基于CSSI-实时监测技术定量解析不同土地利用土壤重金属入河污染负荷

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土地利用方式转变加剧农田土壤重金属累积,降雨径流驱动侵蚀泥沙携带重金属等污染物在土壤中迁移转化,最后从农田输入河湖水体,对水体生态环境安全和人畜饮水健康构成严重威胁。目前有关土地利用方式转变与土壤重金属污染的关系研究较多,但很少把不同土地利用土壤重金属与河湖水体重金属污染相关联。因此,了解流域不同土地利用土壤重金属污染状况,定量解析不同土地利用土壤重金属入河污染负荷,对合理规划土地和防控水体重金属面源污染具有重大意义。本研究选择广西客兰水库水源区那辣流域为研究对象,将流域分为一个下游子流域(S1)和两个上游子流域(S2、S3)进行监测研究;利用无人机技术获取流域土地利用和作物盖度信息;使用高精度便携式X射线荧光光谱法测定不同土地利用类型表层土壤重金属含量,结合克里金插值法制作流域重金属空间分布地图;基于径流泥沙实时监测、采样系统获取各子流域出口的径流参数和泥沙样品,计算泥沙重金属入河负荷;联合应用化合物特异性稳定同位素(CSSI)与实时监测技术,确定不同土地利用类型土壤重金属污染物入河负荷;利用皮尔逊相关分析确定影响重金属入河污染负荷关键因素。主要结论如下:(1)从流域尺度上看,不同土地利用类型土壤重金属含量大小顺序排列为桉树>道路>河岸>甘蔗,其中,Cd、Cr、Ni重金属含量超标严重,点位超标率最高达75%、91.7%和100%;子流域不同土地利用类型土壤现存环境容量均已超载,污染程度超过了风险基准值,按照内梅罗污染综合污染指数等级划分,道路、桉树分别属于重污染和中污染,河岸和甘蔗属于轻污染。(2)流域2019年和2020年降雨量分别为878 mm和692 mm、径流深分别为160.6 mm和101.0 mm,降雨径流越大,重金属入河负荷越大;2019年重金属入河负荷高于2020年,是2020年重金属总入河负荷的4.33倍,2019年Cr、Ni、Zn是小流域入河泥沙中最主要的重金属污染物,占6种典型重金属入河总负荷的77.8%,2020年Cr、Ni和Cu是最主要的入河污染物,占总入河负荷的81.5%;流域重金属入河污染负荷具有明显的时空变化特征。时间上,重金属入河污染负荷主要发生在甘蔗苗期和伸长期,空间上,流域上游重金属入河污染负荷大于下游。(3)基于CSSI溯源结果发现,甘蔗地、河岸和道路是Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd 6种重金属入河污染贡献的主要来源区,2020年较2019年不同土地利用类型土壤重金属入河总负荷呈下降趋势,桉树林、甘蔗地、河岸和道路分别下降了90.3%、84.4%、76.4%和51.4%。(4)流域降雨、径流与6种重金属入河负荷呈极显著正相关关系(P<0.01),分别解释了入河污染负荷变化的68%~74%和77%~85%;施氮量和施磷量与6种重金属入河负荷呈显著正相关关系(P<0.05),分别解释了入河污染负荷变化的31%~87%和36%~87%;覆盖度与重金属入河负荷呈显著负相关关系(P<0.05),解释了入河污染负荷变化的23%~42%。
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