浐河流域水-土-植物硝酸盐和氮同位素组成及氮源示踪

王 博 ，刘卫国

1.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

2.中国科学院大学，北京 100049

随着我国工农业的迅猛发展，含氮化学物质的过度排放造成了很多的环境问题，比如连年增多的氮沉降和河流等水体的富营养化，为了应对这些风险，国内研究者越来越重视氮元素在自然界中的循环过程。各种新技术的加入，使得大量硝酸盐通过人类活动（工业废水和生活污水的排放，农业化肥和农药的使用，污染物填埋，化石燃料的燃烧泄漏等）不断进入土壤，河流和地下水硝酸盐污染已成为一个普遍存在的环境问题（Choi et al，2003；李思亮等，2005；Liu et al，2006；Yang et al，2007），而经过自然界的循环过程，单一的污染源会对整个生态系统都产生污染效应，例如：水体中氮过量时会造成富营养化，使水质恶化，影响水生生物的生长及繁殖；氨或铵盐存在过量时，反而会使土壤的土质变坏，影响植物生长；氮氧化物（主要为NOx和N2O）在高层大气时会对臭氧层的破坏起到催化促进的作用。

自然界中氮原子的稳定同位素有2种：14N和15N。空气中14N和15N的相对丰度为99.6337%和0.3663%，且15N /14N比值在不同地区、不同高度恒为1/272（Junk and Svec，1958）。通常以大气氮作为标准物。氮同位素分馏能够引起自然界含氮物质δ15N值的显著差异，研究发现大多数陆地物质的δ15N组成范围为-20‰ — 30‰，例如：土壤含氮有机物经过微生物的硝化作用δ15N值在-3‰ — 10‰变化，人工合成化肥的δ15N值大多在 0 ± 3‰（Kendall，1998）；而生活污水和有机肥中的δ15N值较高，来源于污水产生的硝酸盐δ15N值在4‰ — 19‰；人畜粪便产生的硝酸盐δ15N值范围是5‰ — 25‰；大气氮沉降的δ15N值因受到大气中复杂的化学反应及各种人类活动（化石燃料的燃烧）的影响，其典型值域范围是-13‰ — 13‰。因此，可以通过对硝酸盐氮同位素的研究来大致判定土壤和水体的氮素来源。邢萌等2008年和2011年对陕西浐河和涝河河水硝酸盐氮同位素组成及其空间特征进行了研究，表明河水受污染程度从上游到下游呈增长趋势，中游主要受农业污染，下游受到工业和城市污染较重（邢萌等，2010；邢萌和刘卫国，2016）。对泾河小流域表层沉积物和水体的氮同位素研究有助于加深理解黄土高原土壤侵蚀和生态环境的变化（Liu and Xing，2012；孙璐萍等，2013）。土壤和植物氮同位素组成对环境的响应研究一直是人们关心的问题（Handley et al，1999；Amundson et al，2003；Wang et al，2014；Liu et al，2017）。植物氮同位素值（δ15N）在一定的时间和空间上能够综合反映氮循环特征，为理解生态系统中的氮循环提供有用的信息（Robinson，2001；Koba et al，2003）。影响植物氮同位素的因素很多，其中随着海拔梯度的变化，除引起土壤δ15N、土壤母质等的变化外，还引起了温度、降雨量、大气CO2等环境因素的变化，这些因素的变化会通过影响土壤氮循环，进而影响土壤δ15N，最终对植物δ15N产生影响，但是国内外研究得到的结果存在分歧，大多数研究发现植物δ15N值随海拔的升高有减小的趋势（Billings et al，2002；Amundson et al，2003；Craine et al，2009）。

前期关于浐河流域稳定氮同位素的研究主要集中于对河水的硝酸盐的研究和污染源的追踪。而同时对河水-表土-植物进行硝酸盐氮同位素的研究很少，因此对河水、土壤和植物之间的相互作用是很少触及的。本文利用硝酸盐氮同位素技术，对浐河流域进行调查研究，从源头到与灞河汇聚处进行采样。通过分析不同地点的表层土壤硝酸盐、河水硝酸盐和植物样品的δ15N值及浓度的变化，并对比实验室2008年和2011年对浐河河水的研究，可以识别分析水-土-植物含氮物质的来源，并且可以初步研究河水、土壤和植物之间的相互作用，为浐河流域生态监测和管理提供一定的理论依据。

1 研究区域概况

浐河是关中地区重要的河流，最终与灞河交汇后流入黄河的最大支流——渭河（图1）。浐河位于西安市的东郊，是灞河最大一级支流。浐河源出蓝田县西南秦岭北坡汤峪乡之南，海拔2197 m的秦岭紫云山南的月亮石西侧，最终汇入渭河。浐河全长64.6 km，流域面积760 km2。流域属于暖温带大陆性季风季候，四季分明，多年平均气温13.3℃，多年平均降水量744.47 mm（宋德明等，1988）。西安市2006 — 2012年农业化肥使用量从69.7×104t增长到 80.8×104t，其中蓝田县 2012 年农业产值达到了24.45亿元，长安区达到30.06亿元；2012年工业总产值蓝田县和长安区分别达到21.73亿元和122.60亿元；2012年第三产业总产值蓝田县达到36.07亿元，长安区有150.8亿元（西安市统计局和国家统计局西安调查队，2013）。而在2010年蓝田县和长安区第三产业总产值分别为27.21亿元和112.67亿元（西安市统计局和国家统计局西安调查队，2011）。农业化肥使用的增加对生态系统有很多不利影响，例如：过多的氮磷元素排放造成地下水和地表水硝酸盐含量过多；土壤微生物的固氮作用可以将空气中氮气转化为氮化合物（如氨硝酸盐），供植物作养分，然而过量氨或铵盐的存在，会使土壤的土质变坏，反有害于植物生长。旅游业的快速发展也势必会产生一些环境污染问题。

本文选取从接近浐河源头的汤三村，沿浐河流域直至与灞河交汇区域采样研究。全面概括了浐河流域的上中下游。实地采样发现：在森林区（C-1，C-2），自然环境舒适，河水清澈，旅游业发达，流域旁农家乐遍布；在农耕区（C-3 — C-5），农业发达，河水逐渐浑浊，选取两片玉米地和一处鱼塘周围采样；在城市区（C-6，C-7），进入城市区域，住宅居多，建筑工地比较多。对比2008年和2011年，整个浐河流域周边工厂全部关停，沿途没有发现排污口。除城市区，河流其他区域沿岸植物覆盖率很高。

图1 浐河采样点位置示意图Fig.1 Map of the Chanhe River showing the location of the sampling sites for river waters

2 样品采集和分析方法

本研究于2017年9月从浐河源头采样至与灞河交汇处，共有样点河水样品6个，土壤样品7个和植物样品7个，所有样点均以GPS定位。野外采集河水样品每个取1.5 L并迅速运回实验室。水样过0.4 μm Whatman滤膜，过滤后的水样在4℃下冷藏保存，用于测定硝酸盐δ15N。采样完成24 h内，取适量河水样用离子色谱仪（DionexICS-1000）测定Cl-、、、浓度。土壤样品每个样点取两份表土样品，现场过2 mm的筛，迅速运回实验室后在-20°的条件下冷冻保存，在两周内用饱和CaSO4溶液浸提并采用离子交换色层法，测量土壤中-N含量和其δ15N-值。植物样品采集，对于不同的采样点，就近（20米内）采取1 — 2种能够代表该采样点生态环境的植物，运回实验室后风干，将植物各个部位均剪取一部分混合均匀，酸处理后，在玛瑙研钵中粉碎后用于测量植物体氮同位素。水体-N含量采用离子色谱测量，δ15N-值测量方法采用改进的阴离子交换树脂法（Xing and Liu，2011）。土壤样品-N含量用离子色谱测量，δ15N-值采用阴离子树脂法处理测试（胡婧和刘卫国，2012；Hu and Liu，2014）。氮同位素测定选用的是中科院地球环境研究所，稳定同位素实验室所拥有的EAIRMS同位素质谱仪。待仪器稳定后测定开始，测定过程中，首先将用银舟包裹好的样品放进自动进样器中，随着软件的设定，依次经过氧化炉和还原炉，在氧化炉1000℃的环境下样品被氧化成气态形式，进而经由650℃的还原炉还原为测定需要的N2。仪器进一步分离后的N2在质谱仪中分析得到样品硝酸盐δ15N值，同位素值用千分比来表示。本实验方法的标准物质由两个国际上公认通用的参考标准IAEA-N3（δ15N = 4.70‰）、USGS-25（δ15N = -30.4‰），配合本实验室标定的SN-2（δ15N ≈ 5.2‰）、KNO3（δ15N = 6.2‰）， 以 此 来检测实验仪器良好的稳定性和实验精度，实验标准偏差为±0.3‰。测量6个样品的同时加入一个标准样品，用标准样品是否出现偏差来保证实验的准确。

3 结果与讨论

3.1 土壤-N含量及δ15N-值变化

土壤中不同来源的硝酸盐δ15N值不同。图2可以看出，在上游C-1和C-2，土壤δ15N-明显偏负，分别是-5.7‰和-5.9‰。在中游农耕区C-4点，土壤δ15N-值达到38.0‰，在这片玉米地旁发现了粪肥，这与前人研究一致，人畜粪便由于氨的挥发，使贫15N的NH3优先挥发后留下富15N的，再由此富15N的硝化形成的而富集15N（Högberg，1997）。

3.2 植物氮同位素变化

海拔变化会引起土壤δ15N、温度、降水、大气CO2等环境因素的变化，这些因素的变化会通过引起土壤δ15N值来影响植物δ15N值的变化。关于植物δ15N值与海拔的关系，国内外已经进行了较多的研究（Jacot et al，2000；刘晓宏等，2007；刘贤赵等，2009），但是得到的结果存在分歧。关于植物δ15N与温度之间的关系，研究结果并不一致，一部分研究发现随着温度升高，植物δ15N值变负。而多数研究发现，随着温度升高，植物δ15N值有变正的趋势。刘晓宏等研究得到东非大裂谷埃塞俄比亚段内C3植物的δ15N与年均温度极显著正相关，年均温度每增加1℃，植物叶片δ15N偏正0.5‰。植物δ15N与降水之间的关系的研究，表明很多区域都发现植物δ15N值随年均降水量的降低而增大，即干旱地区的δ15N值大于湿润地区（Swap et al，2010；Wang et al，2010）。

表1 浐河土壤和植物氮同位素组成Tab.1 Soil and plant nitrogen isotope composition of Chanhe samples

图2 土壤硝酸盐含量及氮同位素变化Fig.2 Nitrate content and nitrogen isotope variation in soil samples

由表1可知浐河沿岸植物δ15N值变化范围在-2.1‰ — -4.6‰。由图3可发现植物δ15N值随着海拔升高呈现变负的趋势。在本研究区，从浐河森林区到浐河城市区，海拔逐渐降低，温度逐渐升高，降水逐渐减少。这两个因素可能是导致植物δ15N值随海拔变负的原因。土壤中硝酸盐也是影响植物氮同位素的重要因素。在C-3和C-4点土壤硝酸盐浓度明显高于其他地点，其δ15N-值也明显偏正。而在植物氮同位素变化过程中并没有发现这两个地点存在特殊的变化，这与之前用温度和降水解释植物硝酸盐变化趋势存在矛盾。

图3 植物氮同位素变化Fig.3 Nitrogen isotope variation in plant samples

3.3 河流-N含量及δ15N-值变化

表2 浐河河水硝酸盐氮同位素组成及对比Tab.2 Hydrogeochemical parameters and isotopic analysis of Chanhe water samples

浐河δ15N-变化范围为 -1.4‰ — 2.1‰。图4可以看出河流硝酸盐氮同位素呈现从上游到下游逐渐升高的趋势。Xing and Liu（2016）和Yue et al（2014）对中国泾河流域和松花江流域的研究表明：河水硝酸盐浓度及同位素组成受沿河土地利用类型及人类活动影响巨大。浐河源头河水发源于秦岭山间，植被覆盖较好，因此水体中同位素组成整体偏负。C-2点δ15N-明显低于同源头区的C-1，是因为近几年源头旅游业发展迅速，C-1会受到更多的生活污水等人为污染，而C-2选在浐河小支流，远离人类活动，因此同位素组成更为偏负。中游地区C-3和C-4河水δ15N-明显变正，可能是两岸农业活动中使用的肥料和农药残留物随着雨水冲刷进入河道，因此导致氮同位素值逐渐偏正。在浐河下游，C-5和C-6河水δ15N-都相对偏正，与农耕区相差不大，可能因为下游的硝酸盐主要来源于处理过的生活污水。

图4 水样硝酸盐浓度及氮同位素值变化Fig.4 Nitrate concentration and nitrogen isotope variation in water samples

对比邢萌等2008年和2011年对浐河的研究，发现相比于之前的研究，此次研究C-1 — C-5河水硝酸盐含量明显高于之前两年（图5a），但在城市区C-7明显低于2011年。图5b可以看出C-1 — C-5 河水 δ15N-相较之前均表现出变负的现象，而C-7则明显低于2008年和2011年。上游地区的变化可能与源头区近几年发展迅速的旅游业有关，旅游业会带来更多的人为干扰，增加源头生活污水的排放，而生活污水对河水硝酸盐含量和δ15N-均有影响。农耕区化肥和粪肥的使用连年增加，也必然会产生更多的氮素，经过自然环境的转化，会对浐河硝酸盐含量和δ15N-的变化有一定的影响。相对于2008年和2011年的研究，此次采样在浐河沿途并未发现造纸厂及可能会产生污染的工厂和未处理的排污口。因此这可能是下游地区硝酸盐含量并未增多的原因，减少的工业污染使得水体δ15N-明显变负。这说明前些年疏于管理的工业污染对浐河硝酸盐影响是巨大的，而近几年对浐河流域的整治对氮素的变化起了很重要的作用。

图5 水样氮同位素变化和硝酸盐含量对比Fig.5 Comparison of nitrogen isotope variation and nitrate content in water sample

城市区工业废水和生活污水的大量排放可能导致氮素及Cl-和离子浓度升高（Yue et al，2013）。氯在自然界中是相对稳定的元素，其可能来源包括农用钾肥，动物粪便，生活污水等，因此氯元素可以作为指示污染源的元素（Mengis et al，2010）。由表2可以看出，相对于2011年，此次采样Cl-和的变化比较小，尤其在下游地区，邢萌等2011年对浐河的研究发现，相比于上游地区，Cl-和离子浓度均有成倍的增长。由此可以推断出近几年对浐河城市区的整治效果显著，水体氮素及Cl-和离子均明显下降。

4 结论

通过2017年9月对浐河流域河水-土壤-植物的硝酸盐氮同位素组成的研究，并对比2008年和2011年对浐河水样的研究得到以下结论：

（1）对土壤的硝酸盐含量及δ15N-值的研究发现，不同的土地利用类型是使其产生变化的重要原因。土壤硝酸盐含量表现出：农耕区＞森林区＞城市区。土壤δ15N-值表现出：农耕区＞城市区＞森林区。

（2）此次研究结合河水硝酸盐浓度和δ15N-值，可以发现浐河上游地区的迅速发展旅游业对河水有一定的污染，中游农业地区由于施肥的因素会对河水产生污染，而下游地区的主要污染源可能是生活污水。对比2008年和2011年对浐河河水的研究，发现上游地区硝酸盐浓度有明显增高的趋势，而下游地区有所降低。这可以归因于上游旅游业的迅速发展和下游城市区的整治。