运用氮、氧双同位素技术研究永安江硝酸盐来源

吴文欢,何小娟,吴海露,王欣泽，沈 剑

(上海交通大学环境科学与工程学院,上海 200240)



运用氮、氧双同位素技术研究永安江硝酸盐来源

吴文欢,何小娟①,吴海露,王欣泽，沈 剑

(上海交通大学环境科学与工程学院,上海 200240)

以洱海入湖河流永安江为研究对象，利用硝酸盐δ15N和δ18O双同位素技术对永安江水体的硝酸盐氮来源进行识别。在永安江沿程共布置9个监测点，分析硝酸盐的污染特征，并利用离子交换树脂法对水样进行预处理后测试硝酸盐δ15N和δ18O。结果表明，永安江硝酸盐氮源负荷占永安江总氮源污染的50%左右，各采样点ρ(硝酸盐)为0.07～5.22 mg·L-1，均值为1.00～2.39 mg·L-1。经同位素测试，各采样点δ15N-NO3-均值为6.12‰～13.88‰，δ18O-NO3-均值为8.24‰～11.72‰；永安江河水中硝酸盐主要来自于流域内化学肥料、牲畜粪便、生活污水和土壤有机氮硝化；利用IsoSource混合模型对4种形态的硝酸盐来源进行定量分析，发现化学肥料占37.3%，牲畜粪便占34.6%，村落污水占18.2%，土壤有机氮占9.9%。利用IsoSource混合模型可为河流硝酸盐来源定量研究提供新的研究思路，硝酸盐贡献比例与河流流经村落位置及土地利用类型有关。

永安江；硝酸盐污染；氮氧同位素；来源示踪；IsoSource模型；污染贡献率

洱海是云南省第2大湖泊,是大理饮用水水源地和重要的旅游资源,随着洱海流域近些年来大蒜等经济作物种植量的不断扩大和牲畜养殖业的兴起,大量化肥和牲畜粪便排放对洱海造成的污染越来越大,尤其是硝酸盐氮的污染,常年监测数据显示部分入湖河流中ρ(硝酸盐)已达11.61 mg·L-1,超出GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值(10 mg·L-1)。识别入湖河流中硝酸盐氮的主要来源是控制氮污染的前提。通常采用统计学手段估算氮从陆地迁移至水体的量,即较多地采用水质理化指标、土地利用类型、人口数量、化肥使用量和牲畜数量等来估算氮排放量的方法[1-2]。但这种方法可能存在资料不完善、统计不准确的问题,且流域内硝酸盐氮有多种来源,不同污染源会受到迁移转化过程中多种因素(地形、转移途径、处理工艺)的影响,使得氮在流域及水体中的迁移转化过程非常复杂,不同区域的非点源污染随着人口密度和土地利用方式不同也存在较大差异[3]。因此,笔者采用硝酸盐氮氧双稳定同位素溯源技术来识别硝酸盐的污染状况,可以弥补统计学手段调查的局限性,为硝酸盐的污染控制提供重要技术手段。该方法在国内外多被应用于地下水、海洋等水体[4-5],应用于地表水研究还较少[6-11]；且大多数研究是基于硝酸盐氮氧稳定同位素进行的定性分析,定量研究较少[12]。以洱海流域永安江为研究对象,利用硝酸盐δ15N和δ18O值对永安江水体中硝酸盐的主要潜在来源进行识别,并结合Iso-Source混合模型对污染源进行定量分析。该研究将流域内的村落污水、牲畜粪便、化学肥料和土壤有机氮等作为1个系统来分析,可为永安江流域氮污染的控制、治理提供科学依据。自然界中氮元素的稳定同位素有15N和14N 2种,其氮原子中15N和14N的相对丰度分别为0.366 3%和99.633 7%。而氧原子的稳定同位素有16O、17O和18O 3种,其相对丰度分别为99.759%、0.037%和0.204%[13]。

样品中的的同位素比值通常用它与某一标准物质的同位素比值的千分差δ值来表示,其定义式如下:

δ=[(Ra-Rs)/Rs]×1 000。

(1)

式(1)中,δ为同位素比率;Rs为样品中15N/14N或18O/17O的比值;Ra为大气氮和维也纳海水中的15N/14N或18O/17O的比值。

氮在自然界循环过程中会发生矿化、同化、硝化和反硝化作用等一系列生化反应,均会导致氮同位素发生分馏作用,因此不同来源的硝酸盐δ15N值会有所差异[14]。同样,硝酸盐中氧的同位素值δ18O也受到不同来源的影响,具有不同的同位素值,这是氮源来源识别的理论基础。此外,不同硝酸盐氮源具有不同的稳定同位素值,且具有一定的规律性,进入水体后保持相对的稳定性,因而可以利用δ15N和δ18O同位素的特征值,溯源水体硝态氮。目前多数学者利用不同氮源中硝酸盐的氮氧稳定同位素δ15N和δ18O值的特征值来识别水体中的硝酸盐来源,进行定性分析。大量的研究和文献表明,不同氮源来源的硝酸盐δ15N和δ18O值范围如下:由无机化学肥料产生的δ15N值为-6‰～6‰,δ18O值为17‰～25‰[15];由牲畜粪便产生的δ15N值为5‰～25‰,δ18O值为-5‰～7‰[16];由生活污水产生的δ15N值为4‰～19‰,δ18O值为-5‰～10‰[17];土壤中有机氮矿化产生的δ15N值为-3‰～8‰,δ18O值为-10‰～10‰[15]。

1 研究区概况

永安江流域位于洱海北部,是洱海流域的一部分,地处北纬25°25′～26°16′，东经99°32′～100°27′,位于澜沧江、金沙江和元江3大水系分水岭地带,属澜沧江—湄公河水系,河流全长18.35 km,流域总面积约110.25 km2,多年平均径流量为0.38亿m3,占洱海多年平均径流量的5.2%。流域内村落密集,人口众多,农田数量大,流域总人口34 975人,占洱海流域总人口的4.2%。流域内工业较少,牲畜养殖和种植业较为发达。永安江是洱海流域典型的河流,流经农田、村落等多种土地利用类型,因而掌握永安江流域的污染状况并加以控制可以削减洱海氮污染负荷。

2 样品采集与测试方法

2.1 样品采集

如图1所示,根据研究区域河流流经区域土地利用类型、村落等情况,在永安江共布置9个点,分别为下山口(Y1)、三枚村(Y2)、大花园(Y3)、大树营湿地入口(Y4)、簸箕村(Y5)、文笔湖(Y6)、青索(Y7)、江尾(Y8)和洱海入湖口(Y9)。用采样器在永安江河流中间取水面下0.5 m深水样,用高密度聚乙烯塑料采样瓶取样密封,测定总氮(TN)、硝态氮(NO3-)、氨氮(以NH4+计)、氯离子(Cl-)浓度等化学指标,其中总氮浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外线分光光度法(HJ 636—2012)、硝态氮浓度采用紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)、氨氮浓度采用水杨酸分光光度法(HJ 536—2009)、氯离子浓度采用硝酸银滴定法(GB 11896—89)测定。现场使用便携式溶氧仪(HACH-HQ30d)进行溶解氧(DO)、温度等测试。另外，使用10 L高密度聚乙烯塑料桶取水样,密封、冷藏运回实验室进行同位素样品预处理。采样时间为2015年2—5月,采样频率为每月2次,共采样8次。此外,对流域内所使用的化肥、牲畜粪便、土壤、村落生活污水采样,其中所采化肥样品为当地氮肥和复合肥,按当地使用量配比混合〔w(氮肥)=60%,w(复合肥)=30%)〕,用去离子水浸泡24 h,预处理方式与水样一致,共采样6次;牲畜粪便和土壤按照每月2次的频率共采样8次,同样使用去离子水浸泡24 h,放置摇床6 h,过滤后与水样处理方式一致。预处理后的样品供硝酸盐δ15N和δ18O同位素值测试用。

Y1—下山口;Y2—三枚村;Y3—大花园;Y4—大树营湿地入口;Y5—簸箕村;Y6—文笔湖;Y7—青索;Y8—江尾;Y9—洱海入湖口。

2.2 样品的测试方法

同位素测试的预处理采用离子交换树脂法[18-20]。

δ15N测试预处理:带回实验室的水样用0.45 μm孔径的聚碳酸酯膜过滤,取国产强碱201×7(701型)苯乙烯氯型阴离子交换树脂6 g置于树脂柱中,过滤后的水样通过蠕动泵控制流速8.33～16.67 mL·min-1,通过阴离子交换树脂柱对硝酸根离子进行富集,并用15 mL 3 mol·L-1的盐酸分5次洗脱离子交换树脂,在洗脱液中分多次加入总量为6.5 g的过量Ag2O(在水浴中进行),充分搅拌,中和混合液pH值为5.5～6.0,过滤去除中和液中沉淀的AgCl,过滤后的约为40 mL的硝酸盐溶液收集于塑料杯中,将其分成2份,一份放在冷冻干燥机(SCIENTZ-12N)中冻干成AgNO3粉末,避光保存,用来测试δ15N；另一份进行同位素氧测试的预处理。

δ18O测试预处理:为了去除其他含氧离子(PO43-、CO32-和SO42-等)对于测试的影响,在AgNO3中和液中加入3 mol·L-1BaCl2溶液,置冷藏过夜后,将其形成的沉淀过滤去除,然后再通过阳离子交换树脂(001×7,H+型树脂)去除过多的Ba2+,再加入Ag2O中和后去除沉淀,确保pH值为6左右,然后在滤后液中加入一定量的活性炭并不断搅动除去溶解有机质,最后在冻干机中冻干成AgNO3粉末。

预处理后的样品在国家海洋局第三海洋研究所进行δ15N和δ18O值测试。测试仪器是Thermo Fisher公司的元素分析仪-稳定同位素质谱仪联机(Flash EA 1112 HT-Delta V Advantages)。δ15N值的测试是利用氦气(He)作为载气,流速为90 mL·min-1,在反应管温度为960 ℃、色谱柱温度为50 ℃条件下,将样品中的氮转化为氮气测试δ15N;δ18O的测试同样使用氦气作为载气,流速为90 mL·min-1,在高温裂解管温度1 400 ℃、色谱柱温度85 ℃ 条件下,将样品中的氧转化为CO2测试δ18O[21]。δ15N和δ18O值分别以大气氮(AIR)和大洋海水(SMOW)国际标准作为参考标准,δ15N和δ18O 值的分析精度均为±0.3‰,能满足该研究的精度要求。

2.3 IsoSource模型

IsoSource模型是以质量平衡混合模型为基础,开发用于计算源头值超过n+1(n为多种同位素值)的潜在贡献比例,最初主要应用于食物网、植物水分供给的研究[22-23]。在该模型中,在一定增量范围内,使用标准线型混合模型来模拟每一种可能污染比例(和为1),模型在混合计算中满足同位素质量守恒,通过测试的同位素值信息来确定混合物各部分的比例范围,因而同样可以用来估算各种硝酸盐来源对河流硝酸盐污染的贡献率,计算出的每个解代表了一个资源百分比的组合。在软件中设置好模型的增量参数(increment)和容差参数(tolerance),模型利用迭代方法计算出水样中不同污染来源所占贡献率的概率分布图,并给出所有来源计算结果的平均值。不同来源所有可能的百分比组合则按下式计算[12]:

式(2)中，i为增量参数；s为污染源数量。该模型可以将各种潜在污染源贡献的可能组合都显示出来。将各个组合中模拟出来的各比例结果相加,如果相加之和的值在设定的容差范围之内(如±0.01),即可认为该模拟的组合值是合适的解[24]。

3 结果与分析

3.1 永安江流域硝酸盐氮污染状况

从硝酸盐监测结果看,永安江流域硝酸盐氮约占总氮的50%,是主要的氮源成分,在监测期间ρ(硝酸盐)为0.01～5.01mg·L-1(图2),均值为1.07～2.97mg·L-1,总体来说硝酸盐浓度从上游到下游呈下降趋势,这可能与近年来当地政府对永安江河道进行了一系列的整治有关,尤其是在河水流经流域中部的大树营湿地后,河水中硝酸盐浓度减少近一半。Y5样点硝酸盐浓度较高,可能原因是该采样点与村落居民生活区(距离2m)和农田尾水排出口非常接近。

从硝酸盐氮氧同位素值的测试结果来看(表1),硝酸盐δ15N值为8.03‰～13.88‰,各采样点均值分别为8.24‰～11.72‰,其中Y3的δ15N均值最低,Y2的δ15N均值最高,这表明Y2牲畜粪便养殖污染较大。δ18O值为8.17‰～17.65‰,各采样点均值分别为10.60‰～13.76‰,其中Y3的δ18O均值最低,Y7最高,可能是因为Y7人口较密集,受生活污水的污染增大,而且能看到Y7采样点的ρ(Cl-)(均值27.92mg·L-1)较其他采样点较高,这也从侧面反映出该点受村落污水污染较其他采样点严重。

Y1—下山口;Y2—三枚村;Y3—大花园;Y4—大树营湿地入口;Y5—簸箕村;Y6—文笔湖;Y7—青索;Y8—江尾;Y9—洱海入湖口。

表1 永安江采样点水化学指标及硝酸盐氮、氧同位素

Table 1 Chemical indices,15N-NO3-and18O-NO3-in the water samples collected from the Yongan River at the sampling sites

采样点ρ(DO)/(mg·L-1)ρ(NH4+)/(mg·L-1)ρ(TN)/(mg·L-1)ρ(NO3-)/(mg·L-1)ρ(Cl-)/(mg·L-1)δ15N-NO3-/‰δ18O-NO3-/‰Y17.55±0.510.22±0.205.57±3.972.22±1.0712.00±4.428.65±0.7412.07±0.62Y25.77±1.530.43±0.264.42±3.032.39±1.2810.85±3.129.72±1.1113.42±1.02Y38.04±0.990.26±0.134.88±2.492.09±0.8620.42±9.538.24±1.8510.60±2.51Y47.35±0.650.33±0.214.32±1.772.01±0.9321.66±11.225.84±1.5813.88±3.41Y59.54±4.070.26±0.244.69±1.812.91±1.2036.11±20.889.25±1.1116.00±0.34Y69.52±1.930.22±0.222.86±1.321.07±0.6720.91±17.048.67±3.1611.75±3.11Y75.19±1.500.17±0.132.67±1.411.00±0.5227.92±15.477.77±1.7513.76±1.47Y86.40±1.540.15±0.143.10±1.781.11±0.7319.66±16.969.23±2.9615.77±0.57Y96.35±1.730.09±0.062.65±1.861.34±0.6522.91±18.288.13±1.7115.52±0.65

数据为平均值±标准差。Y1为下山口;Y2为三枚村;Y3为大花园;Y4为大树营湿地入口;Y5为簸箕村;Y6为文笔湖;Y7为青索;Y8为江尾;Y9为洱海入湖口。

3.2 定性分析

利用硝酸盐氮氧双同位素识别河流中的硝酸盐来源,是基于硝酸盐氮进入水体保持一定的稳定性,但实际研究中氮是一种易分馏的元素,且反硝化是影响氮稳定同位素的主要影响因素。反硝化改变了硝酸盐来源同位素的组成,会影响最终的溯源结果,因此识别河流中硝酸盐是否发生了反硝化作用是识别硝酸盐来源的前提。有研究表明,反硝化将导致δ15N和δ18O均在硝酸盐中富集,如果δ15N与δ18O之间存在一种结余为1.3∶1～ 2.1∶1的线性富集比例关系,表明可能存在着一定的反硝化作用[25]。此外,当水体中ρ(DO)超过3.1 mg·L-1,则不利于反硝化作用的发生[26]。整个采样期间各采样点ρ(DO)为3.42～13.33 mg·L-1(平均值为7.49 mg·L-1),可以确定污染源进入水体不发生反硝化作用,从表1可以看出δ15N与δ18O的比值不存在1.3∶1～2.1∶1区间内的线性比例关系,因而可以确定河流中几乎不存在反硝化作用。

将采样测试的同位素数据布置在同位素值典型值分布图(图3)中,可以看出,各采样点δ15N-NO3-和δ18O-NO3-的值主要集中在化肥或者牲畜粪便及污水区域或者其附近,结合污染源调查情况,确定永安江河流的硝态氮污染主要来自于化学肥料、牲畜粪便、村落污水和土壤有机氮。对上述这4种来源进行同位素值测试,结果如表2所示。

3.3 定量分析

经过IsoSource模型计算,该研究所得的2—5月各采样点硝酸盐各污染源比例如表3所示。通过IsoSource混合模型计算的结果显示,3—4月变化不大,主要原因可能是洱海流域在该时段内为旱季,但5月各污染来源变化较为明显,其中化肥和牲畜粪便对于硝酸盐贡献比例明显上升。通过实地采样也发现,5月初为洱海流域的水稻种植季节,农民会对农田利用牲畜粪便和化肥进行泡田,因而该时间段内化肥和牲畜粪便的占比有较为明显的上升,这与试验数据相吻合。

图3 不同硝酸盐来源的δ15N和δ18O典型值与样品值分布

表2 永安江流域潜在硝酸盐氮氧同位素组成比例

Table 2 Isotopic composition of potential nitrate sources in the Yongan River basin

来源δ15N-NO3-δ18N-NO3-化学肥料2.01±0.1220.10±3.21生活污水8.01±1.218.74±1.98牲畜粪便19.98±2.109.92±1.82土壤有机氮2.87±0.212.03±0.21

表3 永安江河流硝酸盐污染来源比例定量计算结果

Table 3 Ratio of the contributions of nitrate pollutant in the Yongan River from various sources

%

“—”表示该同位素值没测出。Y1为下山口;Y2为三枚村;Y3为大花园;Y4为大树营湿地入口;Y5为簸箕村;Y6为文笔湖;Y7为青索;Y8为江尾;Y9为洱海入湖口。

4 结论

1)永安江河水中硝酸盐氮污染占总氮污染的50%,在永安江上游(大树营湿地以上)ρ(硝酸盐)超过2 mg·L-1,经过大树营湿地处理净化后,硝酸盐浓度下降50%左右。

(2)根据IsoSource混合模型计算结果,就所有采样点4个月份的均值来说,永安江硝酸盐来自于化学肥料、牲畜粪便、村落污水和土壤有机氮的比例分别为37.3%、34.6%、18.2%和9.9%。从各个采样点来看,硝酸盐来源贡献比有所差异,其中化肥占比为27.1%～56.0%,其次是牲畜粪便,占13.1%～56.0%,村落污水和土壤有机氮分别占5.0%～35.2%和2.0%～16.4%,河流中硝酸盐来源与土地利用类型及村落位置有关。

(3)永安江硝酸盐污染源及贡献比例各季节有所不同。5月化肥和牲畜粪便污染贡献比例较其他3个月有所增加。

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(责任编辑： 陈 昕)

Identification of Sources of Nitrate in the Yongan River With Isotopic Technology.

WU Wen-huan, HE Xiao-juan, WU Hai-lu, WANG Xin-ze， SHEN Jian

(School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

A case study of the Yongan River, a major inflow of the Erhai Lake, was conducted to identify sources of nitrate-N in the river water with the15N-NO3-and18O-NO3-double isotope technique. Along the river, 9 monitoring sites were set up, responsible for characterizing nitrate pollution of the water, and measuring nitrate15N-NO3-and18O-NO3-in the water samples after treatment with ion exchange resin. Results show that the nitrate sources along the Yongan River are responsible for about 50% of the total nitrogen pollution load in the water. Nitrate concentration in the water samples at the monitoring sites varied in the range of 0.07-5.22 mg·L-1, with mean being in the range of 1.00-2.39 mg·L-1. The isotope test reveals that the mean15N-NO3-of the water samples at the monitoring sites ranged from 6.12‰ to 13.88‰, and the mean18O-NO3-did from 8.24‰ to 11.72‰. The findings demonstrate that the nitrate pollutant in the river comes mainly from chemical fertilization, livestock manure, domestic sewage, and nitrification of organic nitrogen in the soil in the valley. Quantification of contributions of the four sources with the IsoSource mixing model tells that 37.3% was attributed to chemical fertilization, 34.6% to disposal of livestock manure, 18.2% to discharge of rural domestic sewage and 9.9% to nitrification of organic nitrogen in the soil. The experiment shows that the use of the IsoSource mixed model to quantify sources of nitrate pollutant in the river may provide future studies with a new train of thought and that ratio of the contributions of the sources to the total nitrate pollutant in the river is related to location of the villages the river runs through and type of land use therein.

Yongan River;nitrate pollution;nitrogen and oxygen isotope;source tracing;IsoSource model;pollution contribution rate

2015-08-25

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07105-003);上海交通大学青年教师启动计划(13X100040042)

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1673-4831(2016)05-0802-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.017

吴文欢(1988—),男,安徽枞阳人,硕士生,主要从事湖泊河流生态修复研究。E-mail: wenhuanwu@foxmail.com

① 通信作者E-mail: hexiaojuan@sjtu.edu.cn