乌梁素海硝酸盐来源的季节性变化

王希欢, 杨 芳, 马文娟,2, 贾世琪,3, 冯冬霞, 柏杨巍, 陈少华, 廖海清*

1.中国环境科学研究院流域水环境污染综合治理研究中心, 北京 100012

2.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心， 北京 100160

3.贵州师范大学， 贵州省山地环境信息系统和生态环境保护重点实验室, 贵州 贵阳 550001

流域水环境中含氮化合物过度会威胁水生态健康和饮用水安全[1]. 水环境中氮形态主要包括有机氮、NH3-N、NO2-N和NO3-N[2]，NO3-N性质稳定，是流域氮循环的重要组成，也是水体氮污染的主要贡献者，科学解析硝酸盐污染来源对氮污染控制至关重要[3]. 水体硝酸盐主要来源于大气沉降、化肥、土壤氮源和生产生活污水等，不同来源氮氧同位素比值差异较大，如工业化肥δ15N-NO3-值范围为-4‰～4‰，δ18O-NO3-值范围为19‰～25‰[4-5]；生产生活污水δ15N-NO3-值范围为5‰～25‰[6]，δ18O-NO3-值范围为-18‰～15‰[7]；土壤有机氮δ15N-NO3-值范围为-5‰～15‰[8]，δ18O-NO3-值范围为-10‰～10‰[9-10]；大气沉降δ15N-NO3-值偏负，范围为-15‰～15‰[11]，δ18O-NO3-值范围为25‰～70‰[12].

近年来，氮氧双同位素技术常用于识别复杂的氮污染来源[13]. 西溪湿地水体硝酸盐来源解析研究中δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值范围分别为3.7‰～19.0‰和1.1‰～13.7‰，主要来源是生产生活污水和化肥[14]. 加拿大温尼伯湖流域主要河流水体中δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值范围分别为-2.0‰～20.0‰和-20.0‰～20.0‰，采用同位素混合模型分析得出，阿西尼博因河62%的硝酸盐来自生产生活污水，红河约40%的硝酸盐来源于化肥[15]. 贵州草海水体δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值范围分别为-5.56‰～11.30‰和0.02‰～25.40‰，化肥的贡献率在50%以上[16]. 太湖水体δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值范围分别为3.8‰～10.1‰和2.2‰～12.0‰；其中，农业废水和工业污水贡献率分别为50.8%和33.9%，且北部湖区以工业源输入为主，贡献率为35.4%，南部湖区以农业源输入为主，贡献率为38.6%[17].

硝酸盐氮氧同位素源解析技术逐渐成为研究湖泊、河流中NO3-N污染源识别及氮素迁移转化过程的重要手段和热点[18]，但较少分析湖泊流域硝酸盐主要来源的季节性变化趋势. 该文以典型农业退水型湖泊乌梁素海为研究对象，针对其水体质量明显改善后，因氮来源时空特征不清晰，富营养化依然严重的突出问题[19]，通过分析乌梁素海流域污染源、排干和湖区不同季节硝酸盐氮氧同位素组成，研究排干和湖区水体氮主要来源的季节性变化，结合IsoSource同位素模型定量辨识排干和湖区水体硝酸盐主要来源、贡献及季节性变化特征，以期为乌梁素海流域氮源控制及湖区富营养化防治提供基础数据和理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌梁素海(40°36′N～41°03′N、108°43′E～108°57′E)位于内蒙古自治区西部，湖区面积在330 km2左右. 属于温带季风气候区，年均降水量为153.1 mm，年均蒸发量达 2 000 mm. 乌梁素海主要承纳来自河套灌区的农业退水和城乡生产生活污水. 灌区存在明显的季节性生产活动特征，春季以农业灌溉为主，夏季以农业施肥为主，秋季主要包括企业生产活动和农作物浇水，冬季生产活动基本停止. 进入21世纪初以来，大量营养盐进入湖区，导致湖泊水质下降，生态系统退化[20]. 近年来，针对乌梁素海氮磷污染问题，已采取多项流域生态修复综合治理措施，湖泊水质有所改善[21]，但水质仍有较大的提升空间.

1.2 样品采集与分析

该研究于2018年10月(秋季)、2018年12月(冬季)、2019年4月(春季)及2019年7月(夏季)，分别在企业(污水处理厂和食品加工厂)排口、排干(农排干渠)和湖区采集水样，采样点分布如图1所示. 在湖区上游和下游设置h1、h2和h3采样点，冰封期采集冰下水体作为冬季样品. 春季和夏季五排干和七排干主要承纳企业污水，在企业排口设置w1和w2采样点，在五排入、六排入、七排入、七排干支流、八排入和总排干入湖口设置6个采样点；秋季企业均在运营，且水量增大，在企业排口设置w1、w3和w4等8个采样点，排干增加二排入、三排入、四排入和九排入4个采样点；冬季流域进入冰封期，企业排口和排干均不设置采样点. 各采样点水样取回后，原水样取50 mL经0.22 μm滤膜过滤的水样，储存在酸洗过的HDPE瓶子中以备氮氧同位素分析.

图1 乌梁素海流域采样点分布

该研究氮氧同位素前处理采用反硝化细菌方法[22]： ①金黄色假单胞菌ATCC 13985在胰蛋白酶豆汤(TSB)上培养7 d；②将细胞浓缩5倍，分成3 mL等份的20 mL顶空小瓶；③将水样注入体积相当于20～50 nmol NO3-的样品瓶中，以使NO3-完全转化为一氧化二氮(N2O)；④隔夜培养，第二天向样品瓶注入0.1～0.2 mL 10 mol/L NaOH，以去除任何二氧化碳气体并抑制任何微生物的活动；⑤将去除干扰的样品进行机测.

1.3 质量平衡混合模型

质量平衡混合模型可以定量分析水体中各硝酸盐来源的贡献率[23]，计算公式：

δ15NMix=f1δ15N1+f2δ15N2+f3δ15N3

(1)

δ18OMix=f1δ18O1+f2δ18O2+f3δ18O3

(2)

f1+f2+f3=1

(3)

式中，δ15NMix和δ18OMix分别为混合样品硝酸盐的δ15N和δ18O值,δ15N1、δ15N2、δ15N3分别为各污染源的δ15N-NO3-值，δ18O1、δ18O2、δ18O3分别为各污染源的δ18O-NO3-值，f1、f2、f3分别为各污染源的贡献比例.

如式(1)～(3)所示，质量平衡混合模型仅适用于3种源解析，为提高模型适用范围，Phillips利用迭代方法建立了IsoSource模型，该模型可用于4种以上源解析[24]. 迭代公式具体如下：

Q=[(100/i)+(s-1)]/(s-1)=

[(100/i)+(s-1)]!/[(100/i)!(s-1)!]

(4)

式中：Q为组合数量，个；i为增量参数个数；s为污染源数量，个.

2 结果与讨论

2.1 乌梁素海流域水化学的季节性变化

由表1可见：企业排口TN浓度呈现从春季到秋季逐渐升高的趋势，秋季高达42.8 mg/L；NH3-N浓度高达18.50 mg/L，且其变化趋势与TN浓度基本一致；NO3-N浓度范围为1.09～8.19 mg/L，且各季节差异不大.

表1 乌梁素海流域TN、NH3-N、NO3-N浓度的季节性变化特征

排干水体TN浓度季节性变化规律与企业排口基本一致，同季节中，五排干(p1采样点)和七排干(p3采样点)承纳城镇和企业污水，TN浓度高于其他采样点. 春季和夏季NH3-N浓度分别为0.25～1.98和0.50～1.86 mg/L，变化不大，秋季NH3-N浓度降低，低于0.50 mg/L；秋季p1采样点NO3-N浓度显著高于其他季节，高达5.10 mg/L，其原因可能是大量食品厂集中在秋季运营，使得氮源输入增加.

湖区水体TN和NH3-N浓度呈春冬两季高、夏秋两季低的特点. 北湖区(h1采样点)TN浓度比其他采样点较高，与该采样点距总排干入湖口较近有关. 而NO3-N浓度的变化规律与TN浓度相反，呈夏秋两季高、春冬两季低的特点.

企业排口和排干水体中夏秋两季TN浓度稍高于春季，但湖区水体中春冬两季TN和NH3-N浓度稍高于夏秋两季，且部分排干采样点春冬季TN和NH3-N浓度均超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质标准限值. 张岩[25]研究发现，乌梁素海冰生长过程对TN有排斥效应，TN浓度随着冰厚的增加而升高，而水中TN浓度最高是冰中TN浓度的2.06倍，存在明显的冰封期水体富集现象. 该研究表明，外源输入和水体冰封是导致乌梁素海湖区氮富集的主要原因.

2.2 乌梁素海流域氮氧同位素组成季节性变化

夏季雨水δ15N-NO3-值为1.11‰，δ18O-NO3-值为68.99‰. 企业排口水体δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值范围分别为7.18‰～30.39‰和-9.25～10.38‰，春季δ18O-NO3-值偏负，范围为-9.25‰～-3.34‰；夏季δ15N-NO3-值偏正，范围为24.78‰～30.39‰；秋季生产活动增强，各企业排口水体δ15N-NO3-值波动较大，范围为7.18‰～23.43‰，其中民和食品厂(w3采样点)、福华元食品厂(w4采样点)和亿源污水处理厂(w8采样点)的δ15N-NO3-值偏正，而利丰果蔬(w5采样点)、辣椒厂(w7采样点)和第二污水处理厂(w9采样点)的δ15N-NO3-值偏负. 如图2所示，五原污水处理厂排口(w1采样点)δ15N-NO3-值从春季到秋季先升后降，夏季混合污水排口(w2采样点)δ15N-NO3-值最高，表明企业排口季节性变化与生产生活密切相关[26].

图2 乌梁素海流域水体δ15N-NO3-和δ18O-NO3-的季节性分布特征

春季排干水体δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值范围分别为3.54‰～15.00‰和-3.84‰～28.13‰，夏季分别为8.49‰～15.21‰和-2.71‰～20.65‰，秋季分别为5.47‰～29.50‰和-17.04～16.84‰. 春季p1和p3采样点δ15N-NO3-值均偏正，这与大量生产生活污水输入有关；六排干(p2采样点)和七排干支渠(p4采样点)δ15N-NO3-值偏负，δ18O-NO3-值偏正，其原因是积雪融化后，使得δ18N-NO3-值偏负、δ18O-NO3-值偏正的雪水进入排口水体[27]. 夏季p2和p4采样点δ15N-NO3-值增高，其原因是夏季放牧活动增多，δ15N-NO3-值偏正的畜禽粪便进入水体[28]. 秋季p1和p3采样点δ15N-NO3-值显著高于春夏两季，这与企业生产活动增多，大量污水进入排干有关[29].

春季和夏季湖区h1采样点δ15N-NO3-值偏正，其原因是距离入湖口较近，受排干影响较大[30]. 下游湖区h2采样点距生态旅游景点较近，秋季旅游业发达，因此δ15N-NO3-值较其他季节偏正. 冬季湖区进入冰封期，水位较低，且水体流动性很差，各采样点δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值差异较大，h2采样点δ15N-NO3-值偏正，δ18O-NO3-值偏负，而h3采样点δ18O-NO3-值偏正.

图3 乌梁素海流域企业排口、排干水体、湖区水体硝酸盐主要来源的季节性变化特征

2.3 乌梁素海流域硝酸盐主要来源季节性变化

水体中硝酸盐的主要来源可以通过分析水质特征和硝酸盐中δ15N、δ18O特征值，并结合当地的生产生活和土地利用方式进行判别[31]. 如图3所示，企业排口分布区域季节性变化明显，春季分布在端元区的两侧，夏季分布在端元区的右侧，秋季均匀分布在端元区. 春季企业排口水体δ15N-NO3-值偏负，而夏季偏正；秋季企业排口水体δ18O-NO3-值偏正，其中w5和w7采样点δ15N-NO3-值偏负，w3和w8采样点分布在生产生活右侧端元区，表明食品废水δ15N-NO3-值偏正[32].

春季排干水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水和土壤有机氮，夏季主要来源是生产生活污水，秋季主要来源是生产生活污水和化肥. 春季，总排干入湖口(p6采样点)落在生产生活和土壤氮源端元区，表明入湖水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水和土壤有机氮；p2和p4采样点δ18O-NO3-值较大，分别落在大气沉降和化肥端元区，其原因是黄河水经农田灌溉后把大气沉降和化肥中的氮物质带入排干水体[33]. 夏季，p6采样点落在生产生活端元区，表明入湖水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水；p2和p4采样点均落在生产生活端元区，农田灌溉结束后，畜禽粪肥进入水体，δ15N-NO3-值增大，δ18O-NO3-值减小[34]. 秋季，p6采样点落在生产生活端元上区，表明入湖水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水，受降雨影响，δ18O-NO3-值增大；p4采样点落在生产生活和化肥端元区之间，表明其主要来源是生产生活污水和化肥，化肥随农业退水进入排干，δ15N-NO3-值减小，δ18O-NO3-值增大[35].

春季湖区水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水和土壤有机氮，夏季主要来源是生产生活污水，秋季主要来源是生产生活污水和大气沉降，冬季主要来源是生产生活污水和大气沉降. 春季h1采样点(δ15N-NO3-、δ18O-NO3-分别为12.79‰、-3.48‰)落在生产生活端元区，表明硝酸盐的主要来源是生产生活污水，排干水体经过p6采样点(δ15N-NO3-、δ18O-NO3-分别为11.68‰、-0.57‰)进入湖区，受排干水体直接影响[36]；下游湖区(h2、h3采样点)硝酸盐的主要来源是生产生活污水和土壤有机氮，周围支渠农业退水汇集导致下游氮富集[37]. 夏季湖水硝酸盐的主要来源是生产生活污水，h2和h3采样点较春季变化显著，原因是农业灌溉结束后，湖水土壤有机氮含量明显减小，生产生活污水含量增高[38]. 秋季h1采样点硝酸盐的主要来源是生产生活污水，其原因是上游湖区受排干水体直接影响；h2采样点硝酸盐的主要来源是大气氮沉降和生产生活污水；h3采样点硝酸盐的主要来源是大气氮沉降，表明下游湖水受大气沉降影响更高. 冬季h1采样点硝酸盐的主要来源是土壤有机氮，其原因是距离湖岸较近，土壤有机氮随水浪进入湖区；h2采样点硝酸盐的主要来源是生产生活污水，主要原因是景区生活污水进入湖区；h3采样点硝酸盐的主要来源是大气氮沉降，通过积雪融化进入水体.

2.4 乌梁素海流域硝酸盐主要来源贡献估算

该研究存在生产生活污水、土壤氮源、化肥和大气氮沉降4种主要污染源，即s取4；资源增量参数取1%，质量平衡容忍参数为0.05‰，应用IsoSource模型计算各污染源贡献比例.

图4 排干水体硝酸盐主要来源的贡献率

如图4所示，春季总排干水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水和土壤氮源，贡献率分为58%和25%；夏季生产生活污水贡献率仅为36.6%，而化肥氮源贡献作用明显增强，达24.3%；秋季生产生活污水贡献率最高，达到60%. 五排干和七排干承纳城镇污水，水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水，春季、夏季和秋季贡献率分别为53.0%～82.5%、43.0%～50.1%和62.0%～86.0%，表明秋季受企业活动影响最大. 春季、夏季和秋季，p4、p5采样点源于农业活动的化肥和土壤有机氮的贡献率分别为65.9%～75.0%、53.9%～58.0%和34.9%～37.6%，表明春季受农业活动影响最大，而秋季影响较小，主要受降雨影响.

图5 乌梁素海湖区水体硝酸盐主要来源的贡献率

如图5所示：春季和夏季湖区水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水和土壤氮源，春季贡献率分别为42.7%和26.2%，夏季分别为51.3%和31.5%；秋季湖区水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水和大气沉降，贡献率分别为38.8%和34.2%；冬季湖区水体硝酸盐的主要来源是生产生活污水和大气沉降，贡献率分别为40.2%和21.9%. 在农业活动(化肥和土壤有机氮总和)影响方面，春季、夏季、秋季和冬季贡献率分别为43.7%、41.3%、26.9%和37.9%，春季农业活动影响最大，秋季最小.

总之，春季和夏季湖区水体硝酸盐的富集主要受生产生活污水和农业活动影响，其中农业活动春季影响最大，生产生活污水夏季影响最大，而秋季和冬季主要受生产生活污水影响. 为改善乌梁素海流域生态环境，应增强污水处理能力，春夏两季应重视控制农业活动的面源排放，科学灌溉并减少化学物使用量.

3 结论

a) 乌梁素海流域外源输入和冰封期水体富集等因素均影响湖区水体中氮污染物浓度及氮氧同位素比值变化，且冰封期水体富集会导致湖区水质超标，在该流域应科学精准控制外源输入，稳定改善乌梁素海生态环境质量.

b) 七排干支渠和八排干为主的农灌区源于化肥和土壤氮源相关的农业活动是湖区水体硝酸盐的主要来源，而五排干和七排干为主的城镇生产生活污水影响较大. 春季湖区水体硝酸盐的主要来源是农业活动，夏季、秋季和冬季主要来源是生产生活污水，同时夏季农业活动污水贡献较大，秋季大气沉降影响程度加大. 因此，春季在七排干支渠和八排干重点灌区需重视面源管控，科学灌溉并减少化肥使用量，夏秋两季在五排干和七排干所处城镇地区应增强污水处理能力，减少氮源输入.