氮稳定同位素示踪水体氮污染研究

氮稳定同位素示踪水体氮污染研究

氮输入超标会引起发水体富营养化、水生生物死亡等一系列环境问题，通过研究水体氮浓度、氮同位素值的时空分布特点和成因，能定性的判别水体氮污染的来源及其转化机制。本文结合该学科领域的研究成果，对氮同位素示踪技术运用到水体氮异常的研究中作出综述，有以下成果：论述了两种常用的氮稳定同位素示踪技术的（15N自然丰度法、15N同位素稀释法）的机理及运用;氮的来源及转化过程中的分馏效应;对有机氮同位素的研究中，颗粒有机氮（PON）的δ15N 值再结合13C、C/N比值可以综合判断有机颗粒物的来源，并可作为生态系统中氮的生物地球化学反应及转化过程的识别标志。

标签：氮稳定同位素;水环境;颗粒态有机氮

随着工农业生产的发展，氮污染已成为水环境问题研究的热点，世界许多地方水环境中的氮含量都超过了相关机构规定的饮用水中N03一含量的上限值，这也给人们的身体健康带来极大隐患。迄今，许多学者已将氮稳定同位素应用到判别水中氮污染来源以及水循环过程中氮的转化机制之中.对水体中氮稳定同位素也进行了广泛的探索。通过对氮稳定同位素的研究，可以有效的判别水体中氮异常的来源，了解氮的转化机制和沿途的变化，从而有效地防范和控制水体氮污染

一、氮稳定同位素示踪技术

（一）15N自然丰度法

氮有14N和15N两种稳定同位素，其中14N豐度为99.64‰，15N丰度为0.36‰[1]。不同物质中有着不同的14N和15N的同位素比值（δ15N），并且，δ15N 在不同的地质背景和含水介质中也有所相异，所以研究水体中的自然氮同位素值对判断区域地质环境有着重要的现实意义的。通过研究地表水氮浓度、氮同位素值的时空分布特点和成因，能定性判别水体氮污染的来源及其转化机制。

（二）15N同位素稀释法

氮循环过程中在沿途的变化会引起氮同位素的分馏效应，通过加入15N标记体，经过相关的生物化学过程测定15N标记体原子百分比变化可以示踪物质转化迁移途径与程度。目前，己有大量研究应用该技术测定湿地土壤中各种生物化学反应（如矿化作用、硝化作用、反硝化过程、异化还原作用）的氮转化速率并计算不同生化反应机制的贡献率。

二、氮的来源及转化机制

氮的来源十分广泛，根据产源位置将来源可分为内源和外源[2]，内源通常是湖泊等水体内部的水生生物碎屑等;外源则有大气干湿沉降、动物粪便、河流

径流带来的土壤有机质、生活污物和工业排污等。在生态系统中，氮素通过固氮作用、矿化作用、同化吸收作用、硝化作用、反硝化作用、异化还原作用等复杂的生物化学作用引起氮同位素的分馏效应，并发生一系列的转化作用，在一定程度上改变了氮同位素的组成。动物可通过排出尿素等代谢过程产生有机氮，植物残体经过搬运、沉积作用也可形成悬浮颗粒态有机氮PON或土壤有机质氮。水体中有机氮与无机氮的相互转化过程贯穿于整个氮素循环的子过程。

三、有机氮同位素特征及其环境意义

（一）δ15NPON污染源示踪

不同来源以及不同的水类型的有机δ15N有所不同，水体悬浮物质、土壤沉积物、典型植物等物质的有机氮同位素的组成及差异包含着流域重要的环境变化信息。水体中有机氮分为悬浮颗粒态有机氮PON和溶解有机氮DON，对颗粒有机氮（PON）的δ15N值研究具有重要意义，δ15NPON可以有效的作为河流生态系统氮的生物地球化学反应及转化过程的识别标志，还可以在一定程度反映出外源输入和内源颗粒的相对比例，成为判断物源的重要依据。Kendall等通过研究通过美国圣华金河主河道中颗粒有机氮（PON）的δ15N值的时空变化，来反映出有机颗粒物主要来源于藻类，且在夏季时由于上游支流藻类生长繁盛，水中生产力提高，PON含量升高，冬季时反之。

颗粒有机氮（PON）的δ15N值体现了流域内环境现状与变化趋势，是河流生态系统中氮素循环的综合体现。但与氮相关的循环过程及生物化学反应比较复杂，尽管不同来源的有机颗粒物具有不同的δ15N特征值，具备有效识别意义，但δ15NPON不仅受氮循环各种转化过程中产生的分馏作用影响，还与环境中无机氮同位素特征值产生共同作用，所以仅仅使用PON的氮同位素变化追踪氮元素来源精确度不高，还需要通过测定有机颗粒物的δ15N值、13C结合C/N比值来推测有机颗粒物的来源。梁越[3]等对鄱阳湖流域的蚌湖、赣江和修河的丰水期氮污染研究中，结合悬浮颗粒物的δ13C、δ15N、C/N比值示踪湖泊和河流的有机质的来源，表明蚌湖的悬浮颗粒物主要来源于土壤有机质和水生植物的混合.赣江和修河的悬浮颗粒物主要来源于土壤有机质和陆地植物碎屑，并且废水有机质有一定贡献。

四、结论

随着工农业生产的发展，大量的生活污物、工业污水、合成化肥、动物粪便等外源污染物质输入进水体，引发了水体氮元素超标、富营养化、水生生物死亡等一系列水环境问题。氮污染已成为水环境问题研究的热点，利用氮稳定同位素示踪技术来研究水体氮污染的源和汇，了解氮的沿程变化转化机制，对有效地预防和控制水体氮污染具有重要意义。

参考文献：

[1]邢光熹，施书莲，杜丽娟等.苏州地区水体氮污染状况[J].土壤学报，2001，

85-91.

[2]张翠云，郭秀红.氮同位素技术的应用：土壤有机氮作为地下水硝酸盐污染源的条件分析[J].地球化学，2005，119-126.

[3]梁越，肖化云，刘小真等.碳氮稳定同位素示踪鄱阳湖流域蚌湖丰水期的氮污[J].湖泊科学，2018，30（04）：957-966