地球科学|张安广,马瑞等:地表水-地下水相互作用下NH4-N的吸附/解吸行为及其对N迁移转化的影响

学术   科学   2025-01-09 00:00   湖北  

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铵吸附/解吸是控制氮转化的重要反应之一,但其在地表水-地下水相互作用影响下对氮迁移转化的影响机制尚不清晰.以江汉平原东部沙湖监测场为研究区,通过分析地下水位及其水化学指标长期监测数据,结合室内土柱实验和反应迁移数值模型解译,识别了地表水补给和地下水排泄两种模式下NH4-N的迁移转化过程,探究了水动力驱动下N的迁移转化机制.研究表明,农业活动带来的高浓度NH4-N会被表层沉积物颗粒吸附;地表水入渗会促进沉积物中NH4-N的解吸附及后续的硝化作用,引起地下水中NO3-N浓度上升;含NH4-N的地下水排泄过程会促进沉积物对NH4-N的吸附,使沉积物中NH4-N吸附量升高.阳离子交换是影响NH4-N迁移转化的关键机制,地表水-地下水相互作用引起的水文地球化学环境变化影响了NH4-N的吸附/解吸及后续生物地球化学反应.
本文通过对江汉平原沙湖场地的地下水位和水化学特征长期的监测,结合土柱实验和反应迁移模型,探究地表水-地下水相互作用影响下NH4-N的吸附/解吸附行为及其对N迁移转化的影响,得到以下结论: 
(1)含水层中的N浓度的动态变化是由地表水与地下水的交互作用所驱动的.在丰水期,河水对地下水的补给过程导致NH4-N解吸附,从而增加NH4-N浓度;由于地表水中溶解氧浓度较高,地表水入渗促进了硝化作用,导致NO3-N浓度增加.相反,在枯水期,地下水排泄河水,促进NH4-N的吸附. 
(2)实验结果表明灌溉水模拟液淋滤时NH4-N会由于阳离子交换作用被吸附,而在地表水/地下水模拟液的淋滤下发生解吸附缓慢迁移,考虑阳离子交换的反应迁移模型可以较好地刻画水文地球化学环境多变条件下NH4-N的迁移转换过程及水化学成分的演化规律. (3)水文地球化学环境可能会影响微生物活性,进而影响NH4-N的迁移转化过程.两组实验中均发生了硝化作用,地表水模拟液含有较高浓度的DO,发生硝化作用的NH4-N所占比例较高,地表水、地下水模拟液淋滤实验土柱分别有10%和6%的NH4-N发生了硝化作用. 
(4)NH4-N进入含水层时会通过阳离子交换作用而被吸附到沉积物表面,造成富集和滞留,迁移受阻.地表水-地下水相互作用影响了阳离子交换控制下的NH4-N吸附和解吸及N氧化还原过程,进而改变了含水层中的N浓度. 
本研究揭示了地表水-地下水相互作用下NH4-N的吸附/解吸行为及其对N反应迁移过程的影响,为该研究区的地下水N污染研究与防治提供了有力的理论支撑. 

图1 研究区概况及水文地质剖面
图2 研究区不同深度地下水化学指标季节性变化
图3 枯水期(a)与丰水期(b)氮素迁移转化的概念模型


文章刊登在《地球科学》第49卷第10期

张安广, 梁莹, 马瑞, 2024. 地表水-地下水相互作用下NH4-N的吸附/解吸行为及其对N迁移转化的影响. 地球科学, 49(10): 3761-3772. doi: 10.3799/dqkx.2023.188

Zhang Anguang, Liang Ying, Ma Rui, 2024. Adsorption/Desorption Behavior of NH4-N under Surface Water-Groundwater Interaction and Its Impact on N Migration and Transformation. Earth Science, 49(10): 3761-3772. doi: 10.3799/dqkx.2023.188

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