汉江平原潜流带Redox变化特征及有机磷农药迁移转化机理

Hyporheic zone is a typical dynamic ecotone, and also a complex reduction-oxidation (redox) system, in which redox and matter cycle play significant roles to understand the interactions between surface-water and groundwater well. When the redox conditions change in the hyporheic zone, the structure of function microbial community in water and mineral surface, the activities and pieces of minerals in groundwater, the redox potential in mineral surface, and so on, will also change and influence the migration and transformation of pollutants in it. Shahu hyporheic zone in Jianghan Plain was selected as the study area in this project. Based on the fine-scale delineation of the structure, compositions and the geochemistry characterizations in hyporheic zone, the mechanisms of migration and transformation of organophosphorus pesticides (OPPs) were studied deeply considering the interactions between biogeochemistry and hydrogeochemistry. The objectives are to reveal how the redox system including regional hydrologic, chemical, biological environment is influenced by natural or anthropogenic activities and to present the inverse effects on the migration and transformation of typical pollutants in hyporheic zone. The results will provide scientific basis to prevent or eliminate the harmfulness of pollutants in hyporheic zone from water quality and human health and to promote social economic sustainable development.

潜流带是一个典型的动态生态交错带，也是一个复杂的混合氧化还原(Redox)系统。该系统中的氧化还原作用与物质循环是深刻解读地表水-地下水交互作用的关键所在。当潜流带中Redox变化时，相应水体和矿物表面的功能微生物群落结构、地下水化学中的氧化还原态物质活性、矿物表面氧化还原势等都将发生相应变化，最终影响污染物在潜流带中的迁移转化行为。本项目拟以江汉平原沙湖潜流带为研究区，通过精细表征潜流带结构、物质组成和水文地质、地球化学特征，从生物地球化学和地下水地球化学作用相互影响、相互制约的角度，深入研究有机磷农药(OPPs)污染在潜流带中的迁移转化机理，揭示天然或人为因素对该区域Redox系统的影响及其对典型污染物迁移转化的逆效应，为预防或消除污染物通过潜流带对水环境质量和人类健康的危害、促进社会经济可持续发展，提供科学依据。

潜流带(Hyporheic Zone，简称 HZ），作为“生物地球化学活动强烈的地表水与地下水的混合区域”，在陆地水文循环中发挥着极其重要的作用。该项目以江汉平原沙湖潜流带为研究区，通过对其水文地质与水文地球化学的精细调查，研究有机磷农药(OPPs)在潜流带的迁移转化机理。结果表明：江汉平原冲湖积平原区孔隙承压水的上覆土层中不仅富含有机质，而且还含有大量的铁锰矿物，地下水中Fe、Mn的浓度均超出WHO规定的标准限值。受天然条件 (降水、地表水位波动、干旱和洪涝灾害等) 和人类活动 (地下水开采、灌溉回注等) 的影响，监测场浅层地下水水位呈现出明显的上下波动，地表水与地下水相互交换。水位波动不仅引起有机碳输入（有机质及氨氮含量较高），土壤表层及地表水体中OPPs向下迁移至深层地下水，而且潜流带的氧化还原物种（如铁、锰、硫等）含量也呈现明显的周期性波动。尽管研究区地下水中OPPs的含量与铁、锰、硫等元素或离子之间并不存在简单的线性相关性，但其在地下水环境中的迁移转化明显受潜流带的氧化还原条件影响。室内模拟实验也证实土壤中针铁矿、腐殖酸与蒙脱石等矿物成分不仅可吸附而且可催化提高吸附态有机磷农药的水解行为。同时，地下水环境中大量存在的还原态硫化物一方面作为亲核试剂促进OPPs发生水解反应，另一方面与沉积物中铁锰矿物（如二氧化锰）共存体系中介导地下水中OPPs的氧化还原反应。此外，地下水环境中的微生物不仅直接参与氧化还原物种的转化而且影响OPPs的降解，从而改变OPPs在地下水系统中的最终归趋。