高原湖泊周围浅层地下水氮的时空分布、预测及影响因素

来源 :云南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dreamagain1986
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目前,我国湖泊水环境污染和水资源紧缺问题突出,湖泊富营养化是云南高原湖泊流域地表水面临的主要问题。浅层地下水是重要的农业灌溉与饮用水源,在农业生产、生活和生态调控等方面起着重要的作用,由于受到地表氮投入负荷、降雨和灌溉等因素驱动下,高原湖泊周围集约化农区浅层地下水氮污染较为严重,威胁着高原湖泊水质安全。为评价云南高原湖泊周围区域浅层地下水中氮的污染现状和防控浅层地下水氮污染,本文以云南8个高原湖泊(滇池、洱海、抚仙湖、杞麓湖、异龙湖、星云湖、阳宗海和程海)为研究对象,通过在2017和2020~2021年雨季和旱季周围农田和居民区的水井中采集了709个浅层地下水样,分析研究区浅层地下水中氮污染的时空特征及驱动因素,采用支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和神经网络(NN)3种机器学习方法对氮浓度进行预测,明确了影响浅层地下水中氮浓度的重要因子。结果表明:(1)8个高原湖泊周围浅层地下水理化参数在农田和居民区的变化相差不大。雨、旱季8个高原湖泊周围浅层地下水p H值变化范围为6.74~7.70,存在较小的季节性波动,表现为雨季>旱季;浅层地下水总体水位较浅,变化范围为89.03~503.73cm,存在较大的季节性波动,表现为旱季>雨季;浅层地下水温度变化范围为17.05~23.25℃,表现为雨季>旱季;浅层地下水中溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和电导率(EC)变化范围分别为0.64~7.46 mg·L-1、160.15~791.24 m V和87.9~2930μS·cm-1,季节波动相差不大。(2)云南8个高原湖泊周围浅层地下水中ρ(TN)、ρ(NO3--N)、ρ(ON)和ρ(NH4+-N)平均值分别为24.35、15.15、8.41和0.79 mg·L-1,NO3--N是浅层地下水中主要的氮形态,占TN的质量分数为57%~68%,ON占TN的质量分数为27%~38%。8个湖泊2020~2021年的463个采样点中有32%的采样点ρ(NO3--N)超过地下水III类水质要求(GB/T 14848)20 mg·L-1,其中,洱海(61%)、杞麓湖(48%)和滇池(45%)的超标率最高。根据地下水质量标准(GBT14848-2017)Ⅴ类水质要求,对地下水中ρ(NH4+-N)超过1.5 mg·L-1的样点统计发现,抚仙湖(54%)、异龙湖(46%)和杞麓湖(27%)超标率较高。(3)土地利用和季节变化影响着浅层地下水中各形态氮浓度及其组成,农田区浅层地下水中各形态氮浓度高于居民区,除NH4+-N外,雨季浅层地下水中各形态氮浓度高于旱季。土地利用引起的浅层地下水各形态氮浓度变化差异更显著,地下水中的DO、EC、ORP和T显著反映或影响着浅层地下水中各形态氮浓度的变化,且DO和EC与NO3--N、TN和ON呈显著线性正相关,而土壤因子对浅层地下水中各形态氮浓度影响较小。(4)随机森林模型对浅层地下水中NO3--N(R~2=0.827)、TN(R~2=0.726)和ON(R~2=0.502)的预测效果较好,随机森林模型氮浓度预测变量的重要性评价发现,EC、ORP、土壤硝态氮含量和施肥量是预测高原湖泊周围浅层地下水氮的重要因子。(5)为防止高原湖泊周围浅层地下水氮污染进一步恶化,应调整种植结构,种植低水肥作物;合理施肥,降低施肥强度,提高氮肥利用效率;禁止大水漫灌,实施节水灌溉和水肥一体化技术,避开降雨施肥,减少表层土壤氮淋溶至地下水。
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