应用氮氧同位素技术识别梁溪河硝酸盐污染源 *

2020-09-23郝禹李卫平李国文李晓光田启国张少康张列宇

内蒙古科技大学学报 2020年3期

郝禹，李卫平，李国文，李晓光，田启国，张少康，张列宇

(1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头 014010；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

太湖是全国富营养化较为严重的淡水湖泊之一[8].太湖的氮营养盐由于季节变化使部分湖区(如梅梁湾)富营养化程度加重[9].邓建才等[10]研究表明，太湖北部湖区的总氮浓度显著高于其他湖区；XU等[11]研究发现梅梁湾水体不同形态氮浓度存在季节性差异.污染物溯源会因太湖水体的交换而难以进行[12].此外，污染源会因季节、水动力条件等因素而发生改变，并且范围广，很难准确计算硝酸盐贡献率[13].

梁溪河作为太湖重要景观连通河道之一，是优化水循环，转移污染物的关键路径[14].对梁溪河流域地表水进行布点采样，将氮氧同位素技术与水化学分析方法相结合，探究枯水期和丰水期梁溪河地表水δ15N和δ18O的含量组成，采用基于SIAR的氮污染源贡献模型估算各硝酸盐污染源的贡献率，为太湖水系景观河道水环境氮污染控制提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

梁溪河位于江苏省无锡市，水流方向由西向东，西起梅梁湖，东接京杭运河，主要支浜有大渲河、小宣河、杨木桥浜等，是沟通城区河道、京杭大运河和太湖水系的重要城市景观连通河道。该流域气候特点属北亚热带季风气候，降雨多集中分布在夏季(6～9月).

1.2 样品采集

根据梁溪河流域地表水的类型和分布状况，于2019年枯水期(1月)和丰水期(7月)沿干流和各支浜确定21个监测断面，每个断面确定一个采样点(均以GPS定位).室内定位考虑支浜的代表性，将其划分为上游和下游2个研究区域，采样点位见图1.

1.3 样品分析

1.4 稳定同位素模型(SIAR)

为识别水体硝酸盐各污染源并估算其贡献率，引入稳定同位素模型SIAR.PARNELL等学者利用开源软件R构建的稳定同位素源解析模型SIAR遵循同位素质量平衡规律，能够计算各污染贡献率，并且贡献比率之和为1，生成贡献比率范围[15].

2 结果与讨论

2.1 梁溪河水体水化学特征

梁溪河枯水期和丰水期水体样品的水化学参数分别如表1和2所示.梁溪河枯水期调查期间表层水体温度变化范围为8.9～9.3 ℃，平均为9.0 ℃，从上游至下游呈现逐渐降低的趋势，其中梅梁湾水温最高，达到9.3 ℃；丰水期调查期间表层水体温度变化范围为28.2～31.1 ℃，平均为29.5 ℃，从上游至下游呈现先升高后降低的趋势.梁溪河水体枯水期平均pH值为8.05，变化范围为7.89～8.21，丰水期平均pH值为8.09，变化范围为7.91～8.29，整体呈现中性偏弱碱性，丰水期河水pH值普遍高于枯水期.溶解氧(DO)是衡量河流水质的重要指标，较高的DO含量对反硝化反应存在抑制性.梁溪河水体枯水期和丰水期DO的范围分别为4.96～7.51和4.12～7.37 mg/L，均值分别为6.56和5.49 mg/L.采样期间枯水期和丰水期所有点位DO检出值均高于反硝化反应阈值(1～2 mg/L)[16]，梁溪河水体并无反硝化作用的发生.总体来看，梁溪河存在上游区域的pH与DO值普遍高于下游区域的特点.

表1 枯水期梁溪河地表水理化性质表

表2 丰水期梁溪河地表水理化性质表

2.2 梁溪河硝酸盐来源的定性分析

2.3 梁溪河硝酸盐来源的定量分析

硝化和反硝化作用在全球氮循环过程中发挥着重要作用，然而N，O同位素组成会在反硝化作用中由于同位素分馏作用改变[21].因此，需要判断梁溪河水体是否发生反硝化作用以确定使用双同位素法的准确性.一方面，梁溪河水体为连通景观河道，采样期间流速稳定在0.167～0.305 m/s，且各采样点DO的范围为3.68～6.98 mg/L，不利于反硝化作用的发生；另一方面，梁溪河水体硝酸盐含量与δ15N和δ18O的值无明显的反相关关系，说明梁溪河地表水并没有反硝化作用发生，故分馏系数为0.

研究使用SIAR模型识别4种污染源对梁溪河水体硝酸盐氮的贡献率.不同污染源的背景值和方差来源于当地采样数据.梁溪河地表水各污染源贡献率如图3和4所示.

估算各污染源贡献率结果整理如表3所示.梁溪河地表水硝酸盐氮污染贡献率最高的为粪肥污水源，约为52.5%；化肥源与土壤源污染贡献率接近，分别为19%和21%；而大气沉降对河流硝酸盐的贡献为7.5%.总体来看，自然源(大气沉降)对梁溪河水体硝酸氮的贡献较低，人为源(粪肥污水源)为梁溪河水体硝酸氮的主要污染源.结论与上述定性分析结果一致.