哈尼稻田水体硝酸盐氮、氧同位素特征及硝酸盐来源解析

[目的]本文旨在揭示哈尼稻田典型“四素同构”系统内现有水肥利用背景下的水体硝酸盐氮素来源及迁移转化规律。[方法]测定小寨片区5月和10月不同位置水体的硝酸盐δ^(15)N、δ^(18)O值,利用稳定同位素分析模型(SIAR)进行硝酸盐的氮源贡献率计算。[结果]哈尼稻田系统内不同水体、不同位置的硝酸盐δ^(15)N、δ^(18)O差异极显著,各水体以硝化作用为主;随着海拔降低,主要的稻田区田面水硝酸盐δ^(15)N呈下降趋势,土壤水呈增加趋势,边渠水和河流水变化更为复杂。利用SIAR模型解析得到硝酸盐源贡献率分别为:化学肥料7.1%~26.7%,生活污水+粪肥17.7%~29.7%,土壤氮素25.5%~36.7%,大气降水20.1%~37.4%。森林出水硝酸盐源主要是大气降水和土壤氮素,田面水硝酸盐源在施肥期主要是化学肥料和生活污水+粪肥,收割期主要是土壤氮素和大气降水;土壤水硝酸盐源在施肥期和收割期主要是土壤氮素及生活污水+粪肥;下游河流水硝酸盐源主要是土壤氮素,而在5月化学肥料也是其主要来源。[结论]施加生活污水+粪肥导致哈尼稻田内水体硝酸盐δ^(15)N增高,发生向下游河流的迁移,但是更多富集在土壤中;化学肥料是哈尼稻田向下游河流迁移的主要硝酸盐源,10月比5月的硝酸盐输移量相对减少,哈尼稻田表现出硝酸盐源和汇的双重特点。

庙岛群岛毗邻海域秋季底栖食物网潜在碳来源贡献及对碳汇渔业的思考

陆架边缘海是全球海洋重要的碳汇区域,而近岸岛屿毗邻海域作为最具代表性的边缘海域,具有来自海洋与陆地的不同碳来源,在碳循环和海洋碳汇中发挥着重要作用。本研究基于碳氮稳定同位素方法,利用贝叶斯混合模型,分析2020年秋季庙岛群岛毗邻海域底栖食物网中不同碳来源(浮游植物、大型藻类、悬浮颗粒有机物和底质有机物)对主要消费者类群(水生底栖无脊椎动物、杂食性鱼类、底栖食性鱼类和肉食性鱼类)的相对贡献,并以此对海洋碳汇和碳汇渔业展开了讨论。结果显示,庙岛群岛毗邻海域秋季底栖食物网生物类群的潜在碳来源主要为藻类(包括浮游植物和大型藻类)和海底底质有机质(SOM),但悬浮颗粒有机物(POM)的贡献较低。碳来源主要以内源性碳(海源)为主。由于大型藻类对水生底栖无脊椎动物的贡献明显高于鱼类,在碳汇渔业的指导下,合理科学地进行藻类增养殖,并通过贝类或以贝藻为食的鱼类混和养殖可能增加碳汇能力,从而促进碳汇渔业的发展。

基于稳定同位素模型解析农业污染河流氮源

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TN较高,平均为5.34mg/L,农业生产集中区TN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%。

基于同位素示踪方法的东江流域氮素分布特征和来源解析

为了探明东江流域氮素污染现状及氮素污染来源,在东江流域设置31个采样点位,于2020年枯水期(1月)和丰水期(7月)进行水体样品和主要污染源样品的采集及检测,结合氮氧双稳定同位素及SIAR模型,绘制典型污染源的δ^(15) N、δ^(18) O特征分布图并估算其贡献率,定量分析识别氮素来源,从而对东江流域的氮负荷进行更加有效地控制.结果表明:①东江流域氮素污染以支流区最为严重,其次为源头区,这两个区域的水质均达到地表水环境质量标准(GB3838-2002)氨氮浓度的Ⅲ类水平,相比之下,上游区、中游区污染较轻,且氨氮浓度能达到地表水环境质量标准的II类水平.②东江流域氮素以硝态氮为主要赋存形态,枯水期、丰水期各研究区域内硝态氮占总氮的比例分别为43.29%~74.83%、65.51%~80.08%.③东江流域枯水期生活污水是主要的污染来源,贡献率为44.45%~61.39%,丰水期降雨径流是主要的污染来源,贡献率为36.67%~46.11%,究其原因跟流域内不同水文期降雨量大小和河道水量有关.④氮素浓度在丰水期和枯水期之间存在明显差异,且从2009年至今,水体氮素污染程度呈现加重趋势,建议通过测土配方,因地制宜地使用化肥、农家肥,将产生的生活污水、养殖废水等收集集中处理等措施,提高污水处理率,减轻东江流域氮素污染负荷.

沉积物-水界面氮的源解析和硝化反硝化

掌握沉积物-水界面氮的循环过程,对有效控制地表水氮污染具有关键的作用.通过采集西湖不同季节的柱状芯样,利用氮、氧同位素技术及稳定同位素源解析模型(stable isotope analysis in R,SIAR)并结合乙炔抑制法研究沉积物-水界面氮的来源及迁移转化.结果表明,硝酸盐(NO_3^-)和氨氮(NH_4^+)在沉积物-水界面均存在浓度梯度,NO_3^-自底层水向间隙水扩散,是为沉积物累积;NH_4^+自间隙水向底层水扩散,是为沉积物释放.西湖底层水硝化作用明显,硝酸盐来源包括生活污水(粪肥)、土壤氮、化肥和降雨,生活污水(粪肥)是主要来源,其在夏季贡献率高达60.8%.间隙水中特别高的δ15N值反映西湖沉积物-水界面存在强烈的反硝化作用.西湖沉积物-水界面硝化速率和反硝化速率的平均值分别为2.85 mmol·(m^2·d)^(-1)和23.51μmol·(m^2·d)^(-1),沉积物-水界面在水体氮素去除过程中作用显著.硝化速率和反硝化速率时空变化显著.温度和溶解氧是影响西湖沉积物-水界面氮迁移转化的主要因素.

稳定同位素模型解析大气氨来源的参数敏感性

氨(NH3)是大气霾污染和过量氮沉降的关键前体物,准确厘清其来源是制定NH3减排策略的科学基础.稳定同位素模型(SIAR)在NH3溯源研究中展现出巨大潜力,其解析结果的可靠性与NH3排放源的氮同位素指纹谱(δ15N-NH3)密切相关.本研究基于2013年1月北京霾污染期间的同位素观测资料,使用SIAR评估了3个重要源谱参数(源的数量、源的δ15N-NH3特征值及其标准差)对NH3源解析的影响.结果表明,农业源的贡献率对源谱δ15N-NH3特征值的变化最敏感,其次为化石燃烧源,氨逃逸源的敏感性最低.农业源δ15N-NH3标准差的改变仅造成农业源贡献率变化约4%,但其特征值的改变却造成农业源贡献率20%的变化.相比之下,将农业源拆分为化肥挥发和畜牧养殖源后,解析结果并未显著增加农业源的总贡献,即"非农业源"仍然是2013年初北京霾污染期间NH3的重要来源.考虑到农业源的贡献率对SIAR模型参数改变的响应最为敏感,且不同类型的农业源δ15N-NH3差异较大,未来需要针对农业源δ15N-NH3的时空变化规律及影响因素开展深入研究,以此来降低同位素源解析模型的不确定性.

基于氮氧同位素解析不同降雨条件下硝酸盐污染源

随着城市化的进程和人类活动强度的增加,过高的硝酸盐污染负荷对地表水水质安全构成极大威胁.当前针对地表水体的硝酸盐源解析仅强调了来源的季节性变化特征,而鲜见考虑降雨事件对区域污染源组成的影响.本文以扬州市江都区通扬运河为研究对象,利用氮氧同位素技术和基于R语言的稳定同位素模型(stable isotope analysis in R)定量评价了各类型污染源在不同降雨条件下对水体硝酸盐污染的贡献.结果表明:①通扬运河各区段污染物浓度具有很强的空间变异性.ρ(NO_(3)^(-))和ρ(NH_(4)^(+))具有相似的空间分布特征,表现为:中游区>下游区>上游区,中游区较高的城市化水平带来的人类活动加剧了氮污染的输入.②降雨增加了各河段污染物浓度的不确定性,降雨带来的冲刷和稀释效应总体上增加了水体中的ρ(NO_(3)^(-))、ρ(NH_(4)^(+))、ρ(Cl^(-))和ρ(SO_(4)^(2-)).③在无雨和低降雨的条件下,通扬运河水体NO_(3)^(-)主要来源于大气沉降(贡献率为27%~47%)和土壤有机氮(贡献率为21%~29%);在降雨事件影响下,化肥(贡献率为16%~34%)成为了最主要的污染源.降雨造成的污染源变化具有空间差异性,下游区(农业区)化肥和土壤有机氮贡献率的增加较中上游区更加明显.④下游区存在较强的反硝化作用,且低降雨条件下更容易发生硝化和反硝化.

氮氧同位素联合稳定同位素模型解析水源地氮源

找出作为优质水源地的水库氮的来源对控制其富营养化问题非常重要.本研究选取杭嘉湖地区的4个水库(青山水库、对河口水库、四岭水库和里畈水库),利用氮、氧同位素技术结合稳定同位素模型(stable isotope analysis in R,SIAR),对水库的硝酸盐(NO_3^-)来源进行了识别并计算了各污染源的贡献率.结果表明,4个水库中存在严重的氮污染,以硝酸盐为主,受人类活动干扰较大的青山水库,污染严重.4个水库86%以上的δ^(18)O值小于10‰,93%样品的δ^(15)N/δ^(18)O值小于1.3,说明水库中硝化反应明显而反硝化作用不显著.4个水库硝酸盐的主要来源是化学肥料和土壤氮,两者的贡献率为75%~82%,种植业面源污染给水源地水库带来的氮污染已非常严重;青山水库硝酸盐的来源还包括贡献率为25%的生活污水及粪肥、贡献率为7%的降水和贡献率为6%的工业废水,说明在人类活动强度大的区域生活污水及粪肥的污染也不可忽视;对河口水库、四岭水库和里畈水库硝酸盐的来源还包括降水,其贡献率分别为21%、24%和15%,可见在人为干扰较少的地区,降水对于水体硝酸盐的影响也不可忽略.