李智滔,肖紅偉,伍作亭,馬 艷,肖揚寧,陳振平,陶繼華

基于水化學(xué)及氮氧同位素技術(shù)的硝酸鹽來源解析——以鄱陽湖濕地為例

李智滔1,2,肖紅偉1,3*,伍作亭1,2,馬 艷1,4,肖揚寧1,2,陳振平1,陶繼華4

(1.東華理工大學(xué),江西省大氣污染成因與控制重點實驗室,江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 南昌 330013；3.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240；4.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,江西 南昌 330013)

為了識別鄱陽湖濕地水體中硝酸鹽污染的來源,轉(zhuǎn)化特征和各污染來源的貢獻比例,選取枯水期這一典型時期,于2019年1月份對鄱陽湖中的蚌湖濕地,沙湖山濕地和廬山濕地的地表水進行取樣,并測定了水樣中的離子組成和硝酸鹽氮氧同位素值.研究結(jié)果顯示, NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值與Cl-濃度的關(guān)系表明3處濕地中硝酸鹽來源可能受到農(nóng)業(yè)活動和降雨的影響.蚌湖,沙湖山和廬山濕地水體中15N-NO3-和18O-NO3-值的范圍分別為-6.19‰～4.67‰和3.41‰～39.95‰,-4.14‰～1.45‰和31.54‰～68.30‰,-6.98‰～3.83‰和2.80‰～30.43‰,硝酸鹽氮氧同位素值表明3處濕地硝酸鹽來源可能受到降水NO3-,硝酸鹽氮肥,氨態(tài)氮肥和土壤有機氮的影響.利用硝酸鹽氮氧同位素之間的關(guān)系,并結(jié)合NO3-與Cl-比值關(guān)系判斷濕地中無明顯反硝化作用的發(fā)生.SIAR模型結(jié)果顯示:蚌湖濕地,沙湖山濕地,廬山濕地硝酸鹽來源中降水NO3-貢獻占比最大,其次是化肥,土壤有機氮,糞便和生活污水貢獻占比最小.

鄱陽湖；硝酸鹽；來源；氮氧同位素；反硝化作用；SIAR模型

硝酸鹽由于其極高的水溶性,是水體中最常見的含氮化合物.高濃度的硝酸鹽不僅會引起湖泊富營養(yǎng)化,水生生物死亡等水環(huán)境問題,還會給人的身體健康帶來危害[1].硝酸鹽的來源復(fù)雜,主要包括大氣氮沉降,氮肥,糞便,生活污水和土壤有機氮轉(zhuǎn)化[2-3],而且硝酸鹽污染具有隱蔽性強,治理難度大,易形成大面積污染等特點[4].

傳統(tǒng)識別硝酸鹽污染來源的方法是通過一個區(qū)域研究對象的物理化學(xué)特征,并綜合該區(qū)域土地的使用情況來識別硝酸鹽的來源.但該方法在使用時耗時耗力,且不能準(zhǔn)確的識別污染源.隨著穩(wěn)定同位素技術(shù)的發(fā)展,識別硝酸鹽污染源有了新的方法—氮氧雙同位素法.該方法的原理是根據(jù)不同硝酸鹽來源具有特定的15N-NO3-和18O-NO3-值范圍,并通過樣品中15N-NO3-和18O-NO3-值與各來源中15N-NO3-和18O-NO3-值范圍的重疊性識別樣品中硝酸鹽的來源,同時,通過氮氧同位素值與水化學(xué)結(jié)合的方法,可以確定硝酸鹽的遷移轉(zhuǎn)化過程,這對氮污染的治理具有重要意義.然而,氮氧雙同位素技術(shù)識別硝酸鹽來源卻有一定的局限性,因為不同來源可能仍具體相同的重疊部分,所以僅通過氮氧雙同位素技術(shù)識別硝酸鹽來源時可能會出現(xiàn)一定的偏差,而基于R語言編寫的SIAR模型能有效應(yīng)對這種缺陷,因為SIAR模型能確定不同來源中的硝酸鹽對污染的貢獻率.近年來,國內(nèi)外越來越多的學(xué)者運用氮氧同位素技術(shù)識別硝酸鹽來源以及確定各來源對污染的貢獻率,Johannsen等[5]對德國5條河流的研究發(fā)現(xiàn):秋季和冬季水體的硝酸鹽含量高,其來源主要是土壤有機氮的硝化作用,生活污水和有機肥.在中國張家口市宣化區(qū)的研究表明,該區(qū)域地下水硝酸鹽的遷移轉(zhuǎn)化過程以硝化作用為主,并通過SIAR模型確定地下水氮污染來源中糞肥及生活污水占比45.37%,土壤氮占比41.39%,降水和化肥中的 NH4+占比13.24%[6].

鄱陽湖是我國第一大淡水湖,也是一個巨大的水陸交互式生態(tài)系統(tǒng),在長江流域中具有重要的作用,鄱陽湖流域的水質(zhì)安全直接關(guān)系到長江下游地區(qū)的用水安全[7].王毛蘭等[8]通過對鄱陽湖表層沉積物的研究發(fā)現(xiàn)沉積物中有機質(zhì)的主要來源有土壤有機質(zhì),水生維管束植物和浮游植物.梁越等[9]通過對鄱陽湖內(nèi)蚌湖的研究發(fā)現(xiàn),豐水期7月相比于6月,蚌湖中氮污染情況受化肥,城鎮(zhèn)生活廢水和畜禽養(yǎng)殖廢水影響更大.本研究選取鄱陽湖中的蚌湖濕地,沙湖山濕地和廬山濕地3處濕地為研究區(qū),并選擇枯水期作為采樣期,通過水化學(xué)結(jié)合氮氧同位素的方法,識別濕地硝酸鹽污染的來源和轉(zhuǎn)化過程,確定各來源貢獻率.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 采樣點分布

鄱陽湖位于長江中下游,江西省北部(28°22′21″～29°45′00″N,115°46′48″～116°45′00″E),是中國最大的淡水湖.本研究區(qū)地貌以鄱陽湖平原為主,地勢低平,海拔為20m左右,湖水最深處約為20m,湖區(qū)西北部為廬山[10],鄱陽湖地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),夏熱冬溫,雨熱同期,年平均氣溫約為17℃,年降雨量在1400～1900mm之間,最低,最高氣溫通常出現(xiàn)在1月和7月.鄱陽湖水源主要由贛江,修河,信江,饒河等河流以及降雨,地下水等供給.鄱陽湖的水域面積在豐水期和枯水期有著巨大的變幅,豐水期水域面積能達到4125km2以上,而枯水期水域面積僅為500km2左右.為了研究枯水期鄱陽湖濕地硝酸鹽污染的情況,根據(jù)土地利用情況分別在農(nóng)村地區(qū)(蚌湖濕地,沙湖山濕地)和城市地區(qū)(廬山濕地)采集水樣.蚌湖位于鄱陽湖西北部,吳城鎮(zhèn)北部,贛江西側(cè),沙湖山湖位于蚌湖西南側(cè)2km左右,廬山濕地位于鄱陽湖北部,廬山市(星子縣)南部,為蚌湖和沙湖山湖的下游.這3地在豐水期時為鄱陽湖的一部分,枯水期時由于水量的大量減少,3地形成相對封閉的區(qū)域,并呈現(xiàn)為濕地狀態(tài).基于當(dāng)?shù)氐耐恋乩们闆r,3處濕地既可能存在農(nóng)業(yè)面源污染,也可能存在含有大量含氮物質(zhì)的養(yǎng)殖廢水,城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)污水的污染[9].

本研究于2019年1月對鄱陽湖中3處濕地進行樣品采集,共采集17個地表水樣,采樣點分布情況如圖1所示.其中,蚌湖濕地共采集8個地表水樣(B1～B8),包括7個濕地表層水樣(B1～B7)和1個靠近居民區(qū)河流水樣(B8),沙湖山濕地共采集3個地表水樣(S1～S3),廬山濕地共采集6個地表水樣(L1～L6),包括4個濕地表層水樣(L2～L5),1個濕地旁湖泊水樣(L6)和1個靠近居民區(qū)河流的水樣(L1),所有采樣點用GPS進行定位.水樣中溶解氧(DO),溫度(),pH值直接在現(xiàn)場使用預(yù)先校準(zhǔn)的HACH水質(zhì)參數(shù)分析儀進行測定,同時將一部分水樣裝于干凈的聚乙烯瓶中,用于后續(xù)帶回實驗室測定各離子組成以及15N-NO3-和18O-NO3-值.所有水樣帶回實驗室后置于-20℃冰箱中保存,并于1個月內(nèi)測得各種所需參數(shù).

1.2 樣品分析與測試

水樣采集回實驗室后使用0.45μm混合纖維素脂濾膜(預(yù)先在450℃的馬弗爐中燒3h除余氯)過濾,離子濃度使用離子色譜儀(Dionex-AQUION型)進行測定,硝酸鹽的氮氧同位素值采用反硝化細(xì)菌法進行測定[11-13].該方法的原理是:在水中加入缺乏N2O還原酶活性的反硝化細(xì)菌—致金色假單胞菌(),并在密封條件下將水樣中的NO3-全部轉(zhuǎn)換為N2O氣體,然后把經(jīng)過分離純化的N2O氣體通入同位素比值質(zhì)譜儀(GasBench- IRMS)中測定硝酸鹽氮氧同位素值.所測的氮同位素標(biāo)準(zhǔn)偏差低于0.4‰,氧同位素標(biāo)準(zhǔn)偏差低于0.9‰,同位素值計算公式為:

式中:為15N-NO3-與14N-NO3-或18O-NO3-與16O-NO3-的比值.氮同位素參照基準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)大氣氮(N2),氧同位素參照基準(zhǔn)為維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(V-SMOW).

1.3 穩(wěn)定同位素源解析模型(SIAR)

運用穩(wěn)定同位素源解析模型SIAR,可以確定不同硝酸鹽污染源的貢獻率.該模型是基于R語言用戶界面包進行的穩(wěn)定同位素分析,模型可表達為:

式中:是混合物同位素的值(其中=1, 2, 3,×××,,=1, 2, 3,×××,),p為所要估算的源所占的比值,S是來源同位素的值,其均值為μ,標(biāo)準(zhǔn)方差為ω,是來源同位素所占的分餾系數(shù)(服從均值為λ,方差為τ的正態(tài)分布,ε是混合物同位素的殘余誤差(其均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為σ).

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地水質(zhì)特征

2.1.1 濕地水化學(xué)特征 如表1所示,由于B8,L1采樣點分別位于蚌湖,廬山濕地旁源自居民區(qū)的河流中,為了與其他點位有所區(qū)別,故不參與平均值計算.蚌湖濕地,沙湖山濕地和廬山濕地的DO濃度范圍分別為5.9～12.1,9.2～11.1,10.7～12.6mg/L,平均濃度分別為(8.8±2.8),(9.9±1.1),(11.4±0.6mg/L),與前人的研究基本一致[14-15].B8,L1采樣點的DO濃度沒有表現(xiàn)出與其他點位的差異,廬山濕地水體的DO平均濃度略高于其余2處濕地.3處濕地水體的pH值大部分呈現(xiàn)中性偏酸性(10個),少部分呈現(xiàn)中性偏堿性(6個).總體來看3處濕地水體的pH值介于5.2～7.8.3處濕地水體的主導(dǎo)性離子為SO4-,濃度范圍為24.3～94.4mg/L,蚌湖濕地SO4-濃度范圍為33.3～94.4mg/L,變化幅度較大,沙湖山濕地SO4-濃度范圍為24.3～37.4mg/L,廬山濕地SO4-濃度范圍為25.7～40.7mg/L,SO4-可能來源于礦業(yè)活動或硫酸鹽巖石的風(fēng)化,3處濕地中SO4-濃度顯著低于受礦業(yè)活動或硫酸鹽巖風(fēng)化影響的地表水中的SO4-濃度[16].

3處濕地中主導(dǎo)性陽離子都為Ca2+,其次是Na+和Mg2+,3種陽離子在3處濕地中分布平均,沒有表現(xiàn)出顯著的區(qū)域變化特征.3種離子濃度關(guān)系與前人對鄱陽湖流域的研究相一致[17].蚌湖,沙湖山濕地位于吳城鎮(zhèn),西廟村之間,廬山濕地與廬山市接壤,3處濕地周圍主要為農(nóng)業(yè)用地.氮肥的主要成分有NaNO3,NH4NO3,Ca(NO3)2,NH4Cl,(NH4)2SO4等[4],為了探究農(nóng)業(yè)活動可能對濕地的影響,對3處濕地水樣中與化肥成分相關(guān)的離子做相關(guān)性分析,結(jié)果如表2,蚌湖濕地NO3-濃度與Ca2+,Na+濃度無相關(guān)性,與NH4+濃度的相關(guān)系數(shù)為0.055,Cl-濃度與NH4+濃度無相關(guān)性,SO42-濃度與NH4+濃度的相關(guān)系數(shù)為0.260,各離子組之間不存在顯著相關(guān)性.沙湖山濕地各離子組之間同樣不存在顯著相關(guān)性.廬山濕地中NH4+濃度與SO42-濃度之間顯著相關(guān)(=0.871,<0.05),說明這2種離子可能具有相同的來源,可能為(NH4)2SO4,廬山濕地可能受到氮肥的污染.

表1 鄱陽湖濕地主要水化學(xué)參數(shù)

注:*表示B8點位不參與平均值計算,**表示L1點位不參與平均值計算.

表2 主要離子濃度相關(guān)性

注:*表明在0.05水平上顯著相關(guān),NC表示無相關(guān)性,B8,L1采樣點不參與相關(guān)性分析.

2.1.2 水體硝酸鹽濃度特征 蚌湖濕地8個采樣點NO3-濃度范圍在0.3～3.3mg/L之間,除B8采樣點后的平均濃度為(0.5±0.2)mg/L,且只有B8采樣點的NO3-濃度明顯高于其余采樣點(3.3mg/L),導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能為B8采樣點位于蚌湖北部的西廟村邊的河流中,村中生活污水,牲畜廢水流入河流導(dǎo)致水體NO3-濃度升高.沙湖山濕地3個采樣點NO3-濃度范圍為0.7～1.0mg/L,平均濃度為(0.8±0.2)mg/L.廬山濕地中6個采樣點的NO3-濃度范圍為0.1～6.3mg/L,除L1采樣點后的平均濃度為(1.5±2.7)mg/L,只有L1,L6采樣點的NO3-濃度高于平均濃度(2.6, 6.3mg/L),而其余4個采樣點NO3-濃度遠低于平均濃度,導(dǎo)致的原因同樣可能為L1采樣點位于一條水源來自于廬山市區(qū)的河流,市區(qū)人為活動釋放的污染物進入河流中導(dǎo)致河水硝酸鹽濃度的升高,而L6采樣點位于濕地中的一片類似湖泊的水域中,水體中NO3-濃度較高可能是由于濕地內(nèi)NO3-隨地表徑流的匯集導(dǎo)致局部NO3-濃度偏高.且3處濕地中NO3-濃度均沒有超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838- 2002)[18]中集中式生活飲用水地表水源地對NO3-濃度規(guī)定的限值(44.3mg/L).

2.2 硝酸鹽的來源與轉(zhuǎn)化特征

2.2.1 水體NO3-濃度與Cl-濃度的關(guān)系 人為活動產(chǎn)生的糞便和污水中會表現(xiàn)出較高的Cl-濃度和較低的NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值,通常Cl-濃度會大于1mmol/L,NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值會介于0.001～0.1.農(nóng)業(yè)活動所產(chǎn)生的化肥或降雨中表現(xiàn)出較低的Cl-濃度和較高的NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值,通常Cl-濃度會小于100μmol/L,NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值會介于0.1～10[19].上述現(xiàn)象的原因是由于糞便和污水中氮素的存在形式為銨,尚未被分解轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,且Cl-濃度較高,而化肥中Cl-濃度相對較低[20],故通過Cl-濃度和NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值的范圍能區(qū)別不同的硝酸鹽污染來源.本研究中3處濕地的NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值與Cl-濃度的關(guān)系如圖2所示,3處濕地都存在著較低的Cl-濃度和較高的NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值,與糞便,污水污染所占的區(qū)域沒有重疊部分,與農(nóng)業(yè),化肥污染和降雨輸入?yún)^(qū)域有較為接近的重疊部分,表明3處濕地硝酸鹽來源不受糞便及生活污水影響且一定程度上受到了農(nóng)業(yè)活動和降雨的影響.前人的研究中:Chen等[20]由北江4月和12月不同的Cl-濃度和NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值得出北江4,12月的硝酸鹽污染分別來源于農(nóng)業(yè)活動和污水,Chen等[19]由太湖水體中高濃度的Cl-和低NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值表明太湖的硝酸鹽污染來源于糞便與污水,這與本研究中使用的方法類似.

2.2.2 基于氮氧同位素技術(shù)的污染來源解析 氮氧同位素技術(shù)被廣泛地運用在水環(huán)境中識別不同的硝酸鹽來源,因為不同的硝酸鹽來源具有不同的15N-NO3-和18O-NO3-值的組成,例如,降水NO3-,硝酸鹽氮肥,氨態(tài)氮肥,土壤有機氮,糞便和生活污水的15N-NO3-值分別為-9‰～9‰,-7‰～4.7‰,-7‰～5‰,3‰～8‰,4‰～25‰;18O-NO3-值分別為23‰～75‰, 15‰～25‰, -5‰～14‰,-5‰～14‰,-5‰～10‰[21-24].本研究中,蚌湖,沙湖山,廬山3處濕地水樣中15N-NO3-值分別為-6.19‰～4.67‰,-4.14‰～1.45‰,-6.98‰～3.83‰,18O-NO3-值分別為3.41‰～39.95‰,31.54‰～68.30‰,2.80‰～30.43‰(圖3).將樣品的15N-NO3-和18O-NO3-值與污染來源的同位素范圍值進行對比,能更精確地識別硝酸鹽的來源.蚌湖濕地7個采樣點中的15N-NO3-和18O-NO3-值落于降水NO3-,硝酸鹽氮肥和氨態(tài)氮肥來源區(qū)(圖4),表明蚌湖濕地中硝酸鹽來源一定程度上受到降水和化肥使用的影響,而土壤有機氮,糞便和生活污水不是蚌湖濕地中硝酸鹽的主要來源.B8特殊采樣點15N-NO3-值偏正,落于氨態(tài)氮肥,土壤有機氮,糞便和生活污水污染區(qū)內(nèi),表明該處水體可能一定程度上受到人類活動的影響,這與該點位于來自村莊的河流中相符,蚌湖濕地周圍的人類活動存在影響濕地水質(zhì)的可能性.沙湖山濕地3處點位落于降水NO3-來源區(qū)內(nèi),表明該地硝酸鹽來源可能主要受降雨的影響,受其他來源影響較小.廬山濕地6個采樣點位落于降水NO3-,硝酸鹽氮肥和氨態(tài)氮肥來源區(qū), L1落于硝酸鹽氮肥來源區(qū)和氨態(tài)氮肥來源區(qū)邊界,表明硝酸鹽來源可能受到降雨和農(nóng)業(yè)活動的影響.需加強對市內(nèi)農(nóng)業(yè)活動中化肥使用的監(jiān)管,防止污染進一步擴散.前人的研究中,梁越[25]對蚌湖的研究發(fā)現(xiàn),雨水是枯水期蚌湖水源的重要來源,且無除雨水外的外來水源輸入,與本研究中的結(jié)論相似.

圖2 NO3-濃度與Cl-濃度關(guān)系

2.2.3 硝酸鹽轉(zhuǎn)化特征 由于Cl-在水環(huán)境中具有生物和化學(xué)惰性,它的濃度僅能通過水體混合作用增加或減少且變化過程不受物理,化學(xué)和微生物作用的影響,因此使用水體中NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值與Cl-濃度關(guān)系的方法能識別水環(huán)境中硝酸鹽的轉(zhuǎn)化形式是否存在反硝化作用.反硝化作用使水體中NO3-被消耗,還原為氣態(tài)產(chǎn)物[20],然后將這些產(chǎn)物釋放到大氣中,因此,反硝化作用發(fā)生時水體中的NO3-濃度會降低,與此同時,由于Cl-的生物化學(xué)惰性,其濃度不會隨著NO3-的消耗而減少[26-27],故圖2中將出現(xiàn)一條反硝化作用發(fā)生情況下的反硝化趨勢線,如圖2所示,濕地中NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度比值與Cl-濃度關(guān)系與反硝化作用趨勢線不吻合,初步表明3處濕地中無明顯反硝化作用的發(fā)生.

反硝化作用同時也是一個微生物使硝酸鹽脫氮,導(dǎo)致NO3-基質(zhì)同位素富集的過程[28].由于反硝化作用對15N-NO3-和14N-NO3-,18O-NO3-和16O- NO3-的消耗會表現(xiàn)出差異,使含輕同位素的NO3-更容易被氧化,含重同位素的NO3-富集,因此反硝化作用后剩余NO3-會富集15N-NO3-和18O-NO3-[27],此過程叫同位素分餾,而固氮作用,擴散作用,揮發(fā)作用,礦化作用和同化作用等氮的遷移轉(zhuǎn)化過程不會引起較大的同位素分餾,對本研究中硝酸鹽的氮氧同位素組成影響較小[6,29],故本研究只分析反硝化作用和硝化作用引起的同位素分餾.研究表明,當(dāng)水體DO小于4mg/L時是反硝化作用發(fā)生的最佳條件,且反硝化作用發(fā)生時水體中15N-NO3-與18O- NO3-的比值會位于1.3～2.1之間[19,22],本研究所有采樣點DO值均大于4mg/L, DO值最小的點位為B5 (5.2mg/L),同時,未在3處濕地中發(fā)現(xiàn)15N-NO3-與18O-NO3-的比值存在1.3～2.1的關(guān)系(圖4),故判定研究區(qū)硝酸鹽的轉(zhuǎn)化過程無明顯反硝化作用的發(fā)生,此分析與上文根據(jù)NO3-/Cl-物質(zhì)的量濃度與Cl-濃度關(guān)系判斷是否有反硝化作用發(fā)生的結(jié)論相符合.

圖3 鄱陽湖濕地δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值分布

硝化作用是硝化細(xì)菌將銨鹽氧化為硝酸鹽的過程.研究表明硝化作用發(fā)生時水體的18O-NO3-值一般位于-10‰～10‰之間[19],本研究中3處濕地水體中18O-NO3-值大都偏大,17個采樣點中只有3處中的18O-NO3-值小于10‰,因此判斷研究區(qū)內(nèi)無明顯硝化作用的發(fā)生.此現(xiàn)象的原因可能為枯水期鄱陽湖濕地水體來源受降雨影響大,雨水中大量的重同位素導(dǎo)致18O-NO3-富集[27].

圖4 硝酸鹽來源分析

2.3 硝酸鹽來源貢獻率

選擇降水,化肥,土壤有機氮,糞便和污水4種來源作為鄱陽湖濕地硝酸鹽的潛在的污染源.降水源中的15N-NO3-和18O-NO3-值數(shù)據(jù)采用研究區(qū)內(nèi)所采集雨水的數(shù)據(jù).化肥,土壤有機氮,糞便和污水這3種來源中15N-NO3-和18O-NO3-值在各研究中區(qū)別不大,故采用王靜等[30]研究中的數(shù)據(jù).將4種來源中15N-NO3-和18O-NO3-的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差以及每個采樣點的15N-NO3-和18O-NO3-值導(dǎo)入SIAR模型,由于3處濕地都沒有反硝化作用的發(fā)生,故SIAR模型表達式(3)中分餾系數(shù)設(shè)為0.17處采樣點的各污染源貢獻占比如圖5所示,3處濕地中硝酸鹽主要來源為降水NO3-和化肥,每處采樣點中這兩種來源在4種來源中占比達70%以上,蚌湖濕地中除B7,B8采樣點外,其余點位中降水NO3-和化肥占比程度大都接近,表明蚌湖濕地中硝酸鹽來源受降雨和農(nóng)業(yè)影響明顯,B8采樣點化肥來源占比達58.7%±34.9%,受農(nóng)業(yè)活動或人為影響最強烈,與上文的分析相吻合,再次證實該河流已經(jīng)受到農(nóng)業(yè)活動的影響.沙湖山濕地中3處點位受降雨影響最為明顯,廬山濕地硝酸鹽來源中化肥源占比程度最大,達30%～60%,與上文中離子相關(guān)性分析和NO3-濃度與Cl-濃度關(guān)系分析所得出的結(jié)論相吻合,表明廬山濕地硝酸鹽來源可能主要來源于化肥.其余來源中,土壤有機氮對3處濕地硝酸鹽來源有一定程度的貢獻作用,糞便和生活污水在所有來源中占比都超過4%,幾乎不對3地硝酸鹽來源具有影響作用,與上文分析結(jié)果相吻合,表明糞便和生活污水不是3地硝酸鹽的主要來源.

圖5 污染源貢獻率

3 結(jié)論

3.1 廬山濕地中的NH4+濃度與SO42-濃度之間相關(guān)性表明該水體可能受到氮肥的污染.3處濕地水體中的NO3-濃度情況表明濕地中氮污染程度較低.NO3-與Cl-濃度關(guān)系顯示3處濕地中硝酸鹽的來源受到農(nóng)業(yè)活動和降水的影響.

3.215N-NO3-和18O-NO3-值的關(guān)系顯示降水NO3-,硝酸鹽氮肥,氨態(tài)氮肥和土壤有機氮是3處濕地硝酸鹽的主要來源,糞便和生活污水不是主要來源.15N-NO3-值和18O-NO3-值的關(guān)系結(jié)合NO3-與Cl-濃度關(guān)系顯示3處濕地中無明顯反硝化作用的發(fā)生,同時濕地中18O-NO3-值的范圍顯示3處濕地中無明顯硝化作用的發(fā)生.

3.3 SIAR模型結(jié)果顯示3處濕地中硝酸鹽來源受降雨和化肥影響程度最大,這2種來源在4種來源中影響程度占比達70%以上,而土壤有機氮影響程度較小,糞便和污水影響程度最小.

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Hydrochemistry, nitrogen and oxygen isotope composition of nitrate to trace its source in Poyang Lake wetland.

LI Zhi-tao1,2, XIAO Hong-wei1,3*, WU Zuo-ting1,2, MA Yan1,4, XIAO Yang-ning1,2, CHEN Zhen-ping1, TAO Ji-hua4

(1.Jiangxi Province Key Laboratory of the Causes and Control of Atmospheric Pollution, East China University of Technology, Nanchang 330013, China；2.School of Water Resources and Environmental Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China；3.School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；4.School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)., 2022,42(9)：4315～4322

In order to identify the sources, transformation and source apportionment of nitrate in Poyang lake wetland, surface water samples were collected in Poyang lake wetland, including Bang lake wetland, Shahushan wetland and Lushan wetland, in January 2019, a typical dry season. The ion composition, and nitrogen and oxygen isotope values of nitrate in the water samples were determined. Results showed that therelationship between the molar ratio of NO3-to Cl-and Cl-concentration indicated the source of nitrate mainly from agricultural activities and rainfall in the three wetlands. The range of15N-NO3-and18O-NO3-values in the three wetlands were -6.19‰～4.67‰ and 3.41‰～39.95‰, -4.14‰～1.45‰ and 31.54‰～68.30‰, -6.98‰～3.83‰ and 2.80‰～30.43‰, respectively. Nitrogen and oxygen isotope values of nitrate showed that the nitrate sources may be influenced by precipitation NO3-, nitrate nitrogen fertilizer, ammonia nitrogen fertilizer and soil organic nitrogen in the three wetlands.The relationship between nitrogen and oxygen isotopes of nitrate and the ratio relationship between NO3-and Cl-suggested that there was no obvious denitrification in these wetlands. The results of SIAR model showed that thecontribution of precipitation NO3-to nitrate sources was the largest, then followed by fertilizer and soil organic nitrogen, feces and domestic sewage was the least in three wetlands.

Poyang Lake；nitrate；source；nitrogen and oxygen isotopes；denitrification；SIAR model

X52

A

1000-6923(2022)09-4315-08

2022-02-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(42063001,41663003);江西省科技計劃項目(2017BCD40010)

*責(zé)任作者, 研究員,xiaohw@sjtu.edu.cn

李智滔(1998-),男,福建三明人,東華理工大學(xué)碩士研究生,研究方向為硝酸鹽氮氧同位素.