基于水化学与氮氧同位素的喀斯特山区水体硝酸盐来源示踪与估算——以平寨水库为例

平寨水库地处喀斯特山区,是贵州省重要的灌溉和饮用水库之一,其水环境质量深刻影响着居民生产生活.以平寨水库为研究对象,采用水化学分析方法、氮氧双同位素技术结合稳定同位素混合模型(Bayesian mixing model,MixSIAR),定量识别研究区水体硝酸盐各污染源的贡献率.结果表明:河流及库区水体溶解无机氮主要以硝态氮形态存在,时间上表现为平水期>丰水期>枯水期,空间上呈现出各河流上游浓度差异较大,下游与库区浓度接近,坝前丰水期的硝酸盐浓度较高的特征;研究区水体硝酸盐的转化主要以硝化作用为主,枯水期和平水期其主要来源是生活污水与牲畜粪便和土壤有机氮,丰水期主要为化学肥料;各时期硝酸盐来源中,整体表现为库区的生活污水与牲畜粪便的贡献率高于河流,土壤有机氮与化学肥料的贡献率低于河流.从生活污水与牲畜粪便贡献率来看,其值在河流、库区枯水期分别为59.3%、70.8%,在河流、库区平水期分别为58.3%、72.6%,丰水期值较小.从土壤有机氮贡献率和化学肥料贡献率来看,丰水期贡献率均高于枯水期和平水期.河流、库区丰水期源自土壤有机氮的贡献率分别为35.1%、32.8%,源自化...     

河套灌区浅层地下水NO3--N时空变化及驱动因素

为探明河套灌区地下水硝酸盐污染现状、时空演变特征和主要影响因素,选择乌拉特灌域为研究区,采用统计分析、 Piper三线图、相关分析和离子比值等方法,探究了该地区地下水硝酸盐质量浓度时空变化格局和主要驱动因素.结果表明,乌拉特灌域地下水氮素主要以NO^-₃-N为主,ρ（NO^-₃-N）存在极高值(60.00 mg·L^-1),超标率达10.50%;时间分布：8月地下水ρ（NO^-₃-N）最高(平均值为6.61 mg·L^-1), 10月(6.22 mg·L^-1)和11月(6.25 mg·L^-1)次之,3月(平均值为1.77 mg·L^-1)最小,土壤中NO^-₃-N在降雨和灌溉驱动作用影响下,下渗至地下水,呈现出丰水期和灌溉集中期高于其它时期的特征;空间分布：灌域西南部(8.87 mg·L^-1)&g...     

木沥河流域氮素污染及其污染源解析

为甄别粤港澳大湾区木沥河流域氮污染物来源,本研究应用铵盐同位素示踪技术、硝酸盐同位素示踪技术和多元线性混合模型等方法有效识别了该流域氮素来源的变化.结果表明,木沥河流域氮素污染严重,木沥河水体NH~+_4-N和NO~-_3-N浓度显著高于上游两条支流;除此之外,大坑山支流断面和木沥河下游养殖区断面虽无明显人口居住,仍然面临较高的氮素污染风险.铵盐同位素和硝酸盐同位素定性分析结果表明,木沥河流域氮素污染主要来源于土壤、肥料、大气颗粒物和动物及人排泄物;多元线性混合模型计算结果显示,大坑山支流上流处氮素主要来源为大气沉降,其贡献率在80%左右;鸡笼坑支流上游土壤有机氮平均贡献率可达33%,大于大坑山支流(9%)和木沥河(24%);大坑山支流下游、鸡笼坑支流下游和木沥河中上游污水及粪肥对氮素污染贡献率最高可达70%;值得注意的是,养殖区断面远离人口聚集地,各种养殖已被清理,但污水及粪肥的贡献率仍高达56%,远高于木沥河下游的淡水河水闸断面(3%),这可能要归咎于沉积物中残留的禽畜排泄物.本研究定性和定量地分析了木沥河流域氮素来源,为大湾区的水质管理和污染源治理提供了理论依据.     

长河流域枯水期水体硝酸盐源解析

通过识别研究区枯水期地表水和浅层地下水中溶解态无机氮(DIN)的分布特征,结合硝酸盐稳定同位素技术与水化学方法,并利用贝叶斯稳定同位素混合模型(SIAR),定量解析长河流域水体硝酸盐污染源,为流域水生态环境的修复治理提供理论支持。结果显示,研究区枯水期水体溶解态无机氮(DIN)以NO^-₃-N为主,NO^-₃-N平均占比为91.56%;水体生物地球化学过程以硝化作用为主;硝酸盐主要来自粪便和污水;SIAR模型计算结果表明,粪便和污水、土壤氮、化肥、大气沉降对研究区地表水硝酸盐的贡献比例分别为40.80%、30.60%、25.60%和3.00%;对浅层地下水硝酸盐的贡献比例分别为39.92%、32.11%、25.87%和2.10%。研究显示,人类活动对研究区水体影响强烈,加强排污设施基础建设,改善污水排放现象,是减少区域氮污染的关键因素。     

我国主要河流水系硝态氮污染特征及定量源解析

准确定量污染来源组成是有效控制水体硝态氮污染的关键科学基础.采用荟萃分析的方法,收集了2000~2022年我国167条主要水系河流的硝态氮浓度和硝态氮的氮氧同位素等数据,分析了七大主要河流水系硝态氮污染的时空变异规律及其转化特征,定量识别了河流硝态氮的污染来源组成.结果表明,我国主要河流水系ρ（NO₃^--N）平均值为（4.54±3.99）mg·L^-1,其中9.6%的河流硝态氮浓度超过我国地表水环境质量标准（GB 3838-2002）规定的限值（10.0 mg·L^-1）,海河水系的硝态氮污染最为严重.东部地区河流水系的硝态氮浓度总体高于西部,各大河流水系支流的硝态氮浓度高于干流.除黄河水系以外,其他水系枯水期的硝态氮浓度总体高于丰水期.珠江水系、黄河水系中下游地区、辽河水系中游地区、松花江水系,以及海河水系河流水体存在显著的硝化作用,而长江水系、淮河水系和珠江水系下游地区存在显著的反硝化作用.污水/粪肥是长江水系、海河水系、辽河水系,以及东南诸河水系硝态氮的主要来源（> 50%）,土壤氮是松花江水系硝态氮的主要来源（56.4%）,化肥氮、土壤氮和污水/粪肥对珠江水系、淮河水系和黄河水系硝态氮的污染贡献为20%~40%.污水/粪肥对水系支流硝态氮贡献率总体大于干流的,土壤氮对干流硝态氮的贡献总体大于支流的.土壤氮、化肥氮和大气沉降氮对丰水期河流硝态氮的贡献率高于枯水期,而污水/粪肥对枯水期河流硝态氮的污染贡献率高于丰水期.因此,海河水系、长江水系、辽河水系、黄河水系支流与下游干流地区和珠江水系下游地区应重点控制生活和生产的污水排放等点源污染,而淮河水系、松花江水系、黄河水系中游干流地区和珠江水系中上游地区要重点控制化肥和土壤氮等流失造成的非点源污染.研究结果可为有效控制我国各河流水系硝态氮的污染提供科学依据.     

氮氧同位素解析堤垸地表水硝酸盐来源

堤垸是滨湖、滨江低洼地带的一种重要景观,农业面源污染已成为其主要的环境问题之一.为解析堤垸地区地表水硝酸盐污染来源,以洞庭湖屈原垸平江河段为研究对象,采用稳定同位素及水化学分析方法定性识别污染来源,并结合MixSIAR模型量化不同污染源的贡献率.结果表明：(1)硝态氮和氨氮是屈原垸平江河段地表水无机氮的主要赋存形态,时间上,硝态氮浓度在丰、枯水期间无显著差异(p>0.05),而丰水期氨氮浓度平均值高于枯水期;空间上,垸内硝态氮浓度显著低于垸外(p<0.01),而氨氮浓度显著高于垸外(p<0.01).(2)MixSIAR模型结果表明,化肥、土壤有机氮、水产养殖废水、粪肥和污水是研究区地表水硝酸盐的主要来源,对丰水期地表水中硝酸盐的贡献率分别为33.0%、32.6%、19.4%和11.7%,对枯水期的贡献率分别为26.7%、31.2%、21.5%和16.9%,而大气沉降对地表水中硝酸盐来源贡献较小,仅为3.5%.(3)研究区地表水硝酸盐转化过程主要以硝化作用为主,未发生明显的反硝化过程.研究显示,研究区地表水硝酸盐污染主要受农业面源污染的影响,污染物主要来源于土壤有机氮、...     

基于氮氧同位素技术的黄河上游清水河硝酸盐来源解析

对清水河灌溉季和非灌溉季各采样点位的水化学指标和硝酸盐的时空分布特征进行分析,运用贝叶斯混合模型MixSIAR模型定量识别了该河流硝酸盐来源,以期了解灌溉对地表水硝酸盐含量的影响.结果表明,清水河水体呈弱碱性,水体氮类以硝酸盐为主,Cl^-和SO₄^2-时空变化特征一致,通过NO₃^-/Cl^-比值和Cl^-浓度的关系,结合清水河地区土地利用、工农业生产的实际情况,揭示了清水河水体硝酸盐受生活污水、畜禽养殖和化学氮肥源的影响较大.MixSIAR模型计算结果表明土壤有机氮、化学氮肥和畜禽养殖对灌溉季水体的贡献率较大,分别为24.8%、24.5%和22.8%,生活污水和大气氮沉降的贡献率分别为14.4%和13.6%;而生活污水、畜禽养殖和土壤有机氮对非灌溉季水体的贡献率较大,分别为26.7%、23.4%和20.4%,大气氮沉降和化学氮肥贡献率分别为16.5%和12.9%.农业灌溉增加了地表水硝酸盐的含量,灌溉季中农用氮肥的施用率较高,贡献了主要的硝酸盐;非灌溉季生活污水的贡献率较高.     

城镇生活污水处理厂出水硝酸盐浓度及同位素组成的影响因素

城镇生活污水是地表水硝酸盐(NO^-₃)的重要来源,但其NO^-₃浓度和同位素组成(δ¹⁵N-NO^-₃和δ¹⁸O-NO^-₃)仍不明确,特别是污水处理工艺对出水NO^-₃浓度、δ¹⁵N-NO^-₃和δ¹⁸O-NO^-₃影响仍不清楚.选择焦作市污水处理厂作为研究载体,每隔8 h收集污水厂进水、二沉池出水以及总排口出水样品,连续收集3 d,分析NH⁺₄浓度、 NO^-₃浓度以及δ¹⁵N-NO^-₃和δ¹⁸O-NO^-     

利用δ15N-NO3-和δ18O-NO3-示踪北京城区河流硝酸盐来源

为定量化识别北京城区河流硝酸盐来源,采用δ~(15)N-NO~-_3和δ~(18)O-NO~-_3双同位素示踪法对北京城区河流河水硝酸盐的氮氧稳定同位素组成进行分析,利用稳定同位素混合模型追溯北京城区河流硝酸盐来源,并评估各污染源的贡献率.结果表明:1北京河流无机氮污染以硝酸盐氮(NO~-_3-N)污染为主,且河流下游硝酸盐氮污染较为严重.2北京城区地表河流δ~(15)N-NO~-_3值范围为6.26‰~24.94‰,δ~(18)O-NO~-_3值范围为-0.41‰~11.74‰;下游δ~(15)N-NO~-_3值比上游大.3根据稳定同位素混合模型,北京河流中硝酸盐贡献率平均值分别为:粪肥及生活污水61.2%、土壤有机氮31.5%、大气沉降7.3%.     

氮和氧同位素示踪伊洛河河水硝酸盐来源及转化过程

河流硝酸盐(NO^-₃)浓度及氮和氧同位素组成(δ¹⁵N-NO^-₃和δ¹⁸O-NO^-₃)可以辨识河水NO^-₃受自然过程和人为输入的影响,但流域不同土地利用方式对河水NO^-₃来源及转化过程的影响尚不明确,特别是山区人为输入对河水NO^-₃的影响仍不清楚.选择土地利用空间异质性显著的伊河和洛河作为研究对象,借助水体水化学组成,氢氧同位素(δD-H₂O和δ¹⁸O-H₂O)、δ¹⁵N-NO^-₃和δ¹⁸O-NO^-₃,辨识不同土地利用方式影响下河水NO^-₃来源及...     

黄土高塬沟壑区典型城郊流域地表水硝酸盐来源示踪

随着工农业的快速发展,地表水硝酸盐污染已成为黄土高原地区严重的环境问题之一.以黄土高塬沟壑区典型城郊流域砚瓦川为研究区,采用水化学分析方法和氮氧双稳定同位素技术,并结合SIAR模型,定量识别旱季和雨季研究区地表水硝酸盐不同污染源的贡献率,阐明不同污染源季节性差异的主要原因.结果表明,流域地表水无机氮主要以NO₃^--N和NO₂^--N形态存在,NO₃^--N和NO₂^--N雨季浓度平均值均高于旱季,而NH₄⁺-N则呈现相反特征;流域内地表水硝酸盐的转化过程主要以硝化作用为主,雨季其主要来源是粪肥污水,而旱季主要为粪肥污水和土壤氮淋溶,铵肥次之;不同污染源对流域地表水硝酸盐的贡献比例具有显著的季节性差异,旱季与雨季城镇污水排放的贡献比例均为最高,分别为31.40%和65.66%,且雨季污水排放对NO₃^-的影响远高于旱季,夏季居民用水增加导致大量污水排放至流域内是引起这一现象的主要原因.     

沙颍河流域(河南段)非点源氨氮污染模拟与时空特征分析

沙颍河流域是我国淮河流域污染最严重的区域之一.为揭示流域非点源的时空分布特征并评估其对水污染的贡献,以沙颍河流域（河南段）为研究区,采用流域水循环系统模型（HEQM模型）模拟了重点断面2012-2015年月径流和氨氮浓度过程,辨识了污染源类型及其贡献,揭示了非点源负荷的年内和年际变化.结果表明:①径流和氨氮浓度的模拟效果较好,HEQM模型在沙颍河流域（河南段）具有较好的适用性.②非点源氨氮污染负荷占多年平均总负荷量的37.40%,在污染时期占比为29.32%.沙河和颍河上游污染时期的非点源负荷比例较高,分别为91.49%和90.45%.③非点源氨氮负荷对丰水期（6-9月）和平水期（3-5月、10-11月）污染的贡献较大,占总负荷的48.83%和51.92%;从年际变化来看,2012-2015年各年份的空间分布特征基本相似,但2014-2015年单位面积非点源污染负荷较2012-2013年明显下降.研究显示,沙颍河流域（河南段）非点源对氨氮污染的贡献已不可忽视,丰水期和平水期是非点源污染治理的关键时期.      

黄河流域水污染排放特征及污染集聚格局分析

掌握污染源排放特征及其空间差异,是在流域尺度提升水污染治理水平的重要基础.该研究分别从污染源的活动水平（简称“活动水平”）、污染物产生、污染物去除和污染物排放4个方面选取了28个指标,对黄河流域60个市州主要水污染物排放特征开展了现状评价和聚类分析.采用污染分布的地理集中度指数表征各市州污染集聚格局,并利用空间分析模型Global Moran's I和G_i*指数判断污染排放的空间集聚趋势与冷热点地区.结果表明:按照水污染排放特征的差异,黄河流域不同地区在水污染格局上可划分为高排放强度区、高排放绩效区、污染集聚区和低排放绩效区;水污染物排放与经济发展格局分布一致,上游、中游到下游地区呈现明显的阶梯型分布,上游地区单位水资源利用效率和排放绩效低,下游地区区域性污染集聚效应明显;山西省、河南省和山东省沿黄城市在空间上表现为区域性连片污染集聚,集中分布在晋中城市群和中原城市群.针对当前黄河流域水污染排放特征和空间集聚格局,建议制定统一的生态环境保护与治理策略,加强中下游城市群的污染协同控制.      

黄河流域城市PM2.5时空分异特征及污染物解析

分析揭示黄河流域城市PM_2.5时空分异特征,对打赢大气污染防治攻坚战,推动黄河流域空气污染跨区域协同治理机制的建立和完善,以及流域绿色高质量发展具有重要意义.本文以中国空气质量在线监测分析平台456个监测站点的PM_2.5浓度监测数据为基础,运用莫兰指数和标准差椭圆方法分析黄河流域70个城市2015—2021年PM_2.5的时空分异特征、演变格局,并基于皮尔逊相关系数分析法对其污染源进行解析.结果表明：(1)PM_2.5浓度的月度、季节变化特征明显.月均浓度呈底部宽缓的“U”型分布,12月或1月达到最大值;冬季平均浓度最高、春秋季次之、夏季最低,冬季浓度是夏季的1.9～2.6倍;年均PM_2.5浓度整体趋降,且表现为下游>中游>上游的空间分异性.(2)PM_2.5的空间聚集表现为上游“低—低”集聚、下游“高—高”集聚、中游城市的空间聚集特征不显著,空间正相关集聚的城市数量以先增后减的趋势变化,负相关集聚特征的城市较少.(3)PM_2.5     

伊逊河流域总磷污染来源解析

2017—2018年TP成为滦河一级支流伊逊河流域的主要污染因子,部分国控断面水质主要以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类、Ⅴ类为主.为开展伊逊河TP污染定量识别研究,在2017年和2018年伊逊河流域水体TP污染时空特征分析的基础上,从流域磷铁矿工业污染、城镇生活污水、雨水径流、河道内源释放以及农业非点源等方面开展TP污染研究.结果表明:①伊逊河流域上游至下游TP污染程度呈加剧恶化趋势,上游唐三营控制单元污染较轻,下游李台控制单元TP污染最重;丰水期TP污染较重,枯/平水期污染较轻;从年度看,2017年TP污染严重,2018年年均ρ（TP）下降了50.00%.②2017年、2018年伊逊河流域TP污染来源差异显著,2017年磷输入主要来自于磷铁矿工业污染,占比为33.46%;选矿企业整改后,2018年磷输入主要来源变为畜禽养殖和城镇生活污染,二者占比合计为59.91%.针对伊逊河流域TP污染特征,提出伊逊河流域TP污染控制建议:加强选矿企业环境监管,进一步完善监管体系;加强流域水土流失治理,实施矿山披绿;大力实施绿色农业工程,加强畜禽养殖布局优化.      

湟水河流域水质时空变化特征及其污染源解析

基于2012—2014年水质数据,综合应用多元统计分析与一维水质模型(Qual2Kw),系统分析了湟水河水质时空变化及其污染物来源.结果表明:湟水河河流水质主要受化学需氧量、生化需氧量、铜、六价铬、水温、溶解氧、总氮、氨氮等8项水质指标影响,且氨氮和总氮污染严重;湟水河水质时间上可划分为3个时段:时段1(6—10月)、时段2(5月和11月)和时段3(12月—4月),时段1水质明显优于时段2和时段3,湟水河水体受工业生活排放污水的影响显著,面源污染对河流水质的影响低于点源污染;空间上可分为3大区段:湟水河上游、中游和下游,中游西宁市段污染较重;基于Qual2Kw模型的污染物贡献比例计算结果揭示了湟水河民和桥断面的氨氮负荷主要来源于扎马隆(S2)-西钢桥(S3),总氮主要来源于报社桥(S5)-小峡桥(S6),其中支流点源是氨氮的主要污染源,普通点源即城镇生活污水和工业废水排放是总氮的主要污染来源,上游干流农田地表径流、畜禽养殖废水、农村生活污水等污染源氨氮、总氮排放也不容忽视.研究结果可以为湟水河流域水环境管理提供科学依据.     

利用氮氧同位素解析赤水河流域水体硝酸盐来源及其时空变化特征

赤水河流域作为长江上游重要的水源涵养区,其生态环境状况及水环境质量备受关注。为了了解流域河水氮素来源,本次研究利用硝酸盐稳定同位素(~(15)N、~(18)O)示踪技术并结合流域土地利用类型空间分布分析了赤水河流域丰水期与枯水期干流及主要支流河水硝酸盐来源与转化过程。结果表明,流域水体NO_3~-浓度具有明显的时空变化,其中丰水期NO_3~-浓度要高于枯水期,喀斯特区域的NO_3~-浓度要高于非喀斯特区域。流域干、支流水体δ~(15)N-NO_3~-、δ~(18)O-NO_3~-季节性差异明显,丰水期支流δ~(15)N-NO_3~-差异较大,干流差异较小,而枯水期支流δ~(15)N-NO_3~-差异较小,干流差异较大。结合氮氧同位素和土地利用信息发现,丰水期支流NO_3~-受其土地利用方式的影响,其来源具有多样性;干流NO_3~-浓度则主要受支流混合作用影响。枯水期干流NO_3~-受流域人为活动影响较为显著,点源输入造成水体氮同位素分布范围较宽,主要来源表现为生活污水和土壤有机氮;而支流NO_3~-多表现为土壤有机氮来源,部分支流受流域内城镇影响,生活污水对河流NO_3~-贡献较大。流域水体氮污染控制应以农业面源氮流失为主,同时严格控制点源污染的输入。     

松花江流域氮时空分布特征及源解析研究

松花江流域是我国氮污染较为严重的流域之一,为了研究松花江流域氮时空变化特征和主要来源,结合松花江流域2003-2018年国控断面NH₄+-N、TN及相关指标的监测数据和典型断面采样检测数据,采用季节性Kendall检验法分析了松花江流域ρ（NH₄+-N）、ρ（TN）和ρ（COD_Mn）的历史变化趋势,利用Origin 8.0软件绘制了ρ（NH₄+-N）、ρ（TN）和ρ（COD_Mn）的沿程分布图及水期规律图,并采用氮氧稳定同位素技术解析了水体中氮的主要来源.结果表明:①松花江流域城市污染排放对水体氮浓度具有较大影响,城市下游断面氮浓度远高于城市上游断面,并且松花江流域支流氮浓度高于干流.②时间维度上,松花江流域水体中不同水文期ρ（NH₄+-N）和ρ（TN）变化规律为枯水期>平水期>丰水期,ρ（COD_Mn）变化规律为枯水期 < 平水期 < 丰水期.③季节性Kendall检验法分析结果显示,松花江流域90.0%的断面ρ（NH₄+-N）呈下降趋势,62.5%的断面ρ（TN）呈上升趋势,且上升趋势断面主要集中在支流伊通河、阿什河上.④13个典型采样断面δ15N-NO₃（硝酸盐氮同位素）和δ18O-NO₃（硝酸盐氧同位素）值域范围分别为1.52‰~11.15‰、-13.82‰~1.32‰,水体氮主要来源于含氮肥料、土壤侵蚀造成的有机氮输入以及人畜排泄物和城市生活污水输入.研究显示,近15年来松花江流域干流水体氮污染情况呈好转趋势,但重要支流水体氮污染仍严重,城市污染排放是流域水体氮污染的重要影响因素之一,需要加强对城市生活污水及化肥和粪肥等农业面源输入的管控.      

基于DPeRS模型的海河流域面源污染潜在风险评估

运用DPeRS（diffuse pollution estimation with remote sensing）模型对海河流域面源污染物的空间分布特征和污染来源进行遥感像元尺度解析,结合地表水质评价标准,构建了面源污染潜在风险分级方法,评估了海河流域面源污染潜在风险.结果表明：污染量上,海河流域总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH₄⁺-N）和化学需氧量（COD）面源污染排放负荷分别为429.2、25.7、288.3和1017.0 kg ·km^-2,入河量分别为2.5万t、1597.2 t、1.7万t和6.6万t;污染类型上,农田径流是海河流域最主要的氮磷型（TN、TP和NH₄⁺-N）面源污染源,对于COD指标,城镇生活是首要污染类型,其次为畜禽养殖;空间分布上,海河流域中部和南部地区面源污染负荷较高,此区域也是该流域面源污染高风险集中分布区,氮磷型面源污染高风险区域分布相对较为集中,化学需氧量型则较为零散;海河流域有36%以上的区域存在氮磷型面源污染风险,有2.94%的区域存在化学需氧量型面源污染风险.