基于稳定同位素模型解析农业污染河流氮源

基于稳定同位素模型解析农业污染河流氮源

彭月;崔云霞;樊宁;李伟迪;朱永青

【摘要】采用水质监测技术和稳定氮同位素示踪技术对社渎港中游地区进行氮污

染特征和污染源解析.在定性描述的基础上结合稳定同位素模型(SIAR),对各硝酸盐

污染源的贡献率进行定量计算并进行了后验概率分布检验.结果表明:(1)在枯水期T N较高,平均为5.34 mg/L,农业生产集中区T N污染最严重.(2)硝酸盐污染主要来

源包括生活污水和粪肥、化学肥料及土壤氮.其中,生活污水和粪肥对硝酸盐的贡献率最高,平均为45％;化学肥料次之,贡献率平均为31％;土壤氮的贡献率平均为24％.

【期刊名称】《环境污染与防治》

【年(卷),期】2019(041)005

【总页数】4页(P588-591)

【关键词】硝酸盐;源解析;氮;、氧同位素;稳定同位素模型

【作者】彭月;崔云霞;樊宁;李伟迪;朱永青

【作者单位】南京师范大学环境学院 ,江苏南京 210023;南京师范大学环境学院 ,

江苏南京 210023;南京师范大学地理科学学院 ,江苏南京 210023;南京师范大学

环境学院 ,江苏南京 210023;南京师范大学环境学院 ,江苏南京 210023

【正文语种】中文

由于人类活动的影响，水体氮污染已成为世界范围内的问题。氮污染造成水质恶化，

在水体中形成的沉积物影响水体的生态环境，从而对天然鱼类和水生物生存造成危害，加速生态环境的退化与破坏[1-2]。氮污染来源复杂，包括化肥与粪肥、工业

生产、生活污水排放及大气氮沉降、土壤有机氮的迁移转化等[3-4]。硝酸盐氮为TN的主要赋存形式[5]。因此，对水体氮污染进行污染源解析，切断营养物质氮的输入，是控制水体恶化的根本途径。

随着同位素技术的飞速发展，利用氮、氧同位素技术确定水体中硝酸盐来源的方法被广泛应用[6-13]。理论上，不同来源的硝酸盐具有不同的氮、氧同位素组成，因此可根据硝酸盐中的氮、氧稳定同位素的特征值识别水体中硝酸盐污染的主要来源。硝酸盐氮、氧同位素测定的预处理方法主要有蒸馏法、扩散法、离子交换法、细菌反硝化法和两步化学还原法[14-15]。通过实验分析法进行水体硝酸盐污染源的定

性解析，通过稳定同位素模型(SIAR)进行同位素的定量解析。SIAR是基于狄利克

雷分布并以贝叶斯公式为框架所建立的一个逻辑先验分布模型[16]，能解析各污染源的后验分布特征，可将源解析过程中的不确定性纳入其中，包括硝酸盐中氮、氧同位素值的时空间变异性及硝化、反硝化过程中的同位素分馏等[17]。XIA等[18]应用SIAR识别了秦淮河流域的污染源，结果表明，在传统农业区的地表水中，丰水期粪肥在污染源中的贡献率占有绝对比重；污水的贡献率在丰水期和枯水期差异显著。ZHANG等[19]通过同位素混合模型对重庆市的城市河流进行污染源解析，结果显示，在枯水期，生活污水和粪肥对硝酸盐的贡献率为38%～50%，土壤氮

的贡献率为22%～26%；丰水期生活污水和粪肥对硝酸盐的贡献率为30%～37%，土壤氮的贡献率为16%～25%，大气降水的贡献率为14%～24%。

为进一步进行定量解析各污染源贡献率，本研究选取农业较发达的社渎港中游地区为研究对象，将稳定同位素示踪技术与水质监测技术相结合，分析其氮污染特征和硝酸盐污染来源，并结合SIAR定量计算硝酸盐污染源的贡献率，为当地的水环境治理工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

作为太湖主要入湖河流的社渎港中游位于江苏省无锡市新庄街道新塍社区。该区属亚热带季风气候区，全年温暖湿润，年平均气温15.7 ℃。夏季最热月平均气温28.3 ℃。降水丰沛，年平均雨日136.6 d，年平均降水量1 177 mm，春夏雨水

集中。区域经济发展主要依靠农业种植，以水稻和小麦为主，油菜、蔬菜为辅。研究区农田面积占总面积的73.25%。因此，农业污染严重制约当地的水生态环境。

1.2 采样点设置与样品采集

在研究区的社渎港、宗家桥河、黄顶桥河、太平河和两条支流上共设置25个监测断面，研究区位及采样点分布见图1。采样点W9～W14水域主要的土地利用类

型为居民区；W1～W8、W15～W25采样点的土地利用类型主要为农田。于2018年2月28日完成枯水期各采样点的野外采样。

图1 研究区采样点分布Fig.1 Distribution of the sampling sites

因枯水期的温度较低、水体交换速率较慢且水体中微生物活性相对较弱，可减少反硝化过程，因此主要监测枯水期氮的污染状况。用2.5 L便携式采水器采集水样500 mL装入聚乙烯样品瓶，及时冷藏于保温箱中运回实验室。为减少水体中对于最终15N、18O含量的影响，50 mL水样通过孔径为0.45 μm滤膜当场过滤[20]。现场用水质参数仪测定水体pH、水温、DO。

1.3 实验室分析

TN根据《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)测定；硝酸盐氮根据《水质硝酸盐氮的测定紫外分光光度法(试行)》(HJ/T 346—2007)测定。未及时分析的水样置于-18 ℃的冰箱冷冻保存，数据统计在Excel、SPSS中进行。

氮、氧同位素利用化学转化法，将样品溶液中的硝酸盐转化为氧化亚氮来分析。其

步骤是先通过金属镉将硝酸盐还原为亚硝酸盐，再运用叠氮酸盐将其转化为氧化亚氮。将产生的氧化亚氮输入自动捕集纯化浓缩系统中测定其氮、氧同位素，通过公式换算得出硝酸盐的氮、氧同位素值[21]。

1.4 氮同位素源解析方法

通过SIAR计算硝酸盐污染源贡献率，其模型表达如下：

(1)

式中：Xij为第i个样品中第j种同位素的值；pk为第k个源的贡献率；qjk为第j 种同位素在第k种源中的质量浓度，mg/L；Sjk为第k种源中第j种同位素的值；Cjk为第j种同位素在第k个源上的分馏系数；εij为残差。

2 结果与讨论

2.1 氮污染特征

由表1可见，在枯水期，采样点TN普遍较高，质量浓度为4.31～6.40 mg/L，

均值为5.34 mg/L；硝酸盐氮为3.46～5.71 mg/L。各采样点浓度分布在空间上

存在显著差异。结合图2和图3可知，采样点W1～W8、W15～W25为同一谱系，其TN浓度整体偏高。其中，采样点W1～W4、W15、W18～W20、

W22～W25周围主要为农业生产区，TN为5.14～6.40 mg/L，平均为5.35

mg/L，污染严重。该区域水体污染主要来源于生产过程中农药和化肥的使用，在

枯水期，化肥中的硝酸盐氮下渗到地下水中作为地表径流的补给，通过滞留的硝酸盐氮对河水造成严重影响。采样点W9～W14为同一谱系，其TN较其他采样点

表现出明显的差异，整体质量浓度较低(4.31～4.89 mg/L，平均为4.50 mg/L)。该区土地利用方式主要为居民区，该区可能受农村居民生活污水及生活垃圾的影响。表1 枯水期25个样品水质指标的统计描述Table 1 Statistical description of water quality of 25 samples variables in drought period项目水温