CN114460270B - Cssi联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农业面源污染技术领域，具体涉及一种CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法，包括以下步骤：(1)划分CSSI源区，采集源—汇样品；(2)CSSI样品分析；(3)径流监测和测定悬浮泥沙重金属含量；(4)计算不同泥沙来源贡献比和重金属入河负荷。本发明提出的流域农业面源污染的CSSI联合流域监测侵蚀泥沙重金属入河解析方法，可以定量辨识流域泥沙重金属污染的土地利用来源及其输入水系的负荷通量，根据不同土地利用类型的土壤侵蚀产沙速率和土地利用面积，可以定量辨识和划分流域内土壤侵蚀及其污染的关键控制区域，本发明简单、快速、准确，在流域农业面源污染防控技术领域具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于农业面源污染技术领域，具体涉及CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法。
背景技术
面源污染，不同于点源污染，其特点在于：污染物排放具有分散性和隐蔽性，不易监测。其排放地点存在随机性和不确定性和空间异质性，无法进行统一排放处理，而是直接随农田地表径流、农田排水和地下渗透使大量污染物进入受纳水体。由农业生产活动引发的农业面源污染已经引起国内外学者的广泛关注。降雨驱动的地表径流侵蚀泥沙经河道由沟口输入河流，是导致农业面源污染最主要的原因。一方面土壤侵蚀致使农田质量不断退化，农作物产量降低。另一方面，重金属进入水体后，因其不可降解性不能被水体自身净化而成为二次污染源，再次污染地下水，并在水生动植物中累积，不可降解(何亚卓，2021)。但目前大部分的研究都集中于对重金属来源和生态风险评价(Budur et al，2018；朱静等，2021)，对重金属入河污染的定量解析的研究鲜有报道。本发明关键的技术在于(能够)对入河泥沙来源进行准确示踪，目前应用最广泛的技术是单指纹因子识别、复合指纹识别技术，其中CSSI技术是目前应用的主要技术。
单因子指纹识别技术研究泥沙来源始于20世纪70年代，比较常用的单因子指纹识别技术主要有:放射性核素识别技术(Fallout radio nuclides，FRN)、土壤矿物识别技术、土壤矿物磁性识别技术、土壤颗粒组成识别技术等。FRN示踪技术可以确定不同土地利用类型土壤侵蚀速率的时空变异，但不能按照土地利用类型区分流域水系中泥沙污染的来源。土壤矿物识别技术一般应用在泥沙源地为不同类别土壤的流域,在小流域内研究泥沙来源时应用较少。土壤矿物磁性也是一种比较常用的指纹识别因子。不同土壤颗粒的磁性不一样,土壤磁性随母质、成土特点和发育程度的不同差异甚大。在泥沙运移的过程中土壤磁性比较稳定,可用于确定河流泥沙来源。但不适合在农业小流域应用，小流域内成土母质基本相同，无法准确识别。
为定量解析流域泥沙污染的土地利用来源及其输入水系的负荷通量，有学者提出FRN-CSSI联合示踪方法(于寒青,2012)，可以定量流域泥沙污染物的土地利用来源及其输入水系的负荷通量法，但其技术原理还存在一些不合理之处：FRN包括137Cs、210Pb和7Be，分别用于过去50年、100年和数月的平均土壤侵蚀速率。特定单体化合物稳定同位素(compound-specific stable isotopes，CSSI)测定是次降雨事件不同土地利用类型侵蚀泥沙入河污染的贡献的百分比,所以，137Cs和210Pb测定的长时间平均土壤侵蚀速率与CSSI确定的短期降雨入河泥沙时间不匹配。尽管7Be可以测定次降雨事件侵蚀速率，但只局限于面蚀，不包括沟蚀过程。因此，FRN与CSSI联用技术原理存在问题。
由于我国相关研究起步较晚，至今没有建立全面、准确、***的农业面源污染数据库。鉴于上述背景技术和我国研究现状，寻找一种简单、快速、准确的土壤重金属进入河湖水体负荷计算方法十分必要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法，既可以准确辩识地表水体中泥沙重金属土地利用来源的贡献比例，又能建立降雨下侵蚀泥沙重金属入河动态变化，能够为下游水体综合治理提供评价依据。
本发明的技术方案为：
CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法，包括以下步骤：
(1)划分CSSI源区，采集源—汇样品；(2)CSSI样品分析；(3)径流监测和测定悬浮泥沙重金属含量；(4)计算不同泥沙来源贡献比和重金属入河负荷。
进一步地，所述步骤(1)划分CSSI源区，采集源—汇样品包括：
确定流域内不同土地利用类型后，在不同来源的集水区出口，利用网格法选择8-13个采样点，然后用CSSI采样铲在每个点清理土壤表层落叶或石块后，采集深度为0-2cm的表层土壤，若土壤侵蚀程度较深，则取样深度为1.0-5.0cm，所有采样点土壤样品混合后，过2mm筛，得到CSSI样品。
进一步地，所述步骤(2)CSSI样品分析包括：
CSSI样品一部分经酸化去除无机碳后，使用二氯甲烷萃取、皂化后调至酸性，使用无水硫酸钠去除水分后，再采用三氟化硼甲醇溶液将脂肪酸甲酯化后溶解在正己烷溶液中(与干燥应在同一天完成)，然后利用气相色谱-红外质谱***(GC-IRMS)分析脂肪酸甲酯化合物燃烧转化成CO2中的13C值，得到脂肪酸中的δ13C丰度，另一部分直接用元素分析仪测定土壤δ13C丰度。
进一步地，所述步骤(3)径流监测和测定悬浮泥沙重金属含量包括：
流域监测的水沙采样器收集降雨径流悬浮泥沙，过0.45um滤膜，去除水分，称量保存，通过重金属仪测定泥沙重金属含量，并计算泥沙浓度和流域出口泥沙总量；
泥沙浓度和流域出口泥沙总量按公式Ⅰ和公式Ⅱ计算：
式Ⅰ中，Sci为泥沙浓度(g L-1),Si为1L水沙混合物中泥沙的干质量(g)；
式Ⅱ中，SE为流域出口泥沙总量(t ha-1)，Vi为不同降雨下的径流量(m3hr-1)。
进一步地，所述步骤(4)计算不同泥沙来源贡献比和重金属入河负荷包括：
通过方差分析选择合适的脂肪酸来确定泥沙中不同土地利用来源的碳同位素比例；基于不同土地利用类型筛选的脂肪酸δ13C和Bulkδ13C的结果，应用Iso-Source混合模型(Gibbs,2012)确定泥沙混合物中不同土地利用来源的碳同位素比例；
根据公式Ⅲ将泥沙中的有机碳含量和模型输出碳同位素比例转换成不同土地利用泥沙来源贡献；
式Ⅲ中，In指混合物中第n个源土壤的同位素比例，％Cn是第n个源土壤中碳含量，％Sn是泥沙中n个源土壤比例；
根据公式Ⅳ计算重金属入河负荷；
式Ⅳ中，HML指重金属入河负荷，Mci是第i个悬浮泥沙重金属含量。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法，根据不同土地利用类型的土壤侵蚀产沙速率和土地利用面积，可以定量辨识和划分流域内土壤侵蚀及其污染的关键控制区域。
2、本发明的优点是能简单、准确计算出污染物入河通量，适用于长期监测的农业流域，建立降雨下入河重金属污染物动态变化，为水生态治理提供科学依据。
附图说明
图1为本发明提供的一种CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1为本发明提供的CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法的流程图。以客兰水库水源区那辣小流域为例，流域出口泥沙来自3个子流域，子流域1(S1)、子流域2(S2)、子流域3(S3)，三个子流域总面积为1.29m2/km，S1面积为0.22m2/km，是流域出口。S2面积为0.62m2/km，S3面积为0.45m2/km。流域土地利用类型分为甘蔗、桉树、河岸、道路，在每个子流域出口安装水沙自动采样器，并按不同土地利用类型采集CSSI样品，然后分析，CSSI解析的入河泥沙重金属的植被类型贡献比例，流域监测的水沙采样器收集的降雨径流悬浮泥沙，用真空抽滤泵过0.45um滤膜，分离泥沙和水样。将滤膜与过滤的泥沙在40°烘箱中除去水分，称重记录泥沙重量，并通过重金属仪测定泥沙重金属含量。
如表1所示，根据子流域出口安装的水沙自动采样器，收集了2018年6月13日-2018年11月11日的16场降雨数据。根据采样器纪录得径流数据，和悬浮泥沙浓度，能够计算出子流域入河泥沙总量。将悬浮泥沙样品在实验室进行重金属含量分析，结果见表2。
表1流域出口监测的径流泥沙
表2流域出口悬浮泥沙中的重金属含量
将CSSI源-汇样品进行分析，通过方差分析选择合适的脂肪酸来确定泥沙中不同土地利用来源的碳同位素比例；基于不同土地利用类型筛选的脂肪酸δ13C和Bulkδ13C的结果，应用Iso-Source混合模型(Gibbs,2012)确定泥沙混合物中不同土地利用来源的碳同位素比例；将泥沙中的有机碳含量和模型输出碳同位素比例转换成不同土地利用泥沙来源贡献，具体结果见表3。
表3基于CSSI溯源的不同土地利用类型对入河泥沙的贡献
最后，应用CSSI技术对流域中的侵蚀泥沙进行朔源，得到不同泥沙来源贡献的比例；结合流域出口泥沙径流监测，确定流域中不同土地利用类型侵蚀泥沙重金属入河污染负荷，具体结果见表4。
表4不同土地利用土壤入河泥沙重金属污染负荷
由表1-表4可知，本发明提出一种CSSI联合实地监测定量解析悬浮泥沙重金属入河通量的方法，既可以准确辩识地表水体中泥沙重金属土地利用来源的贡献比例，又能建立降雨下侵蚀泥沙重金属入河动态变化，能够为下游水体综合治理提供评价依据。
上述说明是针对发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (3)
1.CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法，所述重金属为Cr、Ni和Cu，其特征在于，包括以下步骤：
(1)划分CSSI源区，采集源—汇样品；
(2)CSSI样品分析；
(3)径流监测和测定悬浮泥沙重金属含量：流域监测的水沙采样器收集降雨径流悬浮泥沙，过0.45um滤膜，去除水分，称量保存，通过重金属仪测定泥沙重金属含量，并计算泥沙浓度和流域出口泥沙总量；
泥沙浓度和流域出口泥沙总量按公式Ⅰ和公式Ⅱ计算：
式Ⅰ中，Sci为泥沙浓度(g L-1),Si为1L水沙混合物中泥沙的干质量(g)；
式Ⅱ中，SE为流域出口泥沙总量(t ha-1)，Vi为不同降雨下的径流量(m3 hr-1)；
(4)计算不同泥沙来源贡献比和重金属入河负荷：通过方差分析选择合适的脂肪酸来确定泥沙中不同土地利用来源的碳同位素比例；基于不同土地利用类型筛选的脂肪酸δ13C和Bulkδ13C的结果，应用Iso-Source混合模型确定泥沙混合物中不同土地利用来源的碳同位素比例；
根据公式Ⅲ将泥沙中的有机碳含量和模型输出碳同位素比例转换成不同土地利用泥沙来源贡献；
式Ⅲ中，In指混合物中第n个源土壤的同位素比例，％Cn是第n个源土壤中碳含量，％Sn是泥沙中n个源土壤比例；
根据公式Ⅳ计算重金属入河负荷；
式Ⅳ中，HML指重金属入河负荷，Mci是第i个悬浮泥沙重金属含量。
2.如权利要求1所述的CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法，其特征在于：所述步骤(1)划分CSSI源区，采集源—汇样品包括：
确定流域内不同土地利用类型后，在不同来源的集水区出口，利用网格法选择8-13个采样点，用CSSI采样铲在每个点清理土壤表层落叶或石块后，采集深度为1.0-5.0cm的表层土壤，所有采样点土壤样品混合后，过2mm筛，得到CSSI样品。
3.如权利要求1所述的CSSI联合实时监测定量解析侵蚀泥沙重金属入河负荷的方法，其特征在于：所述步骤(2)CSSI样品分析包括：
CSSI样品一部分经酸化去除无机碳后，使用二氯甲烷萃取、皂化后调至酸性，使用无水硫酸钠去除水分后，再采用三氟化硼甲醇溶液将脂肪酸甲酯化后溶解在正己烷溶液中，利用气相色谱-红外质谱***分析脂肪酸甲酯化合物燃烧转化成CO2中的13C值，得到脂肪酸中的δ13C丰度，另一部分直接用元素分析仪测定土壤δ13C丰度。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110487987A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-11-22 | 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 | 流域农业面源污染的frn-cssi联合溯源示踪解析方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| First use of a compound-specific stable isotope (CSSI) technique to trace sediment transport in upland forest catchments of Chile;Bravo-Linares Claudio et al.;《Science of the Total Environment》;第1114–1124页 * |
| Particulate N and P exports from sugarcane growing watershed are more influenced by surface runoff than fertilization;Yong Li et al.;《Agriculture, Ecosystems and Environment》;第302卷;第1-12页 * |
| The distributions of particulate heavy metals and its indication to the transfer of sediments in the Changjiang Estuary and Hangzhou Bay，China;Yue Che et al.;《Marine Pollution Bulletin》;第123-131页 * |
| 基于复合指纹法的九乡河小流域泥沙来源解析;常维娜 等;《水土保持学报》(第06期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114460270A (zh) | 2022-05-10 |
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