典型農(nóng)業(yè)面源污染河流硝態(tài)氮及熒光溶解性有機(jī)質(zhì)的源解析研究.pdf

1、主要非點(diǎn)源污染物的來(lái)源解析是開(kāi)展有效農(nóng)業(yè)流域管理的先行步驟。基于河流受納水體污染特征的源解析方法不需過(guò)多考慮污染物的輸出負(fù)荷及其復(fù)雜的遷移過(guò)程，故因操作簡(jiǎn)便，解析結(jié)論可靠等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。論文針對(duì)太湖南部典型山溪平原復(fù)合型農(nóng)業(yè)河流苕溪水體存在的高氮污染來(lái)源不清的問(wèn)題，以及溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)相關(guān)研究的空白，通過(guò)采用基于受納水體污染特征的源解析策略，利用常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，5N-18O雙

2、穩(wěn)定同位素示蹤，基于平行因子分析(parallel factor analysis，PARAFAC)和自組織映射圖(self-organizing maps，SOM)的熒光指紋圖譜，系統(tǒng)評(píng)估了苕溪水體碳氮污染現(xiàn)狀，對(duì)氮素主要賦存形態(tài)NO-3和DOM的來(lái)源和空間賦存規(guī)律進(jìn)行了源解析，據(jù)此提出若干科學(xué)有效的流域管理策略。另外，構(gòu)建并創(chuàng)新了高維熒光數(shù)據(jù)的SOM深度解析方法。取得具體結(jié)論如下:
　　1、通過(guò)規(guī)?；饔虿蓸?，利用SOM神經(jīng)網(wǎng)

3、絡(luò)等方法揭示了東西苕溪兩大源頭子流域的地表水質(zhì)空間差異。境內(nèi)地表水冬季總體水質(zhì)符合Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但東苕溪總體水質(zhì)差于西苕溪，“河流-湖泊-水庫(kù)”水體總氮污染強(qiáng)于“池塘-溝渠”，但溶解性有機(jī)碳、濁度和NH+4-N情況與之相反。源頭溪流、主支流、干流和湖泊水庫(kù)水質(zhì)相對(duì)清潔，但尤以東苕溪次級(jí)支流及“池塘-溝渠”的污染問(wèn)題突出。利用氮磷比和碳氮比的生態(tài)化學(xué)計(jì)量關(guān)系，結(jié)合歷史水質(zhì)資料，確認(rèn)了流域地表水體的高氮污染問(wèn)題及硝酸鹽累積機(jī)理，其氮素主導(dǎo)成分

4、為硝酸鹽（總氮中占比超50％）。綜上，建議流域污染的防控需重點(diǎn)關(guān)注東苕溪，特別是境內(nèi)的次級(jí)支流和池塘溝渠，并建議在夏季對(duì)非點(diǎn)源污染更嚴(yán)重的東苕溪子流域開(kāi)展NO-3和DOM的污染源解析研究。
　　2、利用河水D和18O以及NO-3的15N和18O同位素信息考察了東苕溪干流及支流的水源特征及硝酸鹽的主要來(lái)源。全部河流水樣在夏季同樣富含以硝酸鹽為主要賦存形式的氮素，其δD和δ18O-H2O值亦符合本地大氣水線方程，故知降雨是東苕溪流域水

5、源補(bǔ)給的重要驅(qū)動(dòng)因子，且干流水量主要來(lái)自南、北和西苕溪，故建議作為硝酸鹽防控的重點(diǎn)（不含中苕溪）。主干道水體的δ15N-NO-3值波動(dòng)范圍較大，但δ18O-NO-3值反之，這均可得到合理解釋。此外，支流水樣的δ15N和δ18O-NO-3值差異顯著，該值在受農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖廢水污染的南苕溪支流和部分中、北苕溪支流水體中較高，但在受土壤有機(jī)氮礦化和化肥流失影響的支流水體中較小，據(jù)此可定性判斷不同類型河流的硝酸鹽主要來(lái)源。綜上，建議圍繞NO

6、-3的來(lái)源及氮素污染特征確定“一河一策”的農(nóng)業(yè)流域河流削氮防治策略。
　　3、利用河水的激發(fā)發(fā)射矩陣(excitation-emission matrices，EEMs)熒光指紋圖譜，考察了東苕溪中上游典型復(fù)合污染子流域內(nèi)（擴(kuò)散農(nóng)業(yè)污染源和農(nóng)村生活污水源為主）三級(jí)河流水體熒光溶解性有機(jī)質(zhì)(fluorescent DOM，F(xiàn)DOM)的來(lái)源和空間賦存規(guī)律。利用PARAFAC分析共從EEMs重疊光譜中分離到四個(gè)熒光組分，即類腐殖質(zhì)C1、

7、海洋源類腐殖質(zhì)C2、類色氨酸物質(zhì)C3和類酪氨酸物質(zhì)C4，分別對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)定義的A+C，A+M，T和B峰。其中C1和C2對(duì)FDOM的貢獻(xiàn)累積超60％，且主要為外源流失的陸地腐殖質(zhì)，C3則主要來(lái)自生活污水或生物代謝物補(bǔ)給，但C4主要在河流內(nèi)部原位生成。外源輸入的FDOM在多級(jí)河流中的流動(dòng)將經(jīng)歷逐步同質(zhì)化的過(guò)程。污染源和次級(jí)支流水體中C1～C3熒光組分的含量顯著高于后續(xù)受納河流，故農(nóng)業(yè)流域管理不僅需加強(qiáng)污染源控工作，更需重視次級(jí)支流水體的修復(fù)與管

8、理。
　　4、研究對(duì)比了傳統(tǒng)EEMs-SOM和新型PARAFAC-SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜EEMs解析能力差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前者需依賴常規(guī)“摘峰法”對(duì)各熒光峰做出主觀判斷，其重疊熒光峰的區(qū)分能力較差，人為割裂了多激發(fā)共發(fā)射熒光峰間的聯(lián)系，弱化了分析結(jié)果的實(shí)際環(huán)境意義，但神經(jīng)元參考EEM可視化效果較佳，且操作簡(jiǎn)便，耗時(shí)較少。后者可克服上述缺陷，清除EEMs的噪聲或無(wú)用信息，大幅降低輸入變量數(shù)，縮減運(yùn)算時(shí)間，較大改善輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性，獲得無(wú)