杂,生活污水、化肥及工业污水是其主要来源.     

夏季汾河干流溶解无机碳同位素组成及其来源

根据2019年8月对汾河干流水文参数和碳酸盐参数的调查,初步探讨了溶解无机碳（DIC）及同位素值（δ¹³C_DIC）的沿程变化及其影响因素.结果显示,源头水DIC为2756μmol/kg,δ¹³C_DIC为-9.6‰,土壤CO₂输入和碳酸岩化学风化可能是其主要来源;在太原市区上游的水库影响区,较强的初级生产使得水体DIC（平均值为2377μmol/kg）和CO₂分压（pCO₂）（平均值为552μatm）偏低,δ¹³C_DIC（平均值为-5.2‰）偏正,而在市区下游的水坝滞流影响区,城市污水的大量输入和有机物的降解使得DIC（>4900μmol/kg）和pCO₂（>5000μatm）显著升高,δ¹³C_DIC（<-10.3‰）偏负;在流经主要粮食产区的汾河下游,δ¹³C_DIC偏正（~-8.0‰）于源头,可能与C4植被（如玉米）的存在有关.可见,人为干扰已成为影响汾河DIC沿程变化的重要因素,表现为大气CO₂强源的城市下游水坝滞留区在今后需受到更多关注.     

基于稳定氢同位素的太原市大气单环芳烃来源

采集太原市城北和城南区域环境空气和5类污染源挥发性有机物样品,测定样品中典型单环芳烃稳定氢同位素（δD）组成,基于同位素质量平衡原理计算单环芳烃从源到环境空气受体的δD初始混合值,探讨单环芳烃来源.结果表明,柴油挥发源、溶剂挥发源、汽油挥发源（97^#）、汽油挥发源（95^#）、机动车尾气（97^#）、机动车尾气（95^#）和民用燃煤源中单环芳烃δD范围依次为：（-138.7‰~-115.5‰）、（-147.0‰~-121.0‰）、（-150.8‰~-117.6‰）、（-131.8‰~-113.8‰）、（-171.2‰~-120.0‰）、（-138.9‰~-102.7‰）和（-168.3‰~-142.3‰）,民用燃煤源中单环芳烃δD显著贫重氢同位素（D）组成,机动车尾气源与汽油挥发源中苯的δD相比显著贫D,可用于探索污染物转化过程;城北和城南环境空气中δD范围为（-131.7‰~-115.1‰）和（-131.9‰~-74.9‰）,δD初始混合值为-138.4‰和-173.9‰,体现了其来源差异.     

鄱阳湖水体悬浮有机质碳氮同位素分布特征及来源探讨

通过对鄱阳湖及其入湖河流(赣江、抚河、信江、修水及饶河)水体悬浮有机质碳、氮同位素含量的测定,分析了鄱阳湖及其入湖河流水体悬浮有机质碳同位素(δ13CPOM)和氮同位素(δ15NPOM)时空分布特征,探讨了其水体悬浮有机质和氮素来源.结果表明,鄱阳湖区枯水期δ13CPOM、δ15NPOM值分布范围分别为-26.59‰~-24.91‰(n=9)和5.88‰~17.49‰(n=9),丰水期分别为-27.10‰~-25.88‰(n=9)和2.99‰~19.69‰(n=9);入湖河流水体枯水期δ13CPOM、δ15NPOM值变化范围分别为-27.79‰~-25.22‰(n=6)和2.87‰~9.26‰(n=6),丰水期分别为-28.07‰~-26.02‰(n=6)和2.12‰~8.75‰(n=6).有机质来源分析表明:C3植物是鄱阳湖区及其入湖河流水体悬浮有机质的主要来源;而氮素来源比较复杂,在不同季节和不同的地点也不尽相同,生活污水、化肥及其土壤流失氮是鄱阳湖区水体悬浮颗粒物氮素的3种主要来源;化肥、陆源有机质及其土壤流失氮是其入湖河流水体悬浮颗粒物氮素的3种主要来源.     

湖泊碳循环及碳通量的估算方法

湖泊由于其特殊的地理位置,较高的生产力,在碳循环中具有重要作用。作为湖泊营养元素的碳在湖泊水体中的赋存形态主要包括:碳酸盐系统(CO2,CO32-,HCO3-,H2CO3)、溶解态有机碳、生物死亡残体颗粒碳及生物体有机碳等。研究表明包括有机碳和溶解态无机碳在内的全世界湖泊总碳汇为0.077Gt/a,其中对大气的汇达到0.0532Gt/a。湖泊除从地表径流、地下水获得碳以外,还可从空气物质中获得碳。估算及测定水气界面CO2通量的方法主要有:①赖利估算法;②单侧扩散法;③同位素估算法;④涡度相关法;⑤静态箱式法。     

光照水库溶解无机碳变化及其来源解析

河流拦截筑坝形成蓄水河流,逐渐向“湖泊型”生态系统演化,加强了生物地球化学循环并进一步影响水体碳循环.为了更准确地进行全球碳循环的预算并预测碳循环变化,必须确定对河流系统产生影响的碳来源.因此,通过测定库区水体c（DIC）（DIC为溶解性无机碳）及其δ13C（稳定碳同位素）,分析了DIC的主要来源及其影响因素.结果表明:①水体c（DIC）为1.80~5.02 mmol/L,而δ13C_DIC（溶解性无机碳的稳定碳同位素）为-7.45‰~-1.26‰.c（DIC）与EC（电导率）、TA（总碱度）均呈正相关,与水温呈负相关.表水层δ13C_DIC与c（DIC）、TA均呈正相关,与EC在入库河流处呈负相关;而滞水层δ13C_DIC与EC、pCO₂（二氧化碳分压）、TA、c（DIC）均呈正相关.②水平方向上,表水层各指标变化明显,TA、EC、SIc（方解石饱和指数）和c（DIC）整体上呈降低趋势,δ13C_DIC从上游至下游逐渐偏正,受碳酸盐矿物溶解影响显著;垂直方向上,热分层和化学分层现象对水的碳循环产生了显著影响.有机质分解在深水层释放大量CO₂致使c（DIC）、pCO₂逐渐升高及δ13C_DIC逐渐降低,c（DIC）及其δ13C在整个水柱上存在显著的空间异质性.研究显示,光照水库DIC的来源主要有两种,即生物源的土壤CO₂和有机物呼吸产生的溶解CO₂形式的DIC源、碳酸盐矿物风化所产生的碳酸氢盐形式的DIC源.      

地下水灌溉对华北平原农田土壤碳库转化影响

为揭示区域尺度上地下水灌溉对农田土壤碳库转化的作用机制,选取华北平原高灌溉定额区、低灌溉定额区及无灌溉背景区为研究对象,分析土壤深度0~700 cm剖面范围内碳含量及碳储量的变化特征,并结合稳定碳同位素源解析技术,采用端元混合模型定量评估地下水灌溉条件下不同来源的土壤碳对土壤碳库的贡献率.结果表明:①地下水灌溉对土壤有机碳（SOC）储量影响不显著,但是显著增加了土壤无机碳（SIC）储量,具体趋势表现为无灌溉背景区（43.8 kg/hm2） < 低灌溉定额区（46.9 kg/hm2） < 高灌溉定额区（79.9 kg/hm2）;垂向剖面数据进一步显示,灌溉区与无灌溉区碳密度在土壤深度100~300 cm处存在显著差异（p < 0.01）.②碳含量及稳定碳同位素相关分析表明,无灌溉条件下SOC和SIC间转化关系较为明显;而在地下水灌溉区SOC与SIC相关性较弱.地下水溶解性无机碳（DIC）输入成为灌溉区土壤无机碳库的主控因素.③稳定碳同位素源解析表明,SOC以C3植物来源为主,无灌溉区DIC主要来源于SOC转化,其占比在10.6%~25.8%之间;灌溉区DIC则主要来源地下水灌溉,占比范围为74.0%~89.8%.研究显示,地下水灌溉外源输入的DIC显著提高了SIC的储量,对区域土壤碳库组成及转化过程产生重要的直接影响.      

海水无机碳对过量无机氮输入引起的富营养化响应的模拟研究

模拟研究了在添加过量无机氮造成海水的富营养化条件下,水体pH、无机碳体系、海-气CO2通量的变化过程,探讨了海水无机碳对过量无机氮输入引起的富营养化响应机制.结果表明, NO-3添加组中,当浓度≤37.60μmol·L-1,时, HCO-3、p(CO2)增加, pH、CO2-3下降;当浓度≥188μmol·L-1,时,则正好相反. NH 4添加组中,当浓度≤25.20μmol·L-1时能够明显促进水体HCO-3、p(CO2)减少, pH、CO2-3增加,水体表现为吸收大气CO2;当浓度≥126μmol·L-1时,水体表现为向大气释放CO2,且强度随浓度的增加而增强. N0-2添加组中,当N0-2浓度在7.90μmol·L-1时, HCO-3、p(CO2)呈明显的下降趋势, pH、CO2-3则随时间明显增加,水体表现为吸收大气CO2且强度随时间的增加而增强,而当N0-2高于和低于此浓度时,无机碳变化不明显.水体Chl-a较对照组的增加量(△Chl-a)与△p(CO2)具有很好的负相关关系(r=-0.87, p<0.0001, n=16),表明造成以上差异的原因与水体中浮游植物在不同形式不同浓度无机氮作用下对水体无机碳利用性不同有关.     

阿哈水库枯水期入库河流可溶性氮、磷含量分布特征

以贵阳市阿哈水库五条入库河流为研究对象,研究了阿哈水库枯水期入库河流水体可溶性氮、磷含量分布特征,可溶性氮组分比例及沿程变化规律。结果表明：五条入库河流水体可溶性氮、磷含量差异较大,可溶性总氮（DTN）、可溶性总磷（DTP）平均含量分别为1.71~9.74 mg/L和0.03~0.52 mg/L。蔡冲河、烂泥沟河、金钟河受人类活动影响较大,水体DTN、DTP含量较高。不同河流水体可溶性氮组分比例差异显著,受人类活动影响小的游鱼河、白岩河,其水体可溶性氮以可溶性有机氮（DON）为主,DON占DTN的比例高达94%。受人类活动影响大的蔡冲河、烂泥沟河、金钟河则相反,以可溶性无机氮（DIN）为主。不同河流氮、磷含量自上到下游沿程波动较大,人为源造成的氮、磷污染远高于自然源。金钟河的DTN、DTP年输入量分别为97.03 t、46.64 t,对阿哈水库的DTN、DTP输入贡献最大,分别达到45%和66%。     

洛阳盆地浅层地下水化学特征及其演化特征分析

在系统采集并分析洛阳盆地浅层地下水样品的基础上,综合描述性统计、相关性分析、运用Piper三线图、Gibbs模型以及离子比例系数等方法,对洛阳盆地浅层地下水化学特征及其形成机理进行了分析和探讨。结果表明:HCO~-_3和Ca~(2+)分别是研究区浅层地下水中优势的阴、阳离子;HCO_3-Ca和HCO_3-Ca·Mg型为主要地下水化学类型;浅层地下水TDS和总硬度的平均浓度相对较低,平均值分别为450.5 mg/L和329.3 mg/L。本区浅层地下水化学特征的形成主要受到岩石风化作用的影响,地下水水质成分主要来自于碳酸盐岩和硅酸盐岩等矿物的长期风化溶解。同时,逆向阳离子交换作用也在一定程度上影响着浅层地下水化学的形成。