岩溶关键带的水中氮、硫酸盐和碳的分解来源及其转化机制

岩溶临界关键带的水中氮、硫酸盐和碳的分解来源及其转化机制

摘要：

在喀斯特临界区关键带（KCZ），采矿和城市化活动产生的多种污染物会，对饮用水和灌溉所必需的重要地下水和地表水资源构成威胁。尽管它们很重要，但人们对这些污染物在高密区复杂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，我们利用多种同位素和 MixSIAR 模型揭示了氮、硫酸盐和碳的转化机制和来源，并使用 ArcGIS 进行了空间建模中的水文和表面分析。结果显示地下水和地表水之间存在频繁的交换，通过δD-H2O 和 δ18O-H2O 的分析结果证明了地下水和地表水之间存在频繁的交换过程这一点。硝化作用主要发生在地表水中，同时反硝化过程也起到了重要作用作用的作用较小。地下水和地表水中的无机氮主要来自土壤氮（分别为 48% 和 49%）。污水和粪便是地表水中无机氮的次要来源，其中城市占41%，矿区占38%。值得注意的是，无机硫氧化在城市和矿区之间表现出显着的空间差异，使得地下水比地表水更容易受到硫污染。地下水与地表水频繁互换，对地下水造成较高的污染风险。此外，地下水和地表水中 CO2 和HCO3− 的主要来源是水碳酸盐反应和土壤呼吸。研究发现硫化物氧化会增强碳酸盐溶解，从而导致高密带碳酸盐溶解释放的二氧化碳增加。这些发现增强了我们对地下水和地表水中氮、硫和碳的转化机制和相互作用的理解。这些知识对于准确控制和处理库里水污染至关重要。

研究目的：

这项研究的目的是解开氮、硫酸盐和碳在喀斯特关键带（Karst Critical Zone）的水中的来源和转化机制。具体来说，研究人员想了解这些污染物在复杂的水文和土地利用中的相互作用，以及它们在地下水和地表水之间的交换。他们使用多种同位素和MixSIAR模型来研究这些问题。

研究方法：

a. 在喀斯特关键带的地下水和地表水中收集样本，并分析其δD-H2O和δ18O-H2O值，以确定水之间的交换频率。

b. 使用MixSIAR模型来确定氮、硫酸盐和碳的来源和转化机制。

c. 使用ArcGIS进行空间建模和表面分析，以了解污染物在复杂土地利用中的分布。

结论：

我们证明了多种同位素方法（N、S、C、H、O）和MixSIAR模型在揭示复杂土地利用模式下岩溶临界区（KCZ）污染物来源和转化机制的复杂性方面的有效性。硝化作用是城市和矿区地表水中氮循环的主要过程。相反，地下水中的硝化作用相对较弱。反硝化作用对地下水和地表水中氮循环的贡献最小。土壤是地下水（48%）和地表水（49%）中无机氮的主要贡献者。在城市和矿区，污水和粪肥是地表水中无机氮的次要贡献者，占46%～47%。还原无机S的氧化作用是SO42−的主要来源。矿区地下水由于与地表水频繁交换，易受黄铁矿氧化的SO42−污染。同位素值表明，水、碳酸盐和土壤呼吸之间的相互作用是地下水和地表水中CO2和HCO3−的主要来源。此外，当产生H+和SO42−时，硫化物氧化可以增强碳酸盐的溶解，增加CO2的释放。这些发现从各种定量来源为硫化物氧化和碳酸盐溶解的耦合提供了有价值的见解。了解这些过程有助于有效的岩溶水管理，并了解人为因素对KCZ中N、S和C的生物地球化学耦合的影响。

Picarro仪器的使用： 作者使用了Picarro仪器（Picarro，Santa Clara，USA）来测量δ18O-H2O和δD-H2O值。根据文本，作者进行了离散采样测量。他们收集了样本，并使用Picarro仪器进行测量。

Picarro仪器数据的使用和支持： 作者使用来自Picarro仪器的数据来确定

δ18O-H2O和δD-H2O值，这些数据用于确定水之间的交换频率。这些数据支持了研究结论，即地下水和地表水之间存在频繁的交换。

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171310