珠江三角洲集约型农业区河畔湿地土壤地下水中磷的迁移转化规律及其影响因素

In the past decade, the phosphorus concentration of groundwater in intensive agricultural production basins around the world has continued to rise, which constitutes a major ecological threat to rivers, lakes and marine waters that receive groundwater recharge. This shows that groundwater has become an unknown potential source of exogenous phosphorus. Studying the migration mechanism of phosphorus in the soil and aquifer media is a key and challenging topic to reveal the phosphorus cycle in the basin. In this proposal, the typical natural riparian wetlands and the surrounding farmland in the Pearl River Delta are chosen. The hydrological observation, hydrochemistry and multi-isotopic analysis are used to study the infiltration process of rainfall and the interaction between groundwater and river, and the effects of soil moisture on the evolution of biogeochemistry environment. Emphasis is placed on identifying the source and reaction pathways of phosphorus in water and soil and revealing the phosphorus transformation in mineralization of organic matter in soil and /or aquifer. Furthermore, the dynamic characteristics of soluble reactive phosphorus in soil and the continuity of microbial mineralization along the soil water-groundwater flow are studied. The characteristics of phosphorus migration in the soil and aquifer as well as the control factors are discussed. A conceptual model for phosphorus migration in the soil-groundwater-river system will be established to provide a scientific support for basin management and wetland conservation.

近十年来世界各国集约型农业生产流域地下水的磷浓度持续上升，这对接受地下水补给的河流，湖泊和海洋水形成重大的生态威胁，显示地下水已成为流域地表水体磷的一个未知的潜在外源。而研究磷在土壤和含水层介质中迁移机理是揭示流域磷循环的关键且具有挑战性的课题。本研究以珠江三角洲典型自然河畔湿地和周围农田为研究对象，利用水文观测、水化学、多同位素解析等手段，分析降雨下渗和地下水/河水补排过程，阐述土壤水分对河畔湿地生物地球化学环境变化的影响机制。着重识别水土中磷的来源和反应途径，揭示土壤含水层有机物矿化过程中磷的形态转化特征。在此基础上，研究土壤溶液磷动态变化特征以及沿土壤水-地下水流动方向微生物矿化作用的连续性，探讨磷在土壤和含水层介质中的迁移特征及其影响因素，建立磷迁移的概念模型，为流域水环境管理以及河畔湿地保护提供科学依据。

磷是引发湖泊海域水体富营养化的关键元素。长期以来，由于土壤有很强的磷吸附能力，除了大气沉降以外，地表径流是给湖泊海域输送磷的唯一外源途径。但是，近十年来的研究发现在一些长期农业生产特别是施用有机肥料地区的地下水磷浓度出现上升趋势，揭示农田土壤的磷已经进入了地下水的事实，而对磷的迁移机理仍未给出合理的科学解释。从水文循环角度来看，浅层地下水通过河畔湿地以泉水和渗流形式补给河流，意味着地下径流可能是给湖泊海域提供磷的一条重要但仍未被关注的外源途径。. 磷素在环境中的移动性则取决于其浓度和形态，有机肥能够较好的改善土壤和含水层介质的理化性质，增强微生物的活性，促进不同土壤磷形态之间的转化。由此可见，探明有机肥投入对磷素在土壤中累计，形态转化和移动性的影响对于正确评价该体系下的磷素环境风险具有重要意义。. 本课题从以下几个方面对磷在土壤和地下水中的形态和影响因素开展了研究：. (1)建立磷酸盐氧同位素方法，明确不同土壤中磷的形态提取以及相应磷酸盐氧同位素的分析条件，为研究磷在环境中迁移和朔源提供了重要手段。. (2)阐述了有机和无机磷肥对土壤中磷形态变化和迁移的影响。通过分析土壤中生物有效态磷的变化，揭示了微生物活动对土壤中磷迁移的作用。. (3)利用磷氧同位素甄别有机磷和无机磷对土壤磷形态变化的影响，通过磷酸盐氧同位素与生物反应的特殊关联，解释土壤微生物活性和磷形态转换的特征。. (4)在河畔湿地地表水和地下水中均能检出生物有效态磷。尤其是河畔湿地中河床下面的地下水生物有效态磷浓度较高。说明环境对地下水生物有效态磷的影响十分大。为了准确获得含水层中生物有效态磷信息，需要将观测井清洗后才能取样分析。. (5)通过分析地下水氡含量的变化,精确揭示了潮汐湿地的地下水循环路径以及滞留时间，阐述了非均质性潮汐湿地含水层地下水流动特征的影响机制。. (6)湿地红树林土壤的CO2和CH4主要表现为排放特征，CO2和CH4通量存在较明显的时空变化。生物有效态磷在湿地系统碳氮循环过程中起着重要的作用。