氮氧同位素在铁岭市河流氮来源解析中的应用研究

白伟锋

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

从铁岭市历年水功能区监测情况可以看出，铁岭市河流水质状况表现为逐年改善趋势。主要水功能区监测断面在2008年以前水质类别多为Ⅳ～劣Ⅴ类，主要超标项目为COD和氨氮[1-3]。2008年以后，超标因子主要是氨氮。其中污染最为严重的是招苏台河和其支流条子河，这2条河流的水功能区水质均不达标[4]，不能满足水功能区对水质的要求。

通过对近些年铁岭市不达标水功能区的评价发现，氨氮是现在主要的污染指标，不论是超标倍数，还是超标频次。

1 研究范围

本次研究选用了铁岭市22条河流及其支流上的52个水质监测断面，分析评价铁岭市的河流水质现状。根据铁岭市河流分布情况，共划分为招苏台河、亮子河、清河、中固河、柴河、凡河和长沟河7个流域[5]，7条河流为辽河的一级支流。

研究区域涵盖铁岭市区、调兵山市、昌图县、开原市、西丰县、清河县等地区。断面根据研究需要，在河流典型河段或者依据上下游位置、跨境情况等进行设置。研究河流及监测断面的空间位置如图1所示。

图1 铁岭市河流及水质监测断面情况

2 河流氨氮污染现状评价与分析

2.1 河流氨氮污染现状评价

通过对铁岭市22条河流52个断面的水质评价，氨氮单因子污染指数在0.1～10.5之间，超过42%的断面氨氮单因子污染指数大于1。结合各监测断面所在河流的水功能区水质目标，柴河、凡河、中固河、清河及其支流寇河、碾盘河3个水期(丰、枯、平)水质均满足各自水功能区水质要求。条子河、万泉河、小河子河、小清河上布设的水质监测断面全年水质类别均为Ⅴ或劣Ⅴ类，氨氮超标严重。其它一些河流，3个水期(丰、枯、平)水质变化较大：枯水期氨氮超标较为严重，如辽河干流、东辽河、西辽河、二道河、亮子河，丰水期水质为Ⅱ或Ⅲ类水，枯水期水质类别为Ⅳ～劣Ⅴ类详见表1。统计表明，枯水期水质类别为Ⅴ及劣Ⅴ类的河流数量明显高于丰水期未超Ⅲ类水质的河流数量。

注：表中进行超标评价时采用的是断面所在河段的水功能区划水质目标。

2.2 河流氨氮污染分析

经过上面的评价可以看出，水质污染较为严重的河段主要分布在农业种植区和城镇居住区，比较符合铁岭市土地利用情况。例如，受开原市庆云堡镇生活和工业污水影响的亮子河下游河段水质较差。同时可以看出，河流氮来源与河段所处的地理位置也有很大的相关性，例如，王河、中固河和万泉河这几条河的河段主要流经乡镇和农村，流经的区域受人类活动影响较大。在城镇乡村的部分河段，氮的主要来源是畜牧养殖和生活污水。但也存在一些水质监测断面与氮来源不对应的情况，例如凡河和清河的河段上游主要是林地和农业种植区，分析表明其氮的来源受生活污水和养殖影响较大。通过以上分析可以看出，人类活动对铁岭市河流氮污染影响较大。

3 铁岭河流氮来源解析

3.1 氮氧同位素氮来源解析原理

氮的2种稳定同位素由14N和15N组成，在氮原子中占的比例分别为99.64%和0.36%。15N在空气中的平均丰度一般是恒定的，15N/14N值为1/272。常以相对于大气氮(N2)的千分偏差来表示含氮物质的N同位素组成：

δ15N=[(15N/14N)样品/(15N/14N)N2-1]×1000

(1)

氧的3种稳定同位素由16O、17O和18O组成，其对应的丰度分别是99.76%，0.04%和0.20%。稳定氧同位素组成分别以18O/16O和17O/16O的形式表示，用δ表示[6]。

工业和生活污水、生活垃圾、牲畜排泄物、化学肥料、大气沉降和降水等是河流水体中的主要氮来源[7]。水中不同来源的氮，其稳定同位素组成表现出特定的范围见表2，因此成为判识氮素来源的有效指标。目前国内外多采用硝酸盐中氮、氧双同位素示踪法确定水体中氮的来源[8-10]。

表2 δ15N、δ18O在不同来源氮中的分布范围

3.2 铁岭市河流主要氮源解析

铁岭市河流水体中硝态氮δ15N最小值为+8‰，最大值为+20‰，均值+9.7‰，δ18O最小值为-10‰，最大值为+10‰，均值+1.8‰。硝酸盐氮氧同位素δ值在铁岭市河流上分布情况如图2所示。

图2 硝酸盐氮氧同位素δ值在铁岭市河流上分布情况

根据图2，对各个水期氮源进行了分析研究，见表3。人畜排泄物、工业和生活污水是铁岭市河流水体中氮的主要来源。其中，亮子河和前马河等11条河流硝酸盐氮δ15N分布区间为+10.1‰～+23.8‰，δ18O分布区间为-9.9‰～17.2‰。主要污染源为人畜排泄物；东辽河、清河和柴河等8条河流硝酸盐氮δ15N分布区间为+5.2‰～+13.0‰，δ18O分布区间为-9.7‰～15.1‰，主要污染源为工业和生活污水。通过研究还发现，同一条河流不同水期氮的主要来源也不完全相同，如王河在枯水期氮源主要为人畜排泄物点源排放，平水期氮源主要为尿素和土壤氮等面源排放，而丰水期氮源主要为人畜排泄物点源排放和土壤氮面源排放。

表3 河流硝酸盐氮氮源解析一览表

注：RCP表示人畜排泄物，GSW表示工业和生活污水，TRD表示土壤氮，NS表示尿素。

从上面的分析能够看出：丰水期，氮污染来源在土壤氮、人畜排泄物、工业和生活污水中所占的比重分别为19%、40%和41%，点源排放和面源排放基本相当；平水期，氮污染来源在土壤氮、工业和生活污水、人畜排泄物中所占的比重分别为15%、40%和45%，点源排放比面源排放略小大；枯水期，氮污染来源在土壤氮、工业和生活污水、人畜排泄物中所占的比重分别为5%、32%和63%，点源排放小于面源排放。综上，铁岭市的点源面排放，在丰水期大致相当，平水期面源排放略大，枯水期点源排放略大。

4 结论

铁岭市河流水体中硝态氮δ15N均值+9.7‰，δ18O均值+1.8‰。通过本文的分析结果，将为铁岭市河流生态环境治理和保护提供技术支撑，也将为各级河长做好污染源控制和治理措施提供技术指导，逐步实现水功能区水质达标。但由于丰枯年份地表水径流变化对面源排放的影响，以及随时间和空间同位素值有变化性，有必要做进一步的研究。