湘中南槽谷型岩溶小流域地下水氮素多时间尺度分异特征及其驱动机制

The research on the multi-time scales variations for nitrogen of groundwater in trough karst area of the central south of Hunan is important for nitrogen management and also for the protection and remediation of groundwater contamination. Focused on this challenging problem, this project takes Yanzhu district as a work site, which locates in the central of Hunan province with characteristics of typical trough karst. Based on the exiting springs and wells, groundwater monitoring network is arranged, and two simple weather station will be set up to gain rainfall data and nitrogen deposition data. Samples will be collected and analyzed in reasonable intervals from eight springs and nine wells for major ions, nutrients, dissolved oxygen, turbidity, conductivity, 15N/14N, 13C/12C, 18O/16O, D/H, E.coil, CFCs. Based on field investigation and data collected from the monitoring network, the multi-time scales variations for nitrogen of all monitoring sites will be analyzed with the aid of mathematical statistics method. To better understand the multi-time scales variations, a multi-method program, which consists of remote sensing, GIS, environmental isotope technique and chemical analysis method, will be use to analyze the impact mechanisms of main control factors from the perspectives of groundwater age, chronology of nitrogen contamination, nitrogen source tracing, temporal and spatial distribution of pollution sources and karst hydrological cycle. This project is expected to obtain some new understanding and deepen the theoretical system of nitrogen transport in the karst groundwater system for its new perspective of mutual feedback between nitrogen and karst water cycle, and also to provide showcase for nitrogen cycling studying under different hydrogeological conditions.

湘中南槽谷型岩溶区是湖南省氮素流失最严重的地区，地下水氮素多时间尺度分异规律的研究对区内氮素管理和地下水污染的防治具有重要意义。本项目从此问题出发，选择新邵县烟竹岩溶小流域作为研究基地，布设监测系统对地下水、降雨和大气氮沉降进行监测取样。在野外实地调查和监测的基础上，运用数理统计方法对地下水氮素多时间尺度分异特征进行分析；在此基础上，综合运用遥感与GIS技术、同位素方法、水化学分析等方法从地下水年龄及氮素污染年代溯踪、氮素溯源、污染源时空分布、硝化与反硝化作用、岩溶水文循环规律等角度对地下水氮素多时间尺度分异的主要控制因子和影响因素开展研究，力求揭示其驱动机制。本项目是从氮素与岩溶水循环相互反馈的新视角出发，有望取得一些全新的理解，深化补充农业区岩溶地下水系统氮素迁移理论体系，为不同水文地质背景下的氮素循环的研究提供示范。

本项目针对湘中南槽谷型岩溶流域地下水氮素多时间尺度分异问题，选择湖南省新邵县烟竹岩溶小流域作为研究对象，开展了3次野外调查，全面分析了水文地质、居民区分布、污染源分布、农业种植结构等情况，在此基础上布设了野外监测系统，对不同岩溶单元的地下水的水位、氮素、电导率、浊度、15N/14N、18O/16O、D/H等按照季节尺度、场降雨尺度开展了为其一年的野外监测。与此同时，为了更深入理解岩溶区氮素多时间尺度的分异规律及内在机制，本项目分别选择湘中南典型槽谷型岩溶流域涟水流域和衡阳武水花岗岩流域开展了岩溶流域与花岗岩流域的水文过程对比研究，同时选择洞庭湖平原松散层地下水系统开展了氮素空间分布对比研究。研究结果表明，岩溶流域整体蓄水能力和滞水要较非岩溶流域差，因此岩溶流域相较非岩溶流域具有更高的径流系数、更高的径流集中度、更大的地下径流模数。同时，受地表补给、含水层分布的空间异质性的影响，岩溶地下水氮素相对平原地下水系统来说分布更不均匀。在上述条件的控制下，岩溶水文系统对氮素污染非常敏感，监测小流域岩溶地下水中氮素呈现出明显多时间尺度的分异特征。在年尺度上，氮素变化随着雨季开始到结束浓度大都呈现出先增加和减小的趋势，地表氮素可以随着降雨入渗进入地下，从而增加地下水中氮素的浓度，此外春耕后流域施肥量增加也是这种变化的重要影响因素。在降雨尺度上，不同岩溶单元的氮素的变化有明显差别。槽谷区松散层中地下水氮素对降雨响应相对比较缓慢，而地下河对降雨响应迅速，主要原因是槽谷区松散层有土壤缓冲层，而地下河的岩溶管道为降雨提供了快速径流通道。目标流域地下水氮素的污染源主要有两种，即人畜排泄物和合成化肥。人畜排泄物主要通过表层土壤入渗以及在降雨期间随地表径流灌入式快速进入地下水，合成化肥主要随灌溉入渗的水分进入地下水系统。依托本项目已录用核心论文3篇，培养硕士生3名，同时帮助研究区完成供水井选址一处。