基于多同位素联合示踪的流域氮磷污染物解析方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多同位素联合示踪的流域氮磷污染物解析方法与系统。所述方法包括：联合环境放射性核素示踪与单体化合物稳定性碳同位素示踪辨析流域内表层和次表层及不同土地利用类型的土壤对泥沙沉积物的贡献，并利用氮氧、磷氧同位素示踪辨析水体氮磷污染物来源。本发明专利技术通过多同位素联合示踪的方法可实现对流域氮磷污染物中水沙两相的准确来源识别和污染程度定量解析。别和污染程度定量解析。别和污染程度定量解析。

【技术实现步骤摘要】
基于多同位素联合示踪的流域氮磷污染物解析方法与系统


[0001]本专利技术涉及流域面源污染治理的


技术介绍

[0002]流域面源污染主要是指流域内农田化肥、农药有机物和土壤颗粒随地表径流进入河湖水体，以及生活垃圾、工农业废水等随意排放到附近的水体，进入水体之后的污染物形态发生改变，大量的渗透到土壤和空气中，远远地超出环境的自净能力，极易导致水资源富营养化加剧、土地生产潜力降低等现象，其会最终造成流域生态环境污染。
[0003]近年来，我国农业的快速发展和高产值大量依赖于农药化肥，过量化肥、农药的施用严重影响了生态环境安全，同时，城市生活污水和工业废水的排放也造成了我国大部分地区地表水污染，出现河流、湖泊水体富营养化的现象。尽管流域面源污染问题越来越受到人们的关注，但是随着人口密度增大和经济逐步发展，部分地区的水生态环境问题依然难以解决，如大量氮磷污染物在地表径流作用下进入水体，导致地表水中氮磷污染物浓度持续呈上升趋势，特别是在降雨事件发生后，流域不同土地利用类型土壤发生地表径流，土壤侵蚀产生的泥沙随径流转移至水体，形成悬浮泥沙沉积物，泥沙沉积物中的氮磷污染物和水体可溶性的氮磷污染物也进入水体，造成流域水体污染；由生活污水、农业活动和工业废水等的直接排放也加剧了流域水体污染。
[0004]在进行流域面源污染治理时，污染源区溯源是面源污染控制的重要组成部分，每个污染源区的输出污染物对整个流域污染负荷具有不同比例的贡献，为解决流域水环境污染问题，首先要明确流域污染物的来源，以准确识别出流域面源污染物的关键源区，提高面源污染控制效果。
[0005]传统的流域面源污染来源和负荷估算主要是采用汇水区断面监测和经验公式，建立农业面源污染的评价模型，并对不同区域进行污染负荷的估算和分析的技术手段，或采用其他泥沙指纹技术(如地球化学元素、磁性等)和水体稳定性同位素技术。然而这些模型未考虑不同土地利用对流域水体和泥沙的面源污染贡献，其他泥沙指纹技术也只能区分流域泥沙的不同母质或岩石类型来源，不能区分不同土地利用类型或植被类型的泥沙贡献，结合水体稳定性同位素技术也难于定量解析流域不同土地利用类侵蚀产沙对水体面源污染的贡献，对于复杂流域的面源污染问题，也均不能简单快速识别污染来源。
[0006]如，现有专利文献CN113158385A提供了一种农业面源污染关键源区识别方法及系统，其包括：利用InVEST模型的产水量子模型，根据水文网络拓扑关系，确定流域产水量；根据所述流域产水量，确定所述目标区域内各流域的潜在氮磷径流浓度；结合所述目标区域内各流域的潜在氮磷径流浓度和氮磷入河负荷，确定所述目标区域内的面源污染关键源区。其将氮磷入河负荷和潜在氮磷径流浓度相结合，以实现关键源区的识别。
[0007]但该方法具有以下缺陷：只能识别流域中子流域的农业面源污染关键源区，无法确定不同土地利用类型对流域面源污染的贡献；未明确水体氮磷污染物浓度中的氮磷形态，也未考虑泥沙中的污染物；其模型估算的流域径流量预测值或模拟值未与实测值进行
验证，无法直接反应流域水体实际状况。
[0008]或如，现有专利文献CN111912947A提供了一种确定流域农业面源污染负荷的监测方法及系统，其包括：确定流域农业面源污染监测断面；根据所述流域农业面源污染监测断面，确定流域污染物输出总量；划分流域农业面源污染监测时期；根据划分后的流域农业面源污染监测时期，确定流域污染物基础输出量和村庄污染物输出增量；根据所述流域污染物输出总量、所述流域污染物基础输出量和所述村庄污染物输出增量，确定流域农业面源污染物输出量。该方法能评估农业面源污染负荷。
[0009]但该方法具有以下缺陷：其采用动态监测流域农业面源污染汇水区河流监测断面，但未明确流域面源污染物的种类和形态，也未考虑泥沙中的污染物；其仅在流域出口布设监测断面，只能估算整个流域的农业面源污染负荷，无法确定不同土地利用类型对流域面源污染的贡献；其未实现流域农业面源来源定性分析和定量解析。
[0010]或如，现有专利文献CN104951986 A提供了一种流域农业面源污染物入湖负荷估算方法，其包括：获取目标流域中典型小流域数据，构造典型小流域SWAT，根据SWAT获取典型小流域中Load
Lr
及Load
Lo
；获取典型小流域各子流域的种植业源、畜禽养殖业源、水产养殖业源和农村生活源产排污系数，结合基本信息调查数据，获取典型小流域中Load
Ls
；根据Load
Ls
和Load
Lr
获取目标流域农业面源污染物沟渠削减系数Factor
cr
；根据水系数据获取Length
Lr
；根据Load
Lr
、Load
Lo
和Length
Lr
，获取目标流域农业面源污染物河道削减系数Factor
rr
；获取目标流域农业面源氮磷排放负荷和目标流域内河道总长度Length
Br
；根据目标流域农业面源氮磷排放负荷、Factor
cr
和Factor
rr
及Length
Br
，获取目标流域农业面源污染物入湖负荷。该方法能简单、准确、快速获取流域农业面源污染物入湖负荷总量。
[0011]但该方法具有以下缺陷：其未估算不同污染源的贡献比；其未明确水体氮磷污染物浓度中的氮磷形态，也未考虑泥沙中的污染物；其无法辨析不同植被类型土壤对流域面源污染的贡献。

技术实现思路

[0012]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种可区分流域内氮磷污染物中水沙两相的来源、评价不同来源的污染贡献、并定量解析复杂流域内氮磷污染物的来源与负荷的方法与系统。
[0013]本专利技术首先提供了如下的技术方案：
[0014]基于多同位素联合示踪的流域氮磷污染物解析方法，其包括：
[0015]利用多同位素分别解析流域泥沙和水体氮磷污染物的来源贡献和负荷；其中所述流域泥沙氮磷污染物的来源贡献和负荷的获得包括：
[0016]基于流域出口泥沙沉积物和不同侵蚀类型的土壤的环境放射性核素活度，通过环境放射性核素指纹技术确定不同侵蚀类型对流域出口泥沙沉积物的输出贡献值；其中，所述侵蚀类型包括表层土壤侵蚀和次表层土壤侵蚀；
[0017]根据流域出口泥沙的输出通量和所得不同侵蚀类型对流域出口泥沙沉积物的输出贡献值获得不同土壤侵蚀类型的泥沙输出通量；
[0018]基于流域出口泥沙沉积物和表层土壤侵蚀的来源中不同土地利用和/或植被类型的土壤的脂肪酸碳同位素比值及有机碳含量，通过单体化合物稳定性碳同位素示踪技术确
定不同土地利用和/或植被类型土壤对流域出口泥沙沉积物的贡献值；
[0019]根据流域出口泥沙输出通量、所得不同侵蚀类型对流域出口泥沙的输出贡献值中表层土壤侵蚀对流域出口泥沙沉积物的贡献值、所得不同土地利用和/或植被类型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多同位素联合示踪的流域氮磷污染物解析方法，其特征在于，其包括：利用多同位素分别解析流域泥沙和水体氮磷污染物的来源贡献和负荷；其中，所述流域泥沙氮磷污染物的来源贡献和负荷的获得包括：基于流域出口泥沙沉积物和不同侵蚀类型的土壤的环境放射性核素活度，通过环境放射性核素指纹技术确定不同侵蚀类型对流域出口泥沙沉积物的输出贡献值；其中，所述侵蚀类型包括表层土壤侵蚀和次表层土壤侵蚀；根据流域出口泥沙的输出通量和所得不同侵蚀类型对流域出口泥沙沉积物的输出贡献值获得不同土壤侵蚀类型的泥沙输出通量；基于流域出口泥沙沉积物和表层土壤侵蚀的来源中不同土地利用和/或植被类型的土壤的脂肪酸碳同位素比值及有机碳含量，通过单体化合物稳定性碳同位素示踪技术确定不同土地利用和/或植被类型土壤对流域出口泥沙沉积物的贡献值；根据流域出口泥沙输出通量、所得不同侵蚀类型对流域出口泥沙的输出贡献值中表层土壤侵蚀对流域出口泥沙沉积物的贡献值、所得不同土地利用和/或植被类型土壤对流域出口泥沙沉积物的贡献值，获得不同土地利用和/或植被类型的泥沙输出通量；根据次表层土壤侵蚀类型的土壤的全氮和/或全磷浓与所述不同土壤侵蚀类型中次表层土壤侵蚀类型的泥沙输出通量的乘积获得次表层土壤侵蚀产生的泥沙的氮磷负荷；和/或根据不同土地利用和/或植被类型的土壤的全氮和/或全磷浓度对与所述不同土地利用和/或植被类型的泥沙输出通量的乘积获得不同土地利用和/或植被类型产生的泥沙的氮磷负荷。2.根据权利要求1所述的解析方法，其特征在于，其还包括：采集流域出口处的泥沙样品，得到流域出口处的泥沙沉积物样品；采集表层和次表层土壤侵蚀类型的土壤样品，采集参考点土壤剖面不同深度样品，采集深度取至未探测到核素的深度，其中，所述表层土壤侵蚀类型的土壤样品取自流域坡面表层土壤，标注为表层侵蚀土壤样品；所述次表层土壤侵蚀类型的土壤样品标注为对应的沟渠/沟壁的次表层侵蚀土壤样品。3.根据权利要求2所述的解析方法，其特征在于，其还包括：对所述表层侵蚀土壤样品、所述次表层侵蚀土壤样品进行核素活度测定，获得所述不同侵蚀类型的土壤的环境放射性核素活度；对不同土地利用类型不同土地利用和/或植被类型下的所述土壤样品分别进行脂肪酸的碳同位素比值及有机碳含量测定，获得所述不同土地利用类型不同土地利用和/或植被类型土壤的脂肪酸碳同位素比值；测定所述流域出口处的泥沙沉积物样品的脂肪酸碳同位素比值及有机碳含量，获得所述泥沙沉积物的脂肪酸碳同位素比值及有机碳含量；对采集到的各土壤样品和泥沙样品进行全氮含量和/或全磷含量的测定，获得所述全氮和/或全磷浓度。4.根据权利要求3所述的解析方法，其特征在于，其还包括：其中，所述不同侵蚀类型对流域出口泥沙沉积物的输出贡献值通过以下模型确定：f
s1
C
s1
+f
s2
C
s2
＝C
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)f
s1
+f
s2
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
其中，f
s1
和f
s2
分别表示表层土壤和次表层土壤侵蚀对泥沙沉积物的贡献率，C
s1
和C
s2
分别表示表层土壤和次表层土壤的环境放射性核素的活度，C
m
表示泥沙沉积物中环境放射性核素的总活度；和/或，所述不同土地利用类型不同土地利用和/或植被类型土壤对流域出口泥沙沉积物的贡献值通过以下模型确定：其中，S
n
％表示第n个土地利用和/或植被类型的土壤在所述表层土壤侵蚀中对泥沙的贡献率，I
n
表示使用同位素混合模型计算出的泥沙混合物中第n个土地利用和/或植被类型的土壤的同位素百分比值，C
n
％表示第n个土地利用和/或植被类型的土壤的有机碳含量。5.根据权利要求1所述的解析方法，其特征在于，所述泥沙输出通量通过以下模型获得：以流域出口监测的泥沙输出通量、第n个土地利用和/或植被类型的土壤对流域出口泥沙沉积物的贡献值和第n个土地利用和/或植被类型的土壤的面积的乘积得到流域表层泥沙输出通量；以流域出口监测的泥沙输出通量...

【专利技术属性】
技术研发人员：于寒青，刘文祥，陈晓光，陆朝阳，王洪雨，薛婷婷，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，
类型：发明
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