CN114580167A - 一种实时监测与cssi技术解析泥沙来源氮磷入河负荷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农业面源污染监控技术领域，具体涉及一种实时监测与CSSI技术解析泥沙来源氮磷入河负荷的方法，包括以下步骤：S1.实时监测流域出口的径流泥沙中氮磷含量，确定流域中泥沙氮磷总入河负荷量；S2.应用CSSI朔源技术对流域中的入河泥沙来源进行辨识，计算不同土地利用类型泥沙来源的贡献百分比；S3.联合应用实时监测与CSSI泥沙朔源，定量确定不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷。本发明能简单、全面、准确地定量解析不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷，为水生态治理提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于农业面源污染监控技术领域，具体涉及一种实时监测与CSSI技术解析泥沙来源氮磷入河负荷的方法。
背景技术
农田过量施用氮磷肥料与土壤侵蚀流失，已经成为全球河流、湖泊等地表水体面源污染的最主要贡献(Ongley et al.,2010；Sun et al.,2012)。目前，大多数研究主要集中于农田尺度上可溶性氮磷流失和源头化肥减施面源污染防控方面，但对集约化农业生产驱动的土壤侵蚀对河湖水体面源污染的贡献知之甚少(Fissore et al.,2017；Sarapatkaet al.,2018)。自上世纪90年代末，国内外学者开始研究水土流失引起的农业面源污染。研究的空间尺度已从径流小区观测发展到农田、乃至流域尺度，研究的理念已从单一的农田氮磷流失研究开始向坡面流失源区与河湖水库汇集区响应关系的研究发展(Collins etal.,2009；Wang et al.,2018)。研究手段从氮磷浓度的离散型观测、地球化学溯源，开始向连续型的智能物联网在线监测、多环境同位素专一性溯源方面发展。
目前，泥沙溯源辨识的方法主要有地球化学元素、FRN、多环境同位素专一性溯源等方法。地球化学元素指纹技术是通过不同母质的重金属组成不同来判断不同土壤泥沙入河来源，但其不能辨识不同土地利用类型泥沙来源；散落的环境放射性核素(falloutradionuclides，FRN)技术利用137Cs、210Pbex和7Be具有不同半衰期(30年、22年和53天)，确定不同土地利用类型的土壤侵蚀速率，用于辨析河库泥沙污染物沉积的时间和泥沙的侵蚀类型来源，但不能辨识不同土地利用类型泥沙入河污染来源贡献；特定单体化合物稳定性同位素技术(compound-specific stable isotope，CSSI)可以确定不同土地利用类型入河泥沙污染物的贡献百分比,其原理利用不同植物产生相同的脂肪酸作为生物标志物标记土壤，通过分析不同植物的脂肪酸稳定性同位素(δ13C)值辨识流域出口输出不同来源的泥沙贡献比例(Gibbs,2008)，但不能确定流域不同土地利用类型的入河泥沙污染负荷。
流域实时监测技术是一种通过监测降雨条件下流域出口径流和泥沙输出量来反映流域内部泥沙输出实时情况的经典方法(Li et al.,2020)，但只能量化泥沙及相关养分入河湖负荷，但无法对入河泥沙来源贡献进行辨识。
上述这些技术，都是分开应用很少联合应用，难于定量流域不同土地利用类型的入河泥沙污染负荷不能辨识不同土地利用类型泥沙来源。目前已有学者将FRN-CSSI联合溯源示踪解析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(于寒青等，2019)，但因其技术原理存在问题(FRN包括137Cs、210Pb和7Be，分别用于测定过去50年、100年和数月的平均土壤侵蚀速率。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)，故联合FRN-CSSI示踪技术无法对暴雨条件下农田氮磷流失进入地表水系的通量过程进行实时定量解析。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种实时监测与CSSI技术解析泥沙来源氮磷入河负荷的方法，能简单、全面、准确地定量解析不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷，为水生态治理提供科学依据。
本发明的技术方案为：
一种实时监测与CSSI技术解析泥沙来源氮磷入河负荷的方法，包括以下步骤：
S1.实时监测流域出口的径流泥沙中氮磷含量，确定流域中泥沙氮磷总入河负荷量；
S2.应用CSSI朔源技术对流域中的入河泥沙来源进行辨识，计算不同土地利用类型泥沙来源的贡献百分比；
S3.联合应用实时监测与CSSI泥沙朔源，定量确定不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷。
进一步地，所述步骤S1包括：
采集入河口悬浮泥沙样品，将泥沙过滤后，一部分105℃后烘干用于计算径流中泥沙浓度，另一部分40℃烘干用于测定泥沙氮磷浓度，泥沙氮、泥沙磷分别采用凯式定氮法和HClO4-H2SO4-钼蓝比色法进行测定；根据式Ⅰ和式Ⅱ计算泥沙氮磷总入河负荷量；
式Ⅰ中，Sci是泥沙浓度(g L-1)，Si是1L水沙混合物中烘干泥沙的质量(g)；
式Ⅱ中，PNL/PPL是泥沙氮磷总入河负荷量(kg ha-1)，n是样本总数，i是次降雨事件中的单个样本数，Sci是泥沙浓度(g L-1)，Vi是不同样本期的径流量(m3 h-1),Ti是不同样本数的采样间隔时间(h)，PNi/PPi是每次降雨事件中泥沙氮磷的浓度(g kg-1)；Ax是子流域面积(ha)。
进一步地，所述步骤S2包括：
S21.流域CSSI泥沙样品的采集
A.不同土地利用类型样品采集：降雨径流发生后，在不同土地利用类型集水区采集0-2cm的移动泥沙样品；
B.入河泥沙样品采集：降雨径流发生期间，采集河口悬浮泥沙样品；
S22.室内分析
采集的CSSI样品一部分经酸化去除无机碳后，直接用元素分析仪测定土壤δ13C丰度；另一部分使用二氯甲烷萃取、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，然后利用气相色谱-红外质谱系统(GC-IRMS)用于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；
S23.泥沙来源贡献比例计算
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；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，计算公式如式Ⅰ所示：
式Ⅲ中，Sn％:泥沙第n个源土壤贡献，In:使用同位素混合模型估算的混合物中第n个源土壤的同位素比例(％)，Cn％:第n个源土壤有机碳含量。
进一步地，步骤S3中，所述不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷根据公式Ⅳ计算：
源n的泥沙氮磷的入河负荷(t·ha-1)＝泥沙氮磷总入河负荷量(PNL/PPL，kg ha-1)×源n对流域入河泥沙贡献的百分数Sn％(％)Ⅳ。
本发明的有益效果为：
本发明通过实时监测流域出口的径流泥沙，确定流域中泥沙氮磷总的入河负荷；利用CSSI朔源技术对流域中的入河泥沙污染来源进行辨识，确定不同泥沙污染来源的贡献比例；联合应用实时监测与CSSI泥沙朔源，定量确定不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷。本发明的优点是能简单、全面、准确地定量解析不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷，为水生态治理提供科学依据，可有效防控输入河湖库的泥沙负荷。
附图说明
图1为本发明的一种实时监测与CSSI技术解析泥沙来源氮磷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
以某流域为例，在一次暴雨事件下，采集入河口悬浮泥沙样品，将泥沙过滤后，一部分105℃后烘干用于计算径流中泥沙浓度，另一部分40℃烘干用于测定泥沙氮磷含量，泥沙氮、泥沙磷分别采用凯式定氮法和HClO4-H2SO4-钼蓝比色法进行测定，结合流域实时监测计算泥沙氮磷总入河负荷量，结果如表1所示。
表1入河总的泥沙氮磷负荷
在雨后采集流域中来自农地、林地、河岸以及道路集水区0-2cm的移动泥沙样品，同时在暴雨过程中，在流域入河口采集悬浮泥沙样品。将这些样品带回实验室处理分析，CSSI样品一部分经酸化去除无机碳后，直接用元素分析仪测定土壤δ13C丰度；另一部分使用二氯甲烷萃取、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，然后利用气相色谱-红外质谱系统(GC-IRMS)用于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(Gibbs et al,2008)。将CSSI源-汇样品进行分析，通过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,2008)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类型泥沙来源贡献，结果如表2所示。
表2不同土地利用类型来源泥沙的贡献百分比
通过实时监测技术确定流域出口入河总的泥沙氮磷负荷，利用CSSI朔源技术得出不同土地利用类型来源泥沙的贡献百分比，联合应用实时监测与CSSI泥沙朔源，定量确定不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷，结果如表3所示。
表3某流域不同土地利用类型侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷
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 (4)
1.一种实时监测与CSSI技术解析泥沙来源氮磷入河负荷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.实时监测流域出口的径流泥沙中氮磷含量，确定流域中泥沙氮磷总入河负荷量；
S2.应用CSSI朔源技术对流域中的入河泥沙来源进行辨识，计算不同土地利用类型泥沙来源的贡献百分比；
S3.联合应用实时监测与CSSI泥沙朔源，定量确定不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷。
2.如权利要求1所述的实时监测与CSSI技术解析泥沙来源氮磷入河负荷的方法，其特征在于：所述步骤S1包括：
采集入河口悬浮泥沙样品，将泥沙过滤后，一部分105℃后烘干用于计算径流中泥沙浓度，另一部分40℃烘干用于测定泥沙氮磷浓度；根据式Ⅰ和式Ⅱ计算泥沙氮磷总入河负荷量；
式Ⅰ中，Sci是泥沙浓度(g L-1)，Si是1L水沙混合物中烘干泥沙的质量(g)；
式Ⅱ中，PNL/PPL是泥沙氮磷总入河负荷量(kg ha-1)，n是样本总数，i是次降雨事件中的单个样本数，Sci是泥沙浓度(g L-1)，Vi是不同样本期的径流量(m3 h-1),Ti是不同样本数的采样间隔时间(h)，PNi/PPi是每次降雨事件中泥沙氮磷的浓度(g kg-1)；Ax是子流域面积(ha)。
3.如权利要求1所述的实时监测与CSSI技术解析泥沙来源氮磷入河负荷的方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
S21.流域CSSI泥沙样品的采集
A.不同土地利用类型样品采集：降雨径流发生后，在不同土地利用类型集水区采集0-2cm的移动泥沙样品；
B.入河泥沙样品采集：降雨径流发生期间，采集河口悬浮泥沙样品；
S22.室内分析
采集的CSSI样品一部分经酸化去除无机碳后，直接用元素分析仪测定土壤δ13C丰度；另一部分使用二氯甲烷萃取、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，然后利用气相色谱-红外质谱系统(GC-IRMS)用于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；
S23.泥沙来源贡献比例计算
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；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，计算公式如式Ⅰ所示：
式Ⅲ中，Sn％:泥沙第n个源土壤贡献，In:使用同位素混合模型估算的混合物中第n个源土壤的同位素比例(％)，Cn％:第n个源土壤有机碳含量。
4.如权利要求1所述的实时监测与CSSI技术解析泥沙来源氮磷入河负荷的方法，其特征在于：步骤S3中，所述不同土地利用侵蚀土壤氮磷的入河污染负荷根据公式Ⅳ计算：
源n的泥沙氮磷的入河负荷(t·ha-1)＝泥沙氮磷总入河负荷量(PNL/PPL，kg ha-1)×源n对流域入河泥沙贡献的百分数Sn％(％) Ⅳ。
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