基于硝酸盐氮氧同位素的三门峡黄河湿地硝酸盐来源分析

官庆松

(1.河南科技大学 应用工程学院，河南 三门峡 472000；2.三门峡市黄河湿地环境过程与生态修复工程技术研究中心，河南 三门峡 472000)

1 引言

目前，国家将黄河流域生态保护和高质量发展定位重大国家战略，黄河湿地作为“黄河之肾”，具有保持水源、净化水质、控制土壤侵蚀、调节气候和维护生物多样性等重要生态功能[1～3]。黄河三门峡库区湿地属于国家级湿地自然保护区，是国家级珍禽白天鹅的栖息地及重要水源涵养地，该区地处冬候鸟迁徙中线，每年有大量冬候鸟经此地往返南北或在此越冬。黄河三门峡流域超标的主要污染物为生物化学需氧量(BOD5)、COD、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)[4]，长期的氮超标势必会引起水体的富营养化，增加黄河的生态风险。

湿地质量可以表征流域生态健康和污染状态[5,6]，虽然湿地可通过拦蓄径流中悬浮物，移出和固定营养物、有毒物质，净化与过滤湿地水质[2,7]，但三门峡黄河湿地作为白天鹅的重要越冬场所，对环境变化具有高度敏感性和脆弱性。保护区周边氮的污染源复杂多样，外源氮输入持续增强，会导致氮持续积累到湿地沉积物中，而过量的氮会直接影响湿地植物[8,9]、土壤及微生物的新陈代谢[10, 11]，直接或间接的威胁湿地生态的健康发育。同时，湿地沉积物中积累的氮会进一步释放到水体，造成水体富营养化，湿地水质恶化进一步加剧[12,13]，造成恶性循环。

2 材料与方法

2.1 样品采集

样品采集时间为2020年6月，水库水位较低，湿地未被淹没。共设置3个采样点(图1)：未长植物的光滩点(GT)，以芦苇香蒲为主要覆盖植被样点YJW(110°43′E, 34°37′N)，以水毛草为主要覆盖植被样点CS(110°51′E, 34°38′N)，其中GT和YJW属于同一区域湿地，水体连通性一致。采样深度为0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm，在3 m2范围内用沉积物采样器采集3份作为平行样品，样品采集后，立即装入自封袋并排尽空气，同时，采集水样和植物样品，并快速转移至实验室预处理。

图1 采样点位置

2.2 样品分析

δ15Nsample值以空气中氮气作为参考标准，δ15Nsample值按以下公式计算：

(1)

式(1)中，R(15N/14Nair)为空气中氮气的氮同位素丰度比值。δ15Nsample值的分析精度为±0.2‰。

δ18O值以SMOW国际标准作为参考标准，δ18O值按以下公式计算：

(2)

式(2)中，R(18O/16OV-SMOW)为国际标准物SMOW的氧同位素丰度比值。δ18O值的分析精度为±0.3 ‰。

2.3 统计分析

3 结果与分析

3.1 水体理化参数

3.2 沉积物理化分析

4 讨论

水体总氮含量较高，存在富营养化的风险，过量的氮负荷会加重湿地的净化效率，进一步影响湿地的健康。沉积物处于还原环境，硝化作用较弱，使得氨氮积累成为无机氮的主要形态。土壤有机碳含量的高低直接反映湿地、草地的贮碳能力，本研究湿地土壤有机碳含量为0.07%～0.24%，远低于世界土壤有机碳均值2%[22]。

表1 湿地水质理化特征

表2 湿地沉积物理化特征

图浓度的自然对数与 和 同位素相关性

氮氧同位素特征值对硝酸盐来源具有较好的指示意义，根据研究区域周围环境，选取沉积物硝酸盐潜在来源为大气降水、化学肥料、人畜粪肥、土壤有机氮矿化、生活污水，不同来源硝酸盐氮同位素组成情况如图3所示。沉积物硝酸盐氮氧同位素特征值一部分位于端元范围外部，一部分位于硝态氮肥，大气降雨区域，说明沉积物中硝酸盐是多种来源混合的结果，其中，硝态氮肥，大气降雨为主要贡献源。沉积物中硝酸盐的迁移转化复杂，硝化作用，反硝化作用，硝酸盐异化还原为铵，都会产生动力学分馏效应。

图3 黄河湿地沉积物硝酸盐来源分布

5 结语