流中断实验量化浅层咸水弱透水层中微量元素淋失机制及其对三角洲地区水环境的影响

《Science of The Total Environment》：Flow-interruption experiments to quantify trace elements leaching from a shallow saline aquitard

本研究针对沿海三角洲地区土壤盐渍化引发的微量元素(Te)污染问题，通过开展饱和柱流中断实验，模拟了波河三角洲泥炭质弱透水层在交替灌溉条件下的Te淋失行为。研究发现，灌溉中断和NaCl示踪剂注入会显著促进As、Mn、Pb、Ni等Te的释放，其浓度峰值超过WHO饮用水标准。CXTFIT 2.1模型揭示了双孔隙结构和有机质对溶质运移的关键影响。该研究为三角洲地区农业灌溉和地下水管理提供了重要的理论依据。

　　

在全球气候变化和水资源过度开发的背景下，沿海三角洲地区的土壤盐渍化问题日益严重。这些地区通常富含有机质和硫化物矿物，在交替干湿的灌溉条件下，土壤中的微量元素(Te)可能被活化释放，对地下水和地表水环境构成潜在威胁。特别是在波河三角洲这样的典型区域，由于大规模土地开垦和农业活动，浅层含水层系统中Te的迁移转化行为亟待深入研究。

为了量化泥炭质弱透水层中Te的淋失规律，研究人员开展了一项创新的柱实验研究。该研究不仅模拟了真实的灌溉条件，还结合了流中断技术和NaCl示踪实验，系统探讨了物理化学非平衡过程对Te运移的影响。相关成果发表在《Science of The Total Environment》上。

研究采用了几个关键技术方法：首先设计了饱和柱实验装置，使用来自波河三角洲的原始沉积物样品，在氮气氛围中装填以保持原始氧化还原状态；其次实施了流中断实验方案，包括短期(14小时)和长期(115小时)中断，以模拟实际灌溉中的停滞效应；第三运用CXTFIT 2.1模型对Cl^-穿透曲线进行反演模拟，量化了双域模型(DD)中的运移参数；最后采用改进的顺序提取法分析了实验前后沉积物中Te的形态分布变化。

3.1. 饱和柱淋滤实验结果

通过连续监测流出液化学组成，发现初始阶段As、Mn、Pb、Ni等Te浓度均超过WHO限值。随着淋滤进行(约20孔隙体积后)，各Te浓度逐渐降低至安全水平。然而在流中断后重新开始时，Te浓度均出现显著峰值，表明停滞期间发生了Te的活化和积累。柱2因含有更高有机质(25.6%)，表现出更强的Te释放能力。

3.2. NaCl示踪剂测试

即使低离子强度的NaCl溶液也能有效 mobilize多种Te。As和Pb浓度峰值分别达到0.022 mg/L和0.034 mg/L，再次超过WHO标准。Na⁺与粘土和有机质上的阳离子交换是主要机制，表现为流出液中Na⁺当量浓度仅为Cl^-的四分之一。

3.2.1. CXTFIT结果与不同建模方法比较

双域+滞留+生成项模型(DD+R+γ)对Cl^-穿透曲线的拟合最优(R²=0.989)。该模型揭示了约25%的孔隙为不可动孔隙，且固体相生成项(γ_s=2.0 mgcm³/min)显著高于液相(γ_l=0.9 mgcm³/min)，表明含盐植物残体是持续的溶质来源。

3.3. 选定Te的顺序提取结果

实验后，结晶态Fe(III)氧化物结合态Te增加，而Fe(II)硫化物结合态As和Fe减少，证实了黄铁矿和砷黄铁矿(FeAsS)的氧化过程。新形成的结晶铁氧化物成为Te的有效捕获剂。

研究结论表明，波河三角洲泥炭质弱透水层中的Te释放主要受三个过程控制：灌溉停滞期的扩散作用、盐分引起的离子交换以及硫化物矿物的氧化。顺序提取结果证实了Te从硫化物相向氧化物相的转化，这一过程在氧化条件下反而促进了Te的固定。CXTFIT模型成功量化了双孔隙结构和有机质对溶质运移的贡献，特别是不可动孔隙区域和植物残体对溶质的缓释作用。

该研究的重要意义在于首次将流中断实验与盐水冲刷相结合，系统揭示了交替灌溉条件下Te的活化机制。研究结果对全球类似水文地质区域的农业灌溉管理、地下水保护策略具有重要指导意义，为制定科学的水资源管理措施提供了理论依据。未来需要进一步研究高有机质含水层系统中Te的释放规律，以应对气候变化带来的挑战。