利用氮、氧稳定同位素识别水体硝酸盐污染源研究进展

水体硝酸盐污染已经成为一个相当普遍且重要的环境问题.为了保证人类的身体健康、水环境的良性演化,有效识别水体中硝酸盐污染的来源就显得尤为重要.水体中不同来源的硝酸盐具有不同的氮、氧稳定同位素组成,因此,可以利用氮、氧稳定同位素对水体中的硝酸盐污染进行源识别.本文介绍了氮、氧稳定同位素在氮循环主要过程中的分馏系数和主要硝酸盐来源的氮、氧稳定同位素组成,对比了5种硝酸盐氮、氧同位素分析预处理方法的优缺点,综述了国内外学者在该方向的研究进展并划分为3个阶段:单独使用氮稳定同位素;同时使用氮、氧稳定同位素;结合数学模型的应用.最后,对该领域今后的研究方向进行了展望.     

喀斯特洼地湿沉降氮形态及硝酸盐同位素组成的垂向分布特征

为探明喀斯特洼地湿沉降中氮形态及硝酸盐同位素组成的垂向分布特征,于2015年雨季(5—8月)采集了贵州省普定县的典型喀斯特农业洼地湿沉降样品,对样品中各形态氮的浓度和硝酸盐同位素组成进行了分析。结果表明,湿沉降对洼地排放的铵态氮具有较强的捕获效应,湿沉降中有机氮的来源与农业活动密切相关。湿沉降中硝态氮浓度垂向差异性不大,但其同位组成表明较多土壤释放氮氧化物的贡献。雨季喀斯特洼地湿沉降的氮主要形态为NH_4~+-N,各形态氮浓度的垂向差异表现为洼地的NH|_4~+-N和DTN的浓度普遍高于山顶,5—7月洼地的DON浓度高于山顶,8月洼地的DON浓度低于山顶。山顶降雨中δ~(15)N-NO_3~-值为-4.8‰±2.3‰,δ~(18)O-NO_3~-为58.1‰±7.6‰;洼地降雨中δ~(15)N-NO_3~-值为-7.3‰±3.3‰,δ_(18)O-NO_3~-值为57.3‰±6.6‰。山顶的硝酸盐同位素组成较洼地偏正,这与农田释放的NO_x贡献及其扩散过程中可能发生的分馏作用有关。δ~(15)N-NO_3~-值的月际变化特征表明,在不同月份各NO_X源对雨水硝酸盐的贡献存在差异。     

利用反硝化细菌法测试水体硝酸盐氮氧同位素

反硝化细菌方法作为测试硝酸盐氮氧同位素组成的最新方法,具有可测试低浓度水样、对样品无需特殊处理、不会交叉污染和需样量少等诸多优点而得到迅速发展。本研究率先在国内实验室利用反硝化细菌法成功测试了硝酸盐氮氧同位素组成,将经过5～10d培养的反硝化细菌Pseudomonas aureofaciens离心,然后将菌液浓缩5倍,再向顶空进样瓶注入3mL菌液,密封后利用高纯氮气吹扫3h以上,注入50nmolNO3-水样经过夜培养灭活后,使用TraceGasPre-concentrator-Isoprime测试N2O同位素组成,结果表明,重现性和测试精度与国际上类似研究接近。该方法的建立对于国内开展河流及湖泊(水库)、降水等氮的生物地球化学循环将起到促进作用。     

海河流域水体沉积物碳、氮、磷分布与污染评价

从全流域尺度上研究海河流域水体沉积物碳、氮、磷元素含量与分布特征,对研究海河流域水环境污染现状具有重要意义.本研究采集海河流域河流与水库163个表层沉积物(0～10 cm)样品,测定沉积物有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)的含量,运用有机指数与有机氮方法评价沉积物污染状况.结果表明: 海河流域沉积物TOC、TN、TP含量具有较大的空间异质性,下游平原区明显高于山区,北四河下游平原、黑龙港及运东平原含量较高,永定河山区、北三河山区、滦河流域含量相对较低,河流沉积物TOC含量显著高于水库沉积物,而TN、TP含量与水库沉积物没有显著差异.TN与TOC、TP含量呈显著正相关(r=0.704,P<0.01;r=0.250,P<0.01).全流域有机指数总体属于“较清洁”水平,北四河下游平原总体已接近有机污染水平.全流域有机氮总体处在“尚清洁”水平,北四河下游平原、黑龙港及运东平原流域存在有机氮污染.海河流域河流、水库沉积物具有相似的污染强度.沉积物C/N平均值为12.71,表明TOC多来源于藻类等浮游动植物,其次是高等植物,水库C/N值比河流高,陆源物质输入对水库沉积物TOC的贡献比对河流大.     

典型喀斯特流域旱雨季交替下溶解硅的输送特征

河流溶解硅（DSi）作为营养物质对维持陆地、河流及海洋生态系统稳定性起到至关重要的作用。选取贵州典型喀斯特流域为研究对象,通过对DSi湿沉降过程,基流过程及降雨径流过程的动态变化进行全年监测分析,探讨DSi在旱雨季交替下的输送特征及河流DSi浓度变化引起的环境效应。结果表明：①湿沉降过程降雨量越大,DSi浓度越小,河流DSi浓度变化有明显的旱、雨季特征,雨季DSi浓度较高,旱季较低,地表水径流量及DSi浓度对降雨径流过程的响应比地下水明显。②DSi沉降通量及输出通量呈明显的旱、雨季差异,雨季DSi湿沉降通量占全年的69.5%,地表水雨季DSi输出负荷占全年的98.1%,地下水占51.4%。③流域硅酸盐岩风化过程不强烈,主要受到碳酸盐岩及蒸发岩控制。流域DSi浓度受人为水库影响明显,经过水库后河流中DSi浓度旱季下降29.0%、雨季下降70.9%。研究为全面认识硅在陆地生态系统中的生物地球化学循环提供科学依据。     

铵盐和硝酸盐稳定同位素丰度测定方法及其应用案例

综述了过去几十年来铵盐和硝酸盐稳定同位素丰度测定方法的历史发展变化,分析了各种方法的优缺点,并对新方法作了介绍和推荐.目前铵盐稳定同位素丰度的最新测定方法为次溴酸盐氧化结合羟胺还原法,硝酸盐氮氧同位素丰度主流的测定方法为反硝化细菌法和镉粉叠氮酸还原化学法.这些方法的主要共同特点是以N₂O为分析物,分析精度高,对样品的含氮量需求小,一般只需要10～60 nmol N,适用于低浓度样品.新方法的建立对于国内外开展氮素循环研究将起到极大的推动作用.     

污染物在农田溪流生态系统中的动态变化

氮是地表水体发生富营养化的主要因子,河流系统是氮输出的主要运移通道,养分在河流生态系统中的持留和趋向控制着污染物的输出。以巢湖流域一个受人为活动严重影响的农田源头溪流——六岔河为研究对象(包括4个渠道型、1个水塘型和3个河口型断面,对应长度分别为1．3km、0．15km和0．36km),设置9个监测点研究总氮(TN)、硝酸盐(NO3-N)、氨态氮(NH4^ -N)和总悬浮物(TSS)在溪流生态系统中的持留,评价人为严重干扰下的农田溪流生态系统在非点源污染物运移中的生态功能。结果表明：TN、NO3-N、NH4^ -N和TSS在溪流中的持留、释放受溪流的河流形态影响,水塘型和河口型断面是污染物持留的主要区域;TN、NO3-N、NH4^ -N和TSS在水塘型和河口型断面内的持留量分别占溪流持留量(基流、径流持留量的和)的61％、47％、75％和56％。降雨-径流过程中发生的持留是污染物持留的主要部分,TN、NO3-N、NH4^ -N和TSS的持留量分别占溪流持留量的93％、97％、89％和96％;渠道型断面是溪流最主要的内在污染源,污染物释放量占溪流释放量的90％以上;受水塘型断面出口处的水坝影响,位于水塘前的渠道型断面在基流和降雨-径流过程中均有效地持留污染物,而其余渠道型断面在不同水文条件下呈现出不同的持留特性。非点源污染物在溪流中的持留和释放的空间动态变化是溪流生态系统对自然和人为干扰的一种综合响应,有必要恢复溪流生态系统功能,控制农业非点源污染。     

漳泽水库主要入库河流氮、磷营养盐特征

以2006—2007年的漳泽水库3条入库河流(南漳河、石子河、绛河)的水文、水质调查数据为依据,研究了漳泽水库入库河流的主要水文变化特征、氮磷营养盐浓度及其通量的逐月动态。3条入库河流水体流速缓慢,水温适宜,年平均值在12.5℃～15.1℃。3—5月水温回升较快,夏季水温高,光照充足,易发生水华。3条入库河流中总氮含量年平均值在1.75～8.90mg·mL-1,总磷含量平均值在0.005～3.760mg·mL-1,氮磷营养盐浓度总体偏高,其中石子河贡献了48.3%的总氮和77.3%的总磷。溶解态无机氮(DIN)是氮的主要存在形式,而其中又以硝酸盐氮(NO3--N)为主,平均占到DIN的60%以上。氮磷通量季节性变化规律不明显,且月均波动较为平缓。点源污染是氮磷进入南漳河、石子河的主要途径,而绛河的氮主要来自面源污染。从保护漳泽水库的角度考虑,应重点控制南漳河和石子河的点源污染。     

利用氮同位素技术探讨天津地表水氮污染

地表水的氮污染状况与水质、区域景观等密切相连。本文分析了天津地表水的三氮(NO3-N、NH4+-N、NO2-N)组成,以及部分水样NO3-N和NH4+-N的N同位素组成。结果显示:NO3-N的含量为0.01～16.51mg.L-1,均值为2.25mg.L-1,部分样品NO3-的含量超过50mg.L-1(以NO3-N计为11.29mg.L-1);NH4+-N的含量为0～10.60mg.L-1,均值为1.15mg.L-1,有1/4水样超过1.5mg.L-1;另外,在所有样品中有1/12水样有较高的NO2-N。NO3-N为大部分水样无机氮的主要形态,污水等部分水样以NH4+-N为主要形态。NO3-N同位素值的变化范围为-5.5‰～+28.6‰,均值为+9.0‰(n=49),中值为+8.5‰;NH4+-N同位素值的变化范围为-8.8‰～+34.3‰,均值+11.6‰(n=11),中值为+13.6‰。水化学和同位素结果分析表明,该区地表水的氮主要来源为生活污水,而且氮形态转化受硝化作用、挥发作用以及可能的反硝化作用影响明显。     

广西刁江流域主要河流水质评价

为研究广西刁江水质污染现状, 从刁江流域上游到下游共设置 9 个水质监测断面。于 2013 年 12 月-2014 年 12月对河流的 pH、溶解氧、高锰酸盐指数、叶绿素 a、总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、正磷酸盐、重金属(砷、铅、镉、汞、铬)水质指标进行监测。采用单因子和综合污染指数对刁江水质进行评价, 同时开展水体富营养化评价。单因子污染指数评价结果表明刁江流域主要污染物为总氮和砷。综合污染指数评价结果表明刁江流域水质整体较好, 但上游的平村河污染较严重。从时间分布来看, 秋季水质最差, 冬季较好。从营养化状态指数来看, 平村河为中度富营养化状态, 其余河流为中营养状态, 富营养化程度呈现春夏高, 冬季低的特点。对评价结果进行主成分分析, 结果表明刁江流域总氮最大的贡献者可能来源于居民的生活污水。     

辽宁中部城市群城市非点源污染负荷评估

过去几十年我国经历了快速城市化过程,这使得不透水面大幅度增加,导致地表径流和洪峰流量增加,进入水体的污染物增多。城市非点源污染已成为河流水体恶化、生态系统退化的重要原因。在快速城市化过程中,城市群已成为城市化发展的新阶段。位于同一流域的各城市所产生的城市非点源污染导致城市群流域水环境问题越来越突出,成为制约城市群流域可持续发展的关键因素之一。现有的关于城市非点源的研究多集中于城市内部小尺度,对城市群大尺度的研究亟需发展。以位于浑河太子河流域的辽宁中部城市群为例,在沈阳市不同功能区和不同下垫面进行降雨径流采样,基于事件平均浓度（Event Mean Concentration, EMC）法和SWMM（Storm Water Management Model）模型相结合的方式,定量评估城市群流域城市非点源污染负荷。研究结果表明：路面径流中城市非点源污染物浓度、负荷量及其单位面积负荷要高于屋面径流和透水面径流。辽宁中部城市群TP、TN、COD、TSS的年均城市非点源污染负荷分别为265.52、852.89、2249.71、192496.74 t/a,重金属Cd、Ni、Pb、Cr、Cu、Zn的年均城市非点源污染负荷分别为347.99、9932.62、25861.29、28360.41、36068.30、138840.42 kg/a。沈阳市城市非点源污染负荷最高,但其单位面积负荷最低。本研究基于更为精细的城市下垫面划分,综合考虑城市功能区划、下垫面类型和降雨强度,更为准确的评估了辽宁中部城市群流域的城市非点源污染负荷。该研究能够为高度城市化流域城市非点源污染防控和水环境综合治理提供科学依据。     

汉江上游金水河悬浮物及水体碳氮稳定同位素组成特征

金水河位于南水北调中线工程水源地的汉江上游,研究其污染物来源及分布规律对水源地水资源保护尤为重要。研究了不同水文季节金水河中悬浮颗粒物C和N稳定同位素值、水体硝酸盐与铵盐含量及其N稳定同位素特征。结果表明:金水河流域可溶性氮素与悬浮颗粒物的来源具有明显的空间性和季节性差异,并且流域内叶绿素浓度、水体浊度、悬浮物浓度都会对河流碳氮素稳定同位素值造成影响,主要体现在环境因子的变化制约着水体中硝化和反硝化生物对氮素的可利用性。结果显示:1)水体中悬浮颗粒物的碳稳定同位素为-8.03‰-14.57‰,平均值为2.59‰;氮稳定同位素范围为-7.50‰-7.34‰,平均值为:4.33‰,表明悬浮颗粒物的来源主要为外源性土壤有机质与内源性水生植物残体的混合;2)河流水体中铵盐与硝酸盐N-稳定同位素范围分别为-5.86‰-17.20‰,平均值为5.02‰及-1.48‰-15.86‰,平均值为5.75‰;水体可溶性氮素主要来源为大气沉降、河流水生生物以及地表径流所带入的化肥农药等;3)悬浮颗粒物含量不仅随着河流径流量的季节性变化而变化,还随着人为干扰强度的加强而呈递增的趋势,水体悬浮颗粒物含量最高达到(9.883±3.45)mg/L。而NH_4~+及NO_3~-的浓度也呈现出相同的趋势,含量分别为0.07-0.45 mg/L,平均值为0.25 mg/L;0.08-0.44 mg/L,平均值为0.37 mg/L。稳定同位素测定为河流生态系统提供了一个整合时空氮素来源和转移循环过程的综合指标,揭示了环境因子对河流生态系统氮循环的影响过程与机制。     

海南黎母山热带云雾林3种优势树种根际土壤微生物量季节动态及根际效应

为探讨热带云雾林主要优势树种根际土壤微生物量碳氮含量的季节动态规律, 于2019年2月—12月, 采用抖落法采集3种优势树种岭南青冈(Cyclobalanopsis championii)、罗浮锥(Castanopsis fabri)、细枝柃(Eurya loquaiana)根际和非根际土壤样品, 对土壤微生物量碳氮季节动态变化进行研究, 并分析不同优势树种土壤微生物量碳氮的根际效应以及与土壤养分及土壤水分的关系。结果表明: (1)不同优势树种根际土壤微生物量碳、氮含量动态变化规律明显, 峰值出现在雨季的8月, 根际土壤微生物量碳含量变幅为188.68—322.75 mg·kg-1, 氮含量变幅为104.02—184.44 mg·kg-1。(2)不同优势树种根际土壤微生物量碳氮比的季节动态变幅在1.60—2.01之间, 其季节动态呈“V”字型变化趋势; 而非根际土壤微生物量碳氮比的季节动态变幅在1.63—2.10之间, 且呈“N”字型变化趋势。(3)土壤微生物量碳、氮根际效应均表现为正效应, 且细枝柃根际效应大于岭南青冈和罗浮锥。土壤微生物量碳、氮与土壤有机碳、全氮呈显著正相关性。综合分析表明, 热带云雾林主要优势树种根际土壤微生物碳氮含量显著高于非根际, 根际效应显著, 具有明显的季节动态变化; 细枝柃对土壤微生物量富集和截留效应更大, 有利于养分累积。     

黄土塬区大气降水的氢氧稳定同位素特征及水汽来源

降水是水资源的主要输入,分析其氢氧稳定同位素特征可为水循环研究提供重要的背景信息。基于4a的降水样品采集,测定和分析了黄土塬区降水氢氧同位素(2H,17O和18O)的组成特征,进而分析了其水汽来源。降水同位素有明显的年内变化,2—6月富集而7—11月贫化;δD和δ18O存在雨量效应和温度效应,分别出现在6—9月和10—5月;但这些组成特征受气候变异影响存在年际差异。综合分析降水方程线、D盈余和17O盈余,发现黄土塬区6—9月降水来自海洋性气团,10—5月降水是局地水汽蒸发和大陆性气团起主导作用;雨季少数降水事件直接来源于海洋性气团,其他降水事件则是海洋性气团经再分配相对湿度达90%左右时才产生。全年至少30%的降水事件经历了严重的二次蒸发。     

土石山区不同植物土壤水分利用方式对降雨的响应特征

植物的水分利用特征对浅层土石山区的植被恢复具有重要意义.本研究利用稳定同位素技术,通过采集降雨后丹江鹦鹉沟小流域侧柏和玉米的植物样及其植物根系周围的土壤样品,分析其氧稳定同位素特征,研究土石山区侧柏和玉米两种不同植物的土壤水分利用方式对降雨的响应特征.结果表明: 侧柏和玉米的土壤水分利用方式对降雨存在不同的响应特征.侧柏根系主要利用10～30 cm土层的土壤水分,而玉米主要利用0～20 cm土层的土壤水分.降雨量由29 mm减少至8 mm时,侧柏根系的主要吸水深度由20～30 cm减小到10～20 cm,玉米根系的主要吸水深度由10～20 cm转换为0～20 cm.降雨减少时,侧柏根系吸水的主要深度均由深层土壤向浅层土壤移动,而玉米的主要吸水深度由10～20 cm增加为0～20 cm.侧柏和玉米根系的土壤水分利用方式对降雨的响应特征较为明显.     

香溪河水系大型底栖动物功能摄食类群生态学

2004年7月至2007年6月,通过大型底栖无脊椎动物的量化监测,对三峡水库湖北库区最大河流香溪河大型底栖无脊椎动物功能摄食类群生态学进行研究.结果表明:香溪河大型底栖动物以收集者占绝对优势,其次为刮食者,捕食者、滤食者、撕食者相对丰度较小;各功能摄食类群分布明显受时空资源位的限制;香溪河物质循环能力、两岸物质的输入量和粗有机颗粒/ 细有机颗粒在九冲河明显高于其它河流,在冬季高于其它季节;物质输送能力以高岚河最高,在时间方面以冬季明显高于其它季节.逐步回归分析表明,流速、电导、浊度、总氮、二氧化硅对香溪河河流生态系统物质循环具有指示作用;二氧化硅和化学需氧量对物质输送能力具有指示作用;水温、水深、二氧化硅、总磷可作为沿岸物质输入量的指标;水温、二氧化硅可作为评估河道中粗、细有机颗粒比例的重要指标.     

施肥对太湖地区青紫泥水稻土稻季农田氮磷流失的影响

选取太湖东岸的青紫泥水稻土区,对常规施肥和不施肥条件下水稻季稻田氮、磷的流失进行了观测。结果表明:水稻种植季内田面水和降雨径流水中氮磷的浓度呈现前期高后期低的趋势,初期施肥之后的降雨流失使稻田水中氮磷浓度大幅度降低;整个水稻生长季稻田氮磷的流失总量分别达38.8和0.95kg.hm-2,且主要以田面水径流流失为主;氮素主要以水溶性的铵态氮流失,而磷素则主要为颗粒态流失。不施肥处理中稻田氮、磷流失分别是常规施肥处理的47%和60%;水稻生长初期降雨下的氮径流流失占整个水稻生长期的50%,磷素占33%。降雨事件下的流失是农田非点源污染的主要贡献期,因而应作为控制的关键因子;对于基础肥力高的水稻土可考虑轮流施肥以减少环境的氮、磷流失与水系污染风险。     

深水湖泊沉积物不同形态氮的生物地球化学特征——以百花湖为例

深水湖泊经历氧化及还原环境的交替变化,影响着湖泊水体氮的生物地球化学过程;其底层沉积物中一般具有特有的还原环境,其间氮的生物地球化学转化过程复杂。本文以云贵高原典型深水湖泊百花湖为例,在湖泊水体夏季分层期采集底层沉积物柱体,将沉积物柱体分层处理后,对不同深度沉积物中孔隙水、水溶态和吸附态不同形态氮含量,以及沉积物中颗粒态有机氮(PON)含量和同位素进行分析。结果表明,沉积物柱体孔隙水中的总氮(TN)主要由NH4+-N和有机氮两种形式存在,TN含量为6.9~42.8 mg·L-1,NH4+-N含量为6.6~25.6 mg·L-1。硝态氮及亚硝态氮含量均低于检测限,说明沉积物中硝酸盐经历了充分的反硝化过程以及可能存在的异化还原过程。吸附态NH4+-N含量明显高于水溶态。沉积物中的颗粒有机氮含量为0.22%~0.60%。同时,颗粒有机氮含量在剖面上的变化趋势符合指数衰减模式,表明颗粒态有机氮含量的变化可能经历成岩作用和微生物矿化过程;δ15N-PON值在31 cm以上随着深度的加深逐渐减小,变化范围为3.4‰~10.0‰,平均值为6.4‰,其中以10 cm以上同位素值降低趋势明显,其可能原因与微生物降解活动以及湖泊水体的交换有关。31 cm以下δ15N-PON值的变化趋势与表层相反,则可能是早期成岩作用影响的结果。孔隙水中δ15N-TN同位素值最高,吸附态和水溶态差异较小,且该同位素组成较PON富集15N,可推测孔隙水剖面NH4+-N浓度的升高可能与硝酸盐的异化还原有关。     

滤渠-塘组合系统对城市旅游区降雨径流污染的离线截控作用

提出了一种控制城市旅游区降雨径流污染的滤渠-塘离线组合处理系统,并研究了该系统对降雨径流污染的离线截控作用.结果表明:无论从单次降雨事件还是从年度上分析,该系统通过有效地分流初期污染降雨径流,均可降低降雨径流中污染物的浓度和体积平均粒径,并对降雨径流中污染物的负荷具有较高的持留效率,是一种高效的处理系统,比较适用于土地利用相对紧张的城镇区域.2005年该系统对降雨径流中总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)负荷的年持留率分别达到86.4%、85.5%、83.9%和82.9%.以2005年6月26日的次降雨事件为例,该系统对降雨径流水量的削减率为67.9%,对污染物中各种形态氮的去除效率高于磷,对TSS、COD、TN和TP负荷的持留率分别为97.0%、89.2%、94.9%和96.2%.该系统还可以有效地拦截降雨径流中的大部分颗粒物.     

碳与锶同位素在六盘水地下水研究中的应用

分季节采集贵州省六盘水市地下水,并分析其水化学组分、溶解无机碳及其碳同位素和锶同位素组成,研究其地下水的水质情况和污染特征。结果表明:研究区水化学组成主要是以HCO3-Ca为主,属于典型的喀斯特区域地下水组成特征;地下水方解石饱和指数SIcalcite接近稳态,具有弱侵蚀性,与pCO2之间呈负相关关系,说明有机污染物降解CO2对于水岩反应起到了相当程度的影响;枯水季节溶解无机碳含量高于丰水季节,而δ13C季节变化并不明显,同位素与水化学的分析表明,区内城镇居民区和农田区地下水受人为活动污染明显;研究区87Sr/86Sr变化不大,而污水的87Sr/86Sr在0.7080。通过水化学和同位素分析表明,人为输入对于地下水的影响与地质背景、污染源特征及水文条件等有关。