基于替代模型的地下水DNAPLs污染源反演识别

应用基于核极限学习机替代模型的模拟-优化理论和方法研究解决了地下水DNAPLs污染源及含水层参数的同步反演识别问题.结果表明：1）核极限学习机替代模型对模拟模型有较高的逼近精度,能够识别并模仿模拟模型的输入-输出关系,绝大部分相对误差小于5%,平均相对误差仅有2.98%;2）以替代模型代替模拟模型,大幅度地减小了模拟-优化过程的计算负荷,将反演识别时间由传统方法的83天减少到3小时,并能够保持较高的计算精度;3）应用基于模拟退火的粒子群优化算法求解优化模型,能够以较快的速度搜寻到全局最优,同时避免搜索过程陷于局部极小解.     

于桥水库沉积物-水界面氮磷剖面特征及交换通量

于桥水库是天津市重要的饮用水源地,但近年来呈现富营养化加重趋势,而其内源负荷及污染分布特征尚不清楚.本研究利用Peeper(pore water equilibrium)技术获取沉积物-水界面氮磷剖面特征,分析于桥水库间隙水氮磷分布的空间差异;采集沉积物无扰动柱样分析沉积物中易释放态氮及磷的赋存特征,并利用原柱样静态培养法对其水土界面氮磷交换速率进行估算.结果表明:(1)沉积物中活性磷、氨氮、硝态氮和亚硝态氮的含量分别为0.5~6.5、0.5~10.9、2.2~16.2和0.05~0.6 mg·kg~(-1),在垂直方向随深度增加营养盐含量降低,而在空间分布上差异显著.(2)上覆水中PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N质量浓度较低,间隙水中PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N质量浓度远大于上覆水,表明于桥水库间隙水具有向上覆水体扩散营养盐的潜力.在垂直方向上间隙水中PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N具有在0~5 cm快速增加,之后表现出逐渐降低的趋势.(3)静态释放结果表明,PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N从沉积物间隙水扩散至上覆水中,其释放通量分别为1.1~13.3 mg·(m~2·d)~(-1)和20.6~250.5 mg·(m~2·d)~(-1);NO-3-N交换通量在-20.4~33.4 mg·(m~2·d)~(-1)之间,NO_2~--N交换通量在-7.4~0.4 mg·(m~2·d)~(-1)之间.PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N为于桥水库主要的沉积物内源向上覆水释放营养盐,总体释放速率在空间上呈现南高北低、淋河口和水坝前较高的释放特征.与类似研究比较可知,于桥水库沉积物-水界面通量相对较高,表明沉积物是于桥水库上覆水营养盐的重要来源.     

内蒙古典型草原季节性冻土区土壤剖面CO2、N2O特征

为了评估放牧对内蒙古典型草原季节性冻土区温室气体产生机制的影响,通过气体原位采集系统对该区土壤剖面不同土层N_2O、CO_2浓度动态变化进行了为期1a的田间原位监测.共设3个处理:1979年以来规划的禁牧(UG79)、1999年以来规划的禁牧(UG99)和持续放牧(CG)小区.结果表明:土壤剖面N_2O、CO_2浓度具有明显的时空分布特征:(1)3个处理不同时期土壤剖面CO_2平均浓度均表现为:生长期冻融期冻结期,且生长期CO_2浓度要远大于冻融期和冻结期;UG79土壤剖面CO_2浓度最高,CG最低;不同土层间CO_2浓度有所差异,具体表现为UG79、UG99:20 cm≥50 cm≥35 cm≥10 cm≥5 cm;CG:50 cm≥35 cm≥20 cm≥10 cm≥5 cm;(2)土壤剖面N_2O浓度时空变化特征则与CO_2不同,UG79、UG99呈现出"单峰型"变化规律,CG为"双峰型"变化规律,即虽然CG在生长期N_2O也有微弱的释放,但3个处理土壤剖面N_2O浓度均在土壤冻融期内急剧增加,其中CG处理土壤剖面N_2O平均浓度最高,与UG79、UG99差异显著(P0.05);不同土层土壤剖面N_2O浓度表现为UG79:20 cm≥50 cm≥35 cm≥10 cm≥5 cm;CG:50 cm≥35 cm≥20 cm≥10 cm≥5 cm;UG99:35 cm≥50 cm≥20 cm≥10 cm≥5 cm.研究得出放牧可以使该区土壤剖面CO_2浓度降低、N_2O浓度升高,这为我国草原季节性冻土区温室气体的准确评估提供了重要的理论支持.     

株洲清水塘工业区周边土壤微生物群落特征

基于Illumina高通量测序技术分析了株洲清水塘工业区周边土壤的微生物群落特征,研究重金属污染对土壤微生物群落的影响.结果表明,土壤微生物群落的相对丰度和多样性变化趋势一致,均随着重金属污染程度增加而减小;稻田土壤平均相对丰度最高的门是变形菌门(49. 56%),其次为绿弯菌门(13. 07%)和酸杆菌门(8. 77%);较高重金属污染程度下伴随着更高丰度的变形菌门、绿弯菌门与更低丰度的硝化螺旋菌门、酸杆菌门; 4组样品的微生物群落结构相似性较高,OTU重叠度达52. 64%,丰度较高的OTU其微生物群落更趋向于相似;结合Spearman相关性分析,Cr与变形菌门显著负相关,与绿弯菌门显著正相关,Cd、Cu、Pb和Zn与硝化螺旋菌门显著负相关.以上结果表明,重金属污染是影响清水塘工业区周边土壤微生物群落结构的重要因素.     

三峡库区典型河流水-气界面CO2通量日变化观测及其影响因素分析

为研究河流水-气界面CO_2通量的季节和日变化特征;于2016年7月15～17日以及2017年11月4～6日对三峡库区嘉陵江支流竹溪河进行定点定时采集表层水样,并同步监测关键环境因子,采用亨利定律结合薄边界层模型计算其水-气界面CO_2通量F(CO_2).结果表明,竹溪河表层水CO_2分压p(CO_2)及界面CO_2脱气通量呈现出显著的日间和季节变化,以及明显的日内变化特征:在上午09:00前后达到释放高峰,随后波动下降;水-气界面CO_2通量日间均值分别为(100. 9±31. 6)、(78. 6±12. 1)、(83. 9±29. 7)、(137. 5±42. 1)、(147. 6±34. 0)、(132. 4±21. 7) mmol·(m~2·d)~(-1);并表现出夏季表层水体CO_2释放通量明显低于秋季,其均值分别为(87. 8±27. 5) mmol·(m~2·d)~(-1)和(139. 2±34. 0) mmol·(m~2·d)~(-1);总体表现出大气CO_2源的特征.竹溪河p(CO_2)和F(CO_2)受到诸多环境因子的影响,相关分析表明,pH、碱度、水温和气温是主要环境影响因子,CO_2释放通量可以用pH和碱度预测.     

典型小城市土壤重金属空间异质性及其风险评价:以临安市为例

城市土壤是城市生态系统不可分割的一部分,与城市居民的人体健康和生活质量密切相关.本研究以浙江省典型小城市——临安市为研究样区,共采集62个土壤表层样品(0~15 cm,样品采样密度:5个·km~(-2)),基于多元统计学、地统计学结合GIS技术研究该地区土壤重金属的污染特征、空间变异结构与分布规律.土壤重金属Mn全量、Cu全量、Zn全量、Pb全量、Cr全量、Cd全量的平均含量分别为439.42、42.23、196.80、62.55、63.65、0.22 mg·kg~(-1),与浙江省土壤背景值及环境质量标准相比较,这些重金属在临安市存在不同程度的累积,局部污染严重.单个重金属潜在生态风险危害指数表明,Pb的潜在生态危害指数最高.p H与大部分重金属全量以及重金属全量之间存在显著相关关系.研究区土壤Pb、Zn和Cu主要来自于城市交通运输工具的使用和尾气排放,而Mn和Cr主要来自于母岩,Cd主要由市区工厂的长期有害物质排放.研究区土壤重金属全量及其有效态均具有较强的空间自相关性[C_0/(C_0+C)50%],其空间分布特征受人为活动的影响极为明显.     

塔里木盆地北缘绿洲不同连作年限棉田土壤有机碳、无机碳含量与环境因子的相关性

农田土壤碳库是土壤碳库的重要组成部分,易受人类活动调节且固碳减排潜力巨大,研究土壤有机碳、无机碳含量特征及其与环境因子的关系有助于深入理解土壤生态过程,为全球碳收支平衡研究提供理论支持.本文以塔里木盆地北缘绿洲为靶区,分析土壤碳库特征,结合冗余分析、通径分析,探究土壤有机碳、无机碳含量及其与环境因子的相关关系.结果表明:(1)同一土层不同连作年限棉田土壤有机碳、无机碳含量存在显著差异(P0.05),随连作年限增加,有机碳含量呈先增加后减少趋势,而无机碳含量呈先减少后增加趋势;同一连作年限棉田不同土层土壤有机碳、无机碳含量存在显著差异(P0.05),有机碳含量均在0~20 cm层达到最大值,而无机碳含量均在20~50 cm层达到最大值.(2)通过冗余分析得出环境因子对土壤碳库特征影响的重要性排序为:磷酸酶活性p H值蔗糖酶活性过氧化氢酶活性全氮速效磷速效钾土壤含水量脲酶活性电导率;磷酸酶活性、p H值、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性、全氮、速效磷、速效钾与土壤有机碳、无机碳含量呈极显著相关关系(P0.01);土壤含水量、脲酶活性与土壤有机碳、无机碳含量表现为显著相关(P0.05).(3)通径分析表明,速效钾对有机碳含量直接作用显著,是影响有机碳含量的主要因素,而脲酶活性对无机碳含量直接作用显著,是影响无机碳含量的主要因素.干旱半干旱区土壤有机碳、无机碳含量研究是评价农田生态系统土壤碳的"源/汇"效应的基础数据,对研究全球碳收支平衡和陆地碳循环机制具有重要意义.     

基于稳定碳同位素技术的干旱区绿洲土壤有机碳向无机碳的转移

应用稳定碳同位素技术测定土壤无机碳稳定碳同位素组成(soil inorganic carbonδ13C,SICδ13C),并对干旱区绿洲土壤无机碳进行区分,结合土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)与SIC含量关系进一步探讨SOC向SIC转移的碳量.结果表明,4种类型土壤SICδ13C值差异性极显著(P0.01),风沙土SICδ13C值最高且为正,均值为(0.32±0.04)‰,随土层深度增加而增加,说明风沙土原生性碳酸盐占绝对优势;灌漠土、棕漠土和盐碱土SIC的δ13C均值分别(-0.30±0.24)‰、(-1.96±0.66)‰和(-1.24±0.49)‰,随土层变化均呈先降低后逐渐增大的趋势,说明灌漠土原生性碳酸盐占优势,棕漠土和盐碱土发生性碳酸盐相对前者占优势.风沙土、灌漠土、棕漠土和盐碱土的发生性碳酸盐占SIC比例均值分别为1.33%、4.72%、15.01%、35.71%,均小于50%,说明干旱区绿洲土壤发生性碳酸盐比例总体水平较低.风沙土、灌漠土、棕漠土和盐碱土在土壤发生性碳酸盐形成或重结晶过程中固定土壤CO2的量分别为0.30、2.44、4.96、12.40 g·kg~(-1),其中固定来自大气CO2量平均为0.18、0.79、1.45、8.67 g·kg~(-1),来自SOC氧化分解转化为CO2的量分别为0.06、0.83、1.62、1.86g·kg~(-1),说明盐碱土、棕漠土SOC的贡献相对较高,灌漠土、风沙土较低;对土壤固定CO2量的来源比较发现,风沙土、盐碱土固定土壤CO2的量来自大气CO2量较高,SOC的贡献较低,而灌漠土、棕漠土固定来自SOC氧化分解CO2的量较高,大气贡献较低.研究区整体SOC向SIC的碳转移量介于0.03~2.38 g·kg~(-1)之间,平均每千克土壤固定1.09 g的CO2,说明干旱区绿洲土壤发生性碳酸盐所占比例较低,SOC的贡献较少.     

碱法提取的混合海洋硅藻粗多糖对铅离子的吸附特性研究

采用浓碱法(40 mg·mL~(-1)NaOH)辅助冻融、加热方法提取混合海洋硅藻粗多糖,通过比较粗多糖得率、总糖、蛋白质及硫酸基含量筛选提取方法,并利用最佳方法提取的粗多糖作为生物吸附剂对Pb~(2+)进行吸附.提取实验结果表明,最优的提取方法为浓碱(40 mg·mL~(-1)NaOH)-冻融法,其粗多糖得率为33.14%,总糖含量为31.65%(480 nm)和27.27%(490 nm),蛋白质含量为6.44%、硫酸基含量为3.23%.吸附结果表明,该粗多糖对Pb~(2+)的吸附在2 h左右达到平衡,在180 r·min-1、25℃、pH=4~6时吸附效果最佳;在初始浓度为600 mg·L-1混合重金属溶液条件下,粗多糖对Cd~(2+)、Pb~(2+)、Cu~(2+)和Ni~(2+)的吸附容量大小顺序为:Ni~(2+)Cu~(2+)Cd~(2+)Pb~(2+)(以物质的量浓度为单位进行评价);粗多糖中含有的小分子糖类杂质对Pb~(2+)吸附的贡献远远大于蛋白质杂质.吸附动力学拟合结果表明,此硅藻粗多糖对Pb~(2+)的吸附过程更符合伪二级动力学模型,且Langmuir方程拟合的可决系数R2大于0.9,说明粗多糖对Pb~(2+)的吸附为单层吸附.     

典型工业区土壤多环芳烃污染特征及影响因素

为完善我国典型工业区土壤多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)污染特征数据库,系统采集了成都市4个典型石油加工类工业区表层土壤样品,采用高效液相色谱法分析16种美国环保署优先控制PAHs的含量和组分特征.结果表明,4个工业区表层土壤(0～30 cm)中多环芳烃总含量范围为191. 2～1 604. 2μg·kg-1,平均含量(583. 6±365. 6)μg·kg-1;各工业区土壤PAHs均主要以中环PAHs和高环PAHs为主,各单体PAHs中以菲、芘、荧蒽和苯并[b]荧蒽为主要特征因子,且均存在潜在的污染风险.同时,采用数理统计方法分析土壤有机质及土壤颗粒粒径与PAHs含量的相关性,并揭示土壤PAHs赋存影响因素.结果表明,在土壤污染含量较高地块,土壤有机质是PAHs较好的吸附剂,能够在一定程度上预测土壤PAHs的迁移转化行为及土壤生态风险(PAHs致癌性);与有机质相比,土壤粒径与PAHs的相关性较低,总体表现为砂粒与PAHs含量无显著相关性,粉粒与之弱正相关,黏粒与之弱负相关.通过本研究,为此类区域的土壤修复实践或学术研究提供依据.