半干旱农业景观中河岸带过程对硝酸盐流失与硫酸盐生成的调控机制研究

这篇综述深入探讨了半干旱农业区河岸带(Riparian zone)在调控无机溶质输出中的关键作用。研究通过对比三种不同水文连通性的河岸带，揭示了地下水流动路径(flow paths)和生物地球化学过程(biogeochemical processes)对硝酸盐(NO3-)去除和硫酸盐(SO42-)生成的调控机制，强调了河岸带异质性(heterogeneity)和氧化还原条件(redox conditions)对水质管理的重要性。

　　

半干旱农业景观中河岸带过程对硝酸盐流失与硫酸盐生成的调控机制研究

摘要

河岸带生态系统虽然面积有限，却在调节农业景观无机溶质输出中发挥着不成比例的重要作用。本研究通过分析美国北部大平原半干旱农业区三条不同水文连通性的河岸带，揭示了地下水流动路径和生物地球化学过程对硝酸盐(NO₃^-)和硫酸盐(SO₄^2-)的调控机制。研究发现河岸带通过复杂的氧化还原(redox)条件网络，既能有效去除农业输入的硝酸盐，又能通过页岩风化产生硫酸盐。

1 引言

农业活动通过施肥和增强化学风化作用，向河流廊道输送大量氮(N)和硫(S)。河岸带作为连接陆地和水生生态系统的过渡区，其水文连通性和生物地球化学功能对水质调控至关重要。然而，目前对河岸带N和S循环的相互作用机制仍知之甚少。本研究旨在填补这一知识空白，重点关注河岸带地貌背景和底质特性如何通过控制水流路径和氧化还原条件来影响溶质输出。

2 材料与方法

研究在Judith河流域(JRW)的Moccasin阶地进行，选择了三条具有不同水文连通性的河岸带：两条以地下水流动路径为主的Louse Creek河段和一条以山坡泉水直接补给为主的Porter Creek河段。通过采集阶地地下水、河岸带地下水和河水样品，分析了NO₃^-、SO₄^2-、溶解无机碳(DIC)等溶质浓度，并进行了主成分分析(PCA)和混合效应模型分析。

3 结果

3.1 地下水和地表水的生物地球化学组成

主成分分析显示，NO₃^-、DIC和Ca²⁺的相对摩尔丰度是区分不同过程域和河流的关键因子。Porter Creek河水化学组成更接近中下游阶地地下水，而Louse Creek河水则与上游阶地地下水更相似。

3.2 不同过程域的离子组成

硝酸盐浓度在不同过程域差异显著：阶地地下水最高(21.7 mg N L^-1)，河岸带地下水最低(1.65 mg N L^-1)，河水介于两者之间(8.54 mg N L^-1)。硫酸盐浓度在河岸带地下水和河水中显著高于阶地地下水，表明河岸带存在净硫酸盐生成。

3.3 不同研究河段和阶地位置的离子组成

上游阶地地下水具有最高的硝酸盐(28.3 mg N L^-1)和硫酸盐(57.7 mg S L^-1)浓度。河岸带地下水的溶解氧(DO)浓度远低于饱和值(平均0.83 mg L^-1)，表明普遍存在缺氧条件。Louse Creek河段的河水硝酸盐浓度(7.3-5.9 mg N L^-1)显著低于Porter Creek(17.0 mg N L^-1)。

4 讨论

4.1 流向河流廊道的溶质输入取决于其在阶地上的位置

从阶地西南向东北方向，地下水中硝酸盐和硫酸盐浓度逐渐降低，反映了页岩风化贡献减少和耕作土壤淋溶贡献增加的趋势。硫酸盐浓度的下降幅度大于硝酸盐，表明硫酸盐更直接反映上游土壤风化程度。

4.2 河流廊道生物地球化学效应取决于流经反应性河岸带底质的地下水比例

Porter Creek由于存在直接的地表泉水补给，河水化学受河岸带过程影响较小；而Louse Creek主要通过地下路径流动，河水化学显著受到河岸带生物地球化学过程改造。

4.3 地下水流路径将硝酸盐和硫酸盐输送到不同氧化还原条件的区域

河岸带底质的非均质性导致了复杂的氧化还原条件分布。高水力传导性的区域促进溶质运移，而低传导性区域则有利于溶质去除过程。

4.4 河流廊道过程促进缺氧条件导致净硝酸盐损失

河岸带普遍的低溶解氧条件促进了以反硝化(denitrification)为主的硝酸盐去除过程。硝酸盐与DIC的负相关关系符合反硝化的化学计量学预期。

4.5 页岩衍生物质的侵蚀和沉积促进河流廊道中净硫酸盐增加

Louse Creek河段河水中硫酸盐的净增加表明河岸带存在显著的硫酸盐生成过程，主要来自页岩风化。部分河岸带地下水样品的硫酸盐/氯化物比值变化，反映了局部硫酸盐生成和损失过程的差异。

5 结论

河岸带的地貌结构和底质特性共同调控着从高地到河流的净溶质输出。研究发现，河岸带既能有效去除农业输入的硝酸盐，又能通过页岩风化产生硫酸盐。这种双重功能强调了在预测河流溶质输出时，必须考虑河岸带异质性和氧化还原条件的空间变异性，特别是在寻求改善农业景观水质的管理策略时。