CN107655961B - 基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法 - Google Patents

基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法，该方法包括：采集柱状沉积物，分层测定重金属含量、总磷含量以及210Pbex活度值；根据210Pbex活度值，利用CRS模型，计算各层质量沉积速率值；根据重金属与总磷含量值，与各层质量沉积速率值相乘，计算流域重金属沉积通量值与总磷沉积通量值；建立总磷沉积通量与重金属沉积通量间的线性回归方程；根据总磷面源流失负荷模拟值、建立的线性回归方程，计算重金属的面源流失负荷值。本发明的优点是快速估算流域尺度重金属流失负荷，简单方便，可为资料缺乏地区的农业面源重金属污染研究提供一种新方法，结果较为准确。它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

基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的 方法
技术领域
本发明属于农业面源污染防控技术领域，涉及一种快速有效的农业面源重金属流失负荷值计算方法，尤其涉及一种基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失值方法。
背景技术
经过几十年环境保护政策的有效实施，我国点源污染控制取得了明显进步，但是水环境污染问题依然严峻。面源污染，特别是农业生产活动引发的农业面源污染已经引起各级政府部门的高度重视。由地表径流引发的土壤侵蚀是农业面源污染发生的重要形式。一方面土壤侵蚀致使农田质量不断退化，同时许多污染物质也会随侵蚀土壤一起流失进入下游水体造成诸多水环境质量问题，因此需要进行有效的评估和管理。
目前针对流域尺度上的农业面源污染研究，利用模型模拟被认为是最有效的管理评价手段，它避免了大范围野外实地监测的周期长、成本大、效率低等困难。其中，机理性过程模型耦合了流域水文、土壤侵蚀和污染物迁移转化过程，具有污染负荷计算时间序列性强、空间分布特征清晰等优点，因而得到了广泛应用。目前比较熟知的SWAT(Soil andWater Assessment Tools)、AGNPS(Agricultural Non-point Source)和HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)等都属于这一类模型。但是需要指出，包括上述几种在内的大部分常用模型的开发设计均主要针对氮、磷、农药等污染物，而缺少重金属模拟板块。重金属具有毒性大、难降解等特点，一旦进入水环境可通过食物链富集效应对人类健康产生极大威胁。为此，国外近期发布了一款TREX(Two-dimensional,Runoff,Erosion,and Export)模型，并成功评价了美国California Gulch流域土壤重金属流失过程。不过，此模型运行需要极高的数据支持，这在很大程度上限制了它在资料缺乏地区的推广和应用。事实上，由于起步相对较晚，我国至今尚没有建立起全面系统的农业面源污染数据库。
鉴于上述背景技术和我国当前实际情况，有必要建立一种快速有效的农业面源重金属流失负荷估算方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法，在建立流域重金属与总磷沉积通量值间长期定量关系的基础上，模拟获得该流域的面源磷流失负荷值，快速有效地计算流域面源重金属流失负荷值。
本发明公开一种基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法，该方法步骤具体如下：
采集柱状沉积物，测定不同深度层重金属含量、总磷含量以及210Pbex活度值；
根据210Pbex活度值，应用CRS模型计算不同深度层沉积速率值，建立年代序列；
根据重金属与总磷含量值，分别与质量沉积速率值相乘，计算不同深度层重金属的沉积通量值与总磷沉积通量值；
根据柱状沉积物反映的沉积年代历史，应用回归分析总磷沉积通量值与重金属沉积通量值间的长期定量关系，分别建立线性回归方程式；
运用机理性过程模型SWAT对流域面源磷流失负荷值进行长时段模拟；
根据总磷流失负荷模拟值、总磷沉积通量值与重金属沉积通量值间建立的线性回归方程式，计算重金属的面源流失负荷值。
本发明的优点：快速估算流域尺度面源重金属流失负荷，简单方便，可为资料缺乏地区的农业面源重金属污染研究提供一种新方法，结果较为准确。
附图说明
图1为基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值方法的流程框图。
图2为重金属与总磷沉积通量历史变化示意图。
图3为重金属与总磷沉积通量相关性示意图。
图4为总磷沉积通量与面源模拟负荷相关性示意图。
具体实施方式
本发明公开了农业面源重金属流失负荷值计算方法是一种基于沉积物同位素分析，首先建立流域重金属与总磷沉积通量间长期定量关系，而后根据模拟得到的面源磷负荷值结果快速计算重金属流失负荷值的方法。
见图1，本发明公开了一种基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：
本实施例选择我国北方土石山区的典型代表-沂蒙山区内某农业小流域作为实例。经前期实地考察后选择该流域出口上游约1km处作为理想的采样点，使用柱状采样器小心采集获得沉积物柱芯，现场按1cm厚度分割装袋。所有样品带回实验室进行常规理化分析，经HNO3–HF–HClO4法消解后采用电感耦合等离子发射光谱仪测定Pb、Cd、Cu、Zn等重金属含量值以及总磷含量值，采用高纯锗低本底γ能谱仪测定210Pbex(大气来源210Pb)活度值。以Pb、Cd、Cu、Zn四种重金属为例，各重金属在0-25cm沉积深度层的含量值以及总磷含量值、210Pbex活度值的测定结果见表1。本方法不局限于上述四种重金属，同样适用沉积物测定的其它重金属。
表1不同深度层重金属含量、总磷含量以及210Pbex活度测定值
Figure GDA0002291479160000031
Figure GDA0002291479160000041
步骤二
基于不同深度层样品210Pbex活度值，应用CRS(Constant Rate Supply)模型计算得到各层的质量沉积速率值。
Figure GDA0002291479160000042
式中R为质量沉积速率(mg/cm2·a)，I(Z)为深度Z以下各沉积层210Pbex累积量(Bq/cm2)，A(Z)为深度Z沉积层中210Pbex活度(Bq/kg)，λ为210Pb的衰变常数(0.03114/y)。
根据得到的质量沉积速率值，进一步计算线性沉积速率值如下：
Figure GDA0002291479160000043
式中S为线性沉积速率(cm/a)，R为每层质量沉积速率(mg/cm2·a)，ρ为每层沉积物干密度(mg/cm3)。
由CRS模型计算结果可知，其在0-25cm深度范围各沉积层的质量累积速率为466.28-639.00mg/cm2·a，线性沉积速率为0.46-0.72cm/a。线性沉积速率平均值为0.60cm/a，因此所采集的0-25cm段沉积物基本可反映自1976年以来该流域的沉积历史(见表2)。
表2 CRS模型计算的沉积速率值与年代序列
Figure GDA0002291479160000044
Figure GDA0002291479160000051
步骤三
将测得的各沉积深度层重金属与总磷含量值与质量沉积速率值相乘进一步计算流域重金属的沉积通量值与总磷的沉积通量值。以Pb、Cd、Cu、Zn四种重金属为例，其沉积通量范围分别为7.96-13.20ug/cm2·a、0.48-1.62ug/cm2·a、15.26-23.97ug/cm2·a、37.44-57.61ug/cm2·a，总磷沉积通量为159.19-678.52ug/cm2·a(见表3)。流域四种重金属与总磷的沉积通量值随深度变化趋势大体一致，其最低值均出现在底部沉积物，而最高值出现在6cm深处(见图2)。
表3不同深度层重金属的沉积通量与总磷的沉积通量计算值
Figure GDA0002291479160000052
Figure GDA0002291479160000061
步骤四
根据柱状沉积物(0-25cm)反映的沉积年代历史(1976-2016年)，应用回归分析进一步建立流域四种重金属与总磷的沉积通量值间的长期定量关系(见图3)。结果显示，1976年至2016年间流域总磷沉积通量值与Pb、Cd、Cu、Zn四种重金属沉积通量值间均存在很好的相关性，其R2值分别为0.70、0.68、0.83和0.74，这表明它们之间有着相似的流域沉积历史。
以总磷的沉积通量值为y值，各重金属的沉积通量值为x值，分别建立线性回归方程为：
Pb：y＝127.56x-979.48；式中y为总磷的沉积通量值，x为Pb的沉积通量值。
Cd：y＝493.00x-152.87；式中y为总磷的沉积通量值，x为Cd的沉积通量值。
Cu：y＝61.39x-837.64；式中y为总磷的沉积通量值，x为Cu的沉积通量值。
Zn：y＝30.14x-1074.90；式中y为总磷的沉积通量值，x为Zn的沉积通量值。
步骤五
通过遥感解译、资料收集及现场农户调查，建立SWAT模型模拟所需的土壤、土地利用、气象、农田管理数据库，在参数率定与验证的基础上对该流域面源总磷流失负荷进行长时段(1976-2016年)模拟。各年度模拟结果具体见表4。
表4流域面源总磷长期流失负荷模拟值
Figure GDA0002291479160000062
Figure GDA0002291479160000071
基于步骤三中计算得到的2016、2011、2006、2001、1996、1991、1986、1981、1976九个年度流域总磷沉积通量值(分别为637.58、499.43、467.95、606.37、257.57、208.47、316.56、184.08、159.19ug/cm2·a)，应用线性回归进一步分析它们与上述对应年份面源模拟流失负荷值之间的相互关系。结果显示，流域总磷沉积通量值与面源模拟负荷值整体呈现出显著的正相关性，R2值达到0.91，表明沉积物分析能够很好地用于指示流域农业面源污染特征(见图4)。此外，基于面源负荷模拟这种相对独立的验证方法也说明本实例中利用210Pb法建立的沉积年代时序是较为合理可信的。
步骤六
在模拟得到流域面源总磷流失历史负荷值的基础上，根据步骤四中建立的流域重金属与总磷的沉积通量值间的长期定量关系，估算该流域面源重金属流失负荷状况。步骤四中所建立的流域重金属与总磷的沉积通量间长期定量关系实际反映了两者面源流失负荷之间的关系，因此这里只需依据如步骤四中创建的线性回归方程式，将模拟得到的流域面源总磷流失负荷值作为y值输入，即可计算各重金属的面源流失负荷值。
Pb的面源流失负荷值的线性回归方程：y＝127.56x-979.48；式中y为流域面源总磷流失负荷值，x为Pb的面源流失负荷值。
Cd的面源流失负荷值的线性回归方程：y＝493.00x-152.87；式中y为流域面源总磷流失负荷值，x为Cd的面源流失负荷值。
Cu的面源流失负荷值的线性回归方程：y＝61.39x-837.64；式中y为流域面源总磷流失负荷值，x为Cu的面源流失负荷值。
Zn的面源流失负荷值的线性回归方程：y＝30.14x-1074.90；式中y为流域面源总磷流失负荷值，x为Zn的面源流失负荷值。
本实例中，流域Pb、Cd、Cu、Zn四种重金属的面源流失负荷估算结果具体见下表。
表5流域面源重金属流失负荷估算结果
Figure GDA0002291479160000081
Figure GDA0002291479160000091

Claims (8)

1.一种基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法，其特征在于，该方法包括：
根据210Pbex活度值，利用CRS模型，计算各层质量沉积速率值；
根据重金属与总磷含量值，与各层质量沉积速率值相乘，计算流域重金属沉积通量值与总磷沉积通量值；
建立总磷沉积通量与重金属沉积通量间的线性回归方程；
根据总磷面源流失负荷模拟值、面源流失负荷值的线性回归方程，计算重金属的面源流失负荷值；
所述的面源流失负荷值的线性回归方程包括：Pb的面源流失负荷值的线性回归方程、Cd的面源流失负荷值的线性回归方程、Cu的面源流失负荷值的线性回归方程、Zn的面源流失负荷值的线性回归方程；
所述的Pb面源流失负荷值的线性回归方程为：y＝127.56x-979.48；式中y为流域面源总磷流失负荷值，x为Pb的面源流失负荷值；
所述的Cd面源流失负荷值的线性回归方程为：y＝493.00x-152.87；式中y为流域面源总磷流失负荷值，x为Cd的面源流失负荷值；
所述的Cu面源流失负荷值的线性回归方程：y＝61.39x-837.64；式中y为流域面源总磷流失负荷值，x为Cu的面源流失负荷值；
所述的Zn面源流失负荷值的线性回归方程：y＝30.14x-1074.90；式中y为流域面源总磷流失负荷值，x为Zn的面源流失负荷值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的重金属包括Pb、Cd、Cu、Zn。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的CRS模型为：
Figure FDA0002291479150000011
式中R为质量沉积速率mg/cm2·a，I(Z)为深度Z以下各沉积层210Pbex累积量Bq/cm2，A(Z)为深度Z沉积层中210Pbex活度Bq/kg，λ为210Pb的衰变常数0.03114/y。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的总磷沉积通量与重金属沉积通量间的线性回归方程包括：Pb的线性回归方程、Cd的线性回归方程、Cu的线性回归方程、Zn的线性回归方程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的Pb的线性回归方程为：y＝127.56x-979.48；式中y为总磷的沉积通量值，x为Pb的沉积通量值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的Cd的线性回归方程为：y＝493.00x-152.87；式中y为总磷的沉积通量值，x为Cd的沉积通量值。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的Cu的线性回归方程为：y＝61.39x-837.64；式中y为总磷的沉积通量值，x为Cu的沉积通量值。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的Zn的线性回归方程为：y＝30.14x-1074.90；式中y为总磷的沉积通量值，x为Zn的沉积通量值。
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