東北地理所在鹽堿化農(nóng)業(yè)水體RIs生成過程與機(jī)制方面取得進(jìn)展
鹽堿地開發(fā)是緩解耕地資源短缺和實現(xiàn)糧食增產(chǎn)的重要途徑。水稻種植是鹽堿地農(nóng)業(yè)利用最主要的方式之一，但稻田的洗鹽排水過程會排放大量鹽堿離子、氮磷營養(yǎng)鹽等物質(zhì)進(jìn)入溝渠和下游河湖水體，對區(qū)域水生態(tài)安全造成威脅。活性中間體（RIs）在生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和污染物遷移轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但其在鹽堿化農(nóng)業(yè)水體中的生成過程與機(jī)制尚不清楚，限制了對鹽堿化地區(qū)農(nóng)業(yè)水體中復(fù)雜污染物生物地球化學(xué)過程的理解。
東北地理所水環(huán)境污染與防治研究團(tuán)隊聚焦我國東北松嫩平原蘇打鹽堿地，選擇典型水稻種植區(qū)，在泡田排水期系統(tǒng)采集了鹽堿稻田田面水、溝渠水及下游河流、湖泊水體樣品，通過穩(wěn)態(tài)量子產(chǎn)率動力學(xué)模型計算和太陽光譜光化學(xué)模擬實驗測定相結(jié)合的方法，研究了鹽堿化農(nóng)業(yè)區(qū)各類水體中RIs的光化學(xué)生成過程與機(jī)制。
研究發(fā)現(xiàn)，RIs的生成與水體中常規(guī)理化指標(biāo)之間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系（圖1）。單線態(tài)氧（1O2）的生成對pH較為敏感，三重激發(fā)態(tài)DOM（3DOM*）主要受鹽分調(diào)節(jié)，而羥基自由基（?OH）受NO2-、NO3-和DOM的影響更大；水體中的磷對RIs呈現(xiàn)出雙重調(diào)節(jié)作用：一方面RIs穩(wěn)態(tài)濃度隨著TP濃度升高而增加；另一方面，過量的磷則會通過競爭性抑制作用降低RIs的量子產(chǎn)率。?OH作為自然界中最普遍存在且氧化能力最強(qiáng)的活性氧物種，其生成過程與1O2和3DOM*相比更為復(fù)雜。因此，本研究進(jìn)一步探究了?OH的主要生成過程與潛在機(jī)制。結(jié)果表明，NO2-、NO3-和DOM的光化學(xué)反應(yīng)對?OH生成的貢獻(xiàn)率分別為19.50%、6.93%和73.57%，證實DOM光解是鹽堿化農(nóng)業(yè)水體中?OH的主要生成途徑（圖2）。光譜學(xué)特征分析表明，在鹽堿化農(nóng)業(yè)水體中，相較于DOM濃度，其平均分子量對RIs生成的影響更大。整體而言，鹽堿化地區(qū)農(nóng)業(yè)水體從源頭經(jīng)由溝渠流入下游河湖水體的過程中，DOM光解始終是?OH的主要生成途徑，且在下游水體中占比最高（83.28%）；NO2-和NO3-光解的貢獻(xiàn)相對較小，且在下游水體中兩者對?OH生成的貢獻(xiàn)占比均降低。
圖1 鹽堿化農(nóng)業(yè)水體中RIs生成與水體常規(guī)理化指標(biāo)之間的相關(guān)性
圖2 洗鹽泡田期鹽堿化農(nóng)業(yè)水體中?OH穩(wěn)態(tài)濃度及各生成途徑占比
圖3 鹽堿化農(nóng)業(yè)水體中?OH的潛在生成機(jī)制
該研究明確了鹽堿化農(nóng)業(yè)水體中RIs的關(guān)鍵生成途徑（圖3），為理解鹽堿地區(qū)農(nóng)業(yè)水環(huán)境中的光化學(xué)過程提供了新的視角，對平衡鹽堿化地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)可持續(xù)性、優(yōu)化區(qū)域水資源管理具有重要意義。
相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊《Water Research》上，由特別研究助理王鑫壹（共同第一作者）、遼寧大學(xué)已畢業(yè)博士研究生劉紀(jì)陽（共同第一作者）和祝惠研究員（通訊作者）等人共同完成。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目聯(lián)合資助。
論文信息：Wang XY,Liu JY,Li SY,Miao YQ,Shen YT,Cui H,Hou SN,Zhu H*. Mechanisms of reactive intermediates formation in saline-alkali agricultural waters. Water Research,2025,123540.
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123540
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