无机态氮素转化机制及水土体氮源识别方法

氮素在生物生命活动中起着至关重要的作用,是有机分子的基本组成元素,也是土壤的主要养分.对于氮污染的研究首先要明确各种氮形态转化机制,这是解决各种氮科学问题的基础,也是研究者容易忽略的重点.本文论述了氮素在生态系统中的转化过程及作用机制的基础,归纳总结了近年来国内外有关水土中氮源分析的研究方法及氮同位素分馏作用,重点综述了地表水及地下水体中氮源识别方法与应用,包括定性识别和模型识别方法.指出利用水化学方法与多种同位素方法相结合能够有效识别水土氮污染来源.针对传统亚硝化反应中氧原子来源识别中的问题,提出了反应过程的现代观点,解释了二次氧化反应过程中δ~(18)O-NO~-_3的富集原理.提出盆地含水层中原生铵态氮对地下水污染具有重要贡献,并给出了新的研究设想.     

基于水化学和氮氧双同位素的地下水硝酸盐源解析

为定性及定量识别地下水中氮的污染来源,比例及迁移转化特征,对河北省张家口市宣化区洋河北岸主要供水区的地下水进行取样分析.基于土地利用类型,综合利用水化学分析方法耦合δ¹⁵N-NO₃^-,δ¹⁸O-NO₃^-双同位素示踪技术对研究区地下水硝酸盐污染来源,贡献率及迁移转化规律进行判断.研究结果表明：研究区氮污染以NO₃^-为主,12处采样点4次采样过程中约77%超出世界卫生组织标准（10mg/L）的限值,其污染在2018年8月（夏季）较为严重,空间浓度插值结果显示硝酸盐呈现出沿河及远岸点位浓度相对较低,中间较为稳定区域浓度较高的空间特征,并表现出不同土地利用类型上污染程度的差异性：旱地浓度最高,城镇次之.稳定同位素模型（SIAR）显示地下水硝氮污染来源中粪肥及生活污水占45.37%,土壤氮来源为41.39%,降水和化肥中NH₄⁺来源占13.24%,与研究区以城镇和耕地为主的土地利用现状较为一致.此外,同位素特征值结果显示氮的迁移转化过程以硝化作用为主.文可为地下水氮的污染来源解析提供更加精准,全面的分析方法进而为污染的防治提供优先治理建议.     

地下水污染识别与溯源指示因子研究进展

地下水污染识别与溯源是开展地下水环境保护的重要基础.由于地下水系统的隐蔽性、复杂性以及污染物的多样性和多源性,使得地下水污染识别与溯源研究面临挑战.如何快速判断地下水是否受到污染以及准确识别污染来源是地下水污染识别与溯源研究的关键.通过调研国内外相关研究,梳理地下水污染识别与溯源指示因子,探讨了这些指示因子的研究现状及适用条件,发现稳定同位素是污染溯源中最常用的工具,卤化物作为常规水化学指标的代表,适用于污水影响等部分特定场景,新污染物、人为来源稀土元素等的检出是地下水受到人为污染的直接证据.由于地下水污染来源的复杂性,多指示因子与多技术手段联合使用对于准确识别污染过程与来源尤为重要,是未来研究的重点.      

基于水化学及当地稳定同位素的地下水硝酸盐污染空间分布特征及污染源解析

为精准识别张家口市宣化区地下水硝酸盐污染的空间分布情况及其来源,根据张家口市宣化区洋河两岸地下水水质监测数据,采用水化学分析方法分析硝酸盐污染现状,利用氮氧稳定同位素方法定性分析污染物来源,并利用ArcGIS软件对地下水硝酸盐浓度、氮氧同位素特征值进行可视化表征,更加直观地表现地下水环境质量时空差异.根据SIAR模型（同位素混合模型）定量计算各污染源的贡献率.结果表明:①张家口市宣化区地下水“三氮”污染主要为硝酸盐氮,浓度平均值为27.23 mg/L,污染浓度高值区域出现在建设用地.②研究区典型特征污染物的氮同位素特征值（δ15N-NO₃-）在土壤中的分布范围为1.46‰~7.71‰,在粪便及污水中的分布范围为9.49‰~17.57‰,可充实当地δ15N-NO₃-分布数据库.③硝酸盐污染主要来源于土壤氮、粪便及污水,水化学及同位素特征表明氮的迁移转化以硝化作用为主.④SIAR模型计算结果表明,土壤氮、粪便及污水、无机化肥及工业废水贡献率分别为44.36%、43.35%、9.24%.研究显示,硝酸盐污染主要受生活污水、工业生产活动和该地区农业灌溉的影响,污染物主要来源于土壤氮、粪便及污水,且建设用地污染情况较耕地更为严重.      

基于多环境介质氮素和同位素的滦平盆地地下水硝酸盐来源示踪

选择密云水库上游承德市滦平盆地为研究区,通过不同土地利用类型地下水"三氮"含量、土壤全氮含量和包气带可溶硝态氮含量,结合水体硝酸盐氮氧双同位素、硫酸盐硫氧双同位素多种环境同位素特征和地下水放射性碳同位素测年示踪硝酸盐来源.结果表明,滦平盆地水体氮形态以硝态氮为主,地下水NO₃^-质量浓度与居民用地、旱地土地利用类型显著相关,硝酸盐污染主要集中于居民建设用地和农用地区域浅层地下水中.13.79%地下水样品NO₃^-质量浓度超过国标（GB/T 14848-2017）地下水硝酸盐限值Ⅲ类标准,超标范围为1.04~3.86倍;37.93%地下水样品NO₃^-质量浓度超WHO饮用水硝酸盐浓度限值,超标范围为1.08~6.83倍.地下水NO₃^-质量浓度、土壤全氮和浅层土壤可溶硝态氮空间变异受结构性因素和人为因素共同作用影响.地下水硝酸盐来源主要为家畜粪尿和生活污水混合污染,其次为化学肥料淋滤;盆地山前地下水径流区包气带-地下水氮循环主导过程为硝化作用.以盆地系统作为独立单元研究水环境硝酸盐污染来源和归趋规律,对流域整体地下水污染防治和修复具有重要意义.     

渭河流域关中段地下水硝态氮来源解析

为定性及定量识别地下水中氮的污染来源及迁移转化特征,本文在水化学分析的基础上结合氮氧稳定同位素技术及SIAR模型对渭河流域关中段地下水补给来源、地下水中氮污染特征进行了判断.结果表明,渭河流域关中段地下水的主要水化学类型为HCO₃-Ca+Mg型,地下水由降水快速入渗补给和地表水入渗补给.地下水氮污染以硝态氮形式为主,在所采集的34个地下水水样中,硝态氮含量的变化范围为0.154~36.717mg/L,平均含量为6.17mg/L,其中硝态氮含量超过Ⅲ类地下水标准的采样点共有2个,超标率为5.9%.氮循环的主导作用为硝化作用.地下水δ¹⁵N-NO₃^-含量的变化范围为+6.08‰~+16.42‰,δ¹⁵O-NO₃^-含量的变化范围为+9.38‰~+12.514‰,硝态氮污染主要受到人类活动的影响,土壤有机氮、粪便及污废水和大气沉降是地下水硝态氮的主要贡献者,平均贡献率分别为44.65%、40.03%和15.32%.     

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%.     

多种方法识别青岛大沽河平原区地下水硝酸盐污染来源

硝酸盐是地下水中最常见的一种污染物,其来源的确定对于硝酸盐污染的治理非常重要.大沽河是山东半岛主要河流之一,其地下水含水层是重要的饮用水来源,但近年硝酸盐含量普遍很高,除了少数位置外,都超过了中华人民共和国国家标准,有必要对其污染来源进行研究.采用N同位素、N-O同位素和卤化物比率3种方法综合确定了硝酸盐污染来源.研究发现:该区地下水的N同位素比率值表明76%的取样点的硝酸盐来源与粪肥、污水、大气沉降、化肥和土壤N有关;氮氧同位素的结果显示80%的硝酸盐污染源为粪便或污水;卤化物比率也证明了这一来源.这和该区蔬菜生产大量施用粪肥和化肥进行农业种植是一致的,两者的混合施用使同位素比率和卤化物比率偏高,硝酸盐的主要污染来源是化肥和粪肥.多种方法相结合能够更准确地确定地下水硝酸盐的污染来源.     

基于氮氧稳定同位素识别水体氮源的研究进展

氮源污染在全球范围内的地下水、河流、海洋等水体中都是一个备受关注的环境问题,尤其是受人类活动影响较大的区域,其污染来源多样,因此,关于水体中氮污染来源识别是水体氮污染防治的有效手段。近几十年来,利用硝态氮中的氮、氧在不同来源同位素值的不同,作为识别水体中氮污染源的有效手段。通过总结利用硝酸盐氮氧双同位素识别氮源的基本原理和不同氮污染源中氮、氧同位素组成的特征变化区间,结合水体其他水质指标来定性判断水体中氮的来源,描述硝酸盐同位素测试预处理的4种方法。结合其他数学模型,定量识别水体中氮源的贡献比例,并对利用同位素技术研究氮源污染情况进行总结与展望。     

同位素示踪技术在环境领域中的应用研究

稳定碳氮同位素作为一种有效的示踪手段,在研究外源有机质来源和氮循环,特别是污染源的识别方面有着重要意义。在简要总结碳氮同位素的应用现状、分馏效应的基础上,重点论述和分析了稳定氮同位素在富营养化湖泊中的氮源识别,并结合研究现状探讨了研究前景。     

联合PMF模型与稳定同位素的地下水污染溯源

基于传统水质监测与污染排放的污染源识别方法,存在监测频率与识别结果模糊等限制,难以实现污染源及迁移转化的准确量化.联合多元统计分析与稳定同位素技术,以成都平原典型混合用地区地下水污染为研究对象,提出利用正定矩阵因子分析（PMF）模型识别污染主控因子,减小环境因素对污染源判别的干扰,并基于水化学分析与土地利用构建贝叶斯稳定同位素混合模型,进一步量化不同污染源对地下水典型污染物硝酸盐氮（NO₃^-）的贡献率.结果表明,研究区地下水NO₃^-、NO₂^-、NH₄⁺、Mn、Fe、SO₄^2-和Cl^-均存在不同程度超标,且具有空间异质性.地下水中"三氮"主要以NO₃^-为主,NO₃^-浓度在菜地的地下水中普遍偏高（平均值为9.29 mg·L^-1）,其次是在养殖场（平均值为7.66 mg·L^-1）和耕地（平均值为7.09 mg·L^-1）,在工业区最低（平均值为2.20 mg·L^-1）.研究区地下水水质受原生地质作用、农业活动、水文地球化学演化、生活污染和工业污染的复合影响,且农业活动是研究区地下水NO₃^-增长的主要原因.研究区内农业区地下水NO₃^-的主要来源贡献为化肥（32%）和土壤氮（25%）;工业区地下水NO₃^-的主要来源贡献为污水排放（28%）和大气降雨（27%）.通过多元统计与稳定同位素技术的有机结合,有效识别了地下水污染来源及其贡献率,可为地下水污染源头防控提供科学依据.     

东江干流水体氮的时空变化特征及来源分析

为了防治东江氮污染并进行针对性水体治理,于2013年7月(丰水期)和2014年1月(枯水期)全面调查了东江干流水体氮的时空变化特征,并利用附生藻的稳定性氮同位素示踪技术对东江水体氮进行了溯源研究.结果表明,TN、NO-3-N、NH+4-N在丰水期的平均浓度分别为2.70、1.63、0.21 mg·L-1,高于枯水期(TN,2.04 mg·L-1;NO-3-N,1.49 mg·L-1;NH+4-N,0.31 mg·L-1);东江水体氮含量较高,且主要以NO-3-N形态存在.各形态氮浓度自上游至下游的变化趋势表现为,TN和NO-3-N先递减再升高,NH+4-N则逐渐递增.稳定性氮同位素示踪表明,面源输入的人畜粪便、养殖废水及农业化肥等是上游区域氮的主要来源,贡献率约占91%;而在下游区域,城市污水的贡献率逐渐增大,并成为氮的主要来源,贡献率达到54%.     

氮肥-垃圾渗滤液复合影响区非饱和-饱和带全剖面氮素分布特征及微生物响应

农田氮肥和垃圾填埋场渗滤液是我国地下水氮素污染的两大来源,从氮肥-垃圾渗滤液复合影响区域内采集6份土壤剖面-地下水样品,分析非饱和-饱和带全剖面中氮素的分布特征,来清晰判识该类典型区域的氮素跨介质污染特征和途径,同时通过高通量测序进行氮循环功能微生物分析,来解析氮循环功能微生物对氮素分布的响应.结果发现,在高施肥量采样点中,土壤中的硝态氮（NO₃^--N）和溶解性有机氮（Dissolved Organic Nitrogen,DON）含量均显著高于低施肥量采样点（p<0.01）,NO₃^--N大量分布在深度0~240 cm的土壤中（p<0.05）,部分NO₃^--N下渗进入地下水,高施肥量采样点地下水中NO₃^--N浓度在总溶解性氮（Total Dissolved Nitrogen,TDN）中占比达31.93%~84.70%,硝化菌在氮循环功能菌中占比为27.08%~87.99%,说明氮肥是该区域地下水NO₃^--N的主要来源.铵态氮（NH₄⁺-N）在非饱和带深度0~20 cm和400~460 cm的范围内含量较高（p<0.05）,垃圾填埋场下游的地下水NH₄⁺-N浓度均超标,在TDN中占比为26.40%~59.71%.统计分析表明,垃圾填埋场渗滤液可能是造成地下水中NH₄⁺-N浓度空间差异的重要因素,并很可能是导致地下水位波动带附近出现NH₄⁺-N高积累的主要原因（p<0.05）.这些结果将有助于复合影响区氮素的污染评估和防控.     

成都平原典型区地下水污染时空异质性及污染源分析

成都平原地下水是该地区生活、工农业生产用水的重要来源,但由于长期过量使用化肥,以及畜禽养殖、乡镇企业及生活污废水的无组织排放,已对该区地下水环境构成了威胁.本研究选取成都平原某典型城镇农村区进行不同时季地下水水质监测分析,并联合ArcGIS空间分析技术、相关矩阵分析和主成分分析(PCA),以揭示研究区地下水水质时空异质性、污染影响因素、潜在污染源及污染源时季变化规律.结果表明,研究区"三氮"(NO~-_3、NO~-_2、NH~+_4)、铁(Fe)、锰(Mn)、氯离子(Cl~-)、硫酸根离子(SO■)存在不同程度的超标,其中,氨氮(NH~+_4)超标最为突出;地下水中氨氮含量及"三氮"之间的转化主要受土地利用类型、地下水铁锰分布及含水层氧化还原条件的影响.PCA结果显示,农业活动、生活污水和工业排放是造成研究区地下水污染的主要影响因素,从春季到夏季地下水污染源由生活污染为主转向农业污染为主,冬季地下水污染源以生活和工业源为主.ArcGIS空间分析和PCA分析的结合,有助于探讨地下水水质及潜在污染源的时季变化规律,可为地下水环境保护、污染控制和减缓方案制定提供理论依据.     

紫色土坡耕地氮淋溶过程及其环境健康效应

本研究通过观测3场不同降雨强度及不同施肥方式处理下氮素随紫色土坡耕地的壤中流迁移过程,并对氮素淋溶效应的环境健康效应进行风险评价,进而为控制紫色土地区氮素非点源污染及建立合理施肥制度提供科学依据.结果表明,不同降雨强度下,氮素随壤中流输出形态差异较大,溶解态氮(DN)的比重为53.74%~99.21%,其中硝酸盐(NO-3-N)的比重约为35.70%~93.65%,而在中雨强度下硝酸盐比重高达84.09%~93.65%;对于不同降雨强度,中雨强度下(降雨量为24.7mm)壤中流各形态氮素输出通量最高,总氮(TN)、DN、颗粒态氮(PN)、铵态氮(NH+4-N)和亚硝态氮(NO-2-N)输出通量分别可高达737.17、711.12、26.06、12.70和0.46 mg·m-2,而NO-3-N输出通量可高达686.12 mg·m-2,对地下水环境存在巨大污染隐患.通过对地下水氮素进行污染风险评价,表明秸秆还田能够有效缓解施肥带来的氮淋溶效应,降低地下水氮素污染风险,特别是有机-无机肥配施能有效减缓地下水污染状况,达到改善土壤肥力从而增加农作物产量的目的.     

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.     

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...     

黄土高塬沟壑区氮素流失的时空变异特征

为了探讨黄土高塬沟壑区水体氮污染的时空变化情况,选取黑河流域(泾河支流)为研究区域,测定2013—2014年枯水期和汛期流域地表水和地下水中主要离子及NO_3~--N和NH+4-N的浓度并进行分析.结果表明,黑河流域枯水期水化学主要为Na+K-Cl-SO_4型,汛期主要为CaMg-HCO_3型.枯水期及汛期阳离子均主要为Na+,阴离子在枯水期主要为SO_4~(2-)而汛期则转变为HCO_3~-.汛期NO_3~--N浓度普遍大于枯水期,平均值分别为2.37和1.63 mg·L~(-1);且空间分布不均衡,地表水中的浓度为:上游(1.35 mg·L~(-1))中游(1.05 mg·L~(-1))下游(0.93 mg·L~(-1)),而地下水中的浓度为:下游(3.84 mg·L~(-1))中游(2.54 mg·L~(-1))上游(2.35 mg·L~(-1)).NH_4~+-N在时间分布上没有明显的规律,汛期及枯水期变化不大,空间分布特征与NO_3~--N类似,但其整体浓度较低,在0.11 mg·L~(-1)左右波动,较为稳定均且未超过IV类水标准.水体中NO_3~--N不仅来自于农田氮肥的施入等人类活动,还可能来自于酸性降雨.地表水的NO_3~--N污染程度存在空间差异,上游污染程度大于中、下游,而超过70%的地下水水质属于良好,对当地饮用水安全暂不造成威胁.     

多种同位素手段的硝酸盐污染源解析:以会仙湿地为例

近年来,湿地在人类掠夺性开发下生态环境正不断恶化.其中,硝酸盐污染就是湿地生态环境面临的一类主要问题.本文以会仙岩溶湿地为研究对象,为查明导致湿地水体硝酸盐升高的主要因素,利用~(15)N(NO_3~-)、~(18)O(NO_3~-)同位素手段确定区内硝酸盐污染的主要来源,并借助SIAR模型确定各类污染源的贡献率.在此基础上,通过~(13)C_(DIC)同位素定性描述地下水的径流条件,以此探究硝酸根浓度的空间分布与水循环的关系.结果表明,影响研究区水体中硝酸根浓度的主要因素有3个方面,动物粪便及生活污水、化肥中NO_3~-和土壤氮,其对硝酸盐污染的贡献率均值分别为39.1%、32.2%和28.5%.~(13)C_(DIC)同位素结果显示,轻~(13)C_(DIC)表明其地下水径流条件好,其对应的NO_3~-浓度值一般较低,而重~(13)C_(DIC)对应的NO_3~-浓度值一般较高.由此可知,地下水径流条件的好坏也一定程度地影响了NO_3~-浓度的分布.     

黑河中游边缘荒漠-绿洲非饱和带土壤质地对土壤氮积累与地下水氮污染的影响

在灌溉农田生态系统,土壤剖面中硝态氮(NO-3-N)的积累、分布、运移及地下水氮污染不仅受灌溉、施肥的影响,也与土壤质地有密切联系.本研究在黑河流域中游临泽平川绿洲设置了黑河河漫滩-老绿洲农田-新垦绿洲农田-绿洲外围固沙带一个监测断面10个观测井,对地下水NO-3-N含量进行连续监测,并对不同景观单元非饱和带土壤质地和NO-3-N含量进行了分析,对不同质地土壤NO-3-N在剖面的运移变化和氮淋溶损失进行监测.结果表明老绿洲农田,0~300 cm土层土壤质地的垂向分布为上层砂壤土,下层为壤土和黏壤土;而新垦沙地农田在土壤剖面中也有洪积黏土层出现,但0~300 cm不同土层砂粒含量均在80%以上;绿洲外围固沙带土壤在160 cm以下出现黏土层分布;土壤NO-3-N含量与黏粉粒含量呈显著相关,显著程度固沙带>新垦绿洲农田>老绿洲农田.土壤黏粉粒含量显著影响氮的淋溶.老绿洲农田区域,地下水NO-3-N含量变动在1.01~5.17 mg·L-1,平均2.65 mg·L-1;新垦沙地农田区域地下水NO-3-N含量变动在6.6~29.5 mg·L-1,平均20.8mg·L-1,2013年5~10月平均含量为26.5 mg·L-1,较2012年同期平均值上升了9.5 mg·L-1;绿洲外围固沙带地下水NO-3-N含量呈明显的增加趋势.地下水浅埋区非饱和带土壤质地是土壤NO-3-N淋溶损失和地下水NO-3-N污染的关键控制因子.边缘绿洲新垦沙地农田是地下水氮污染的脆弱带和高风险区域,实施有效降低地下水氮污染的种植模式及施肥和灌溉管理是区域生态农业需考虑的问题.