基于氮氧稳定同位素识别水体氮源的研究进展

氮源污染在全球范围内的地下水、河流、海洋等水体中都是一个备受关注的环境问题,尤其是受人类活动影响较大的区域,其污染来源多样,因此,关于水体中氮污染来源识别是水体氮污染防治的有效手段。近几十年来,利用硝态氮中的氮、氧在不同来源同位素值的不同,作为识别水体中氮污染源的有效手段。通过总结利用硝酸盐氮氧双同位素识别氮源的基本原理和不同氮污染源中氮、氧同位素组成的特征变化区间,结合水体其他水质指标来定性判断水体中氮的来源,描述硝酸盐同位素测试预处理的4种方法。结合其他数学模型,定量识别水体中氮源的贡献比例,并对利用同位素技术研究氮源污染情况进行总结与展望。

硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程记录的海洋氮循环研究进展

海洋生态系统中的氮素生物地球化学循环主要是由微生物的代谢过程来驱动的,包括氮固定、氮同化、硝化以及反硝化和厌氧氨氧化过程,这些过程都伴随着不同程度的氮氧同位素的分馏,直接影响着海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素组成。因此,通过检测海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素信号,就可以捕捉到海洋中发生的具体氮素循环过程。细菌反硝化法是这一研究最有力的手段,通过细菌的作用把硝酸盐中记录的氮氧稳定同位素信号转化到N2O中,再通过痕量N2O的同位素质谱测定和分析,准确地反映海洋中发生的氮素转化过程。硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程为深入理解海洋氮循环提供了一个重要的工具,有力推动了海洋氮素生物地球化学的研究,在近10年来取得了重要进展。

关于对流层大气N_2O氮、氧稳定同位素负荷平衡的初步探讨

对流层大气Ｎ２Ｏ的氮、氧稳定同位素负荷由地表和海洋释放的富轻同位素的Ｎ２Ｏ与平流层回流的富重同位素的Ｎ２Ｏ来平衡，但Ｋｉｍ和Ｃｒａｉｇ的计算方案无法使之平衡［１］．笔者根据全球Ｎ２Ｏ释放源最近的年释放量估算值，对Ｋｉｍ和Ｃｒａｉｇ［１］的计算方案进行了初步改进，在考虑土壤Ｎ２Ｏ生成过程中氮、氧稳定同位素的分馏效应和氧同位素的纬度变化效应后，推论出全球Ｎ２Ｏ释放源最近的年释放量估算值能使对流层大气Ｎ２Ｏ氮、氧稳定同位素负荷分别接近于平衡．

牛奶中碳、氮、氢和氧稳定同位素比的测定及其在产地溯源分析中的应用

应用元素分析-同位素质谱仪(EA-IRMS)和多用途气体制备-连续流稳定同位素质谱仪(GasBench-IRMS)分别测定了来自国内外7个不同国家(澳大利亚、新西兰、西班牙、德国、奥地利、意大利和中国)的83件牛奶样品中碳、氮、氢、氧的稳定同位素比值(δ13 C、δ15 N、δ2 H和δ18 O)。对所测得的数据用SPSS 20.0软件分别进行了方差分析、聚类分析以及牛奶产地的判别分析。从所得结果可见,上述4项稳定同位素比值中的每一项都可获得相关牛奶样品产地来源的若干信息,但还不足以作为相关牛奶样品的溯源地判别的充分依据。而将测试结果进行组合后,对δ13 C、δ15 N和δ2 H三项指标组合交叉检验整体判别正确率达到84.3%,据此采用3项组合指标对牛奶产地进行判别分析,并在此项组合指标的基础上建立了产自7个国家的牛奶的判别模型。对自来这7个不同国家的牛奶盲样进行判别时,可将所测得样品中上述3项稳定同位素的δ值代入所建立的模型中,并比较各模型所得的Y值的大小,其中Y值最大的,即归属于此模型所代表的国家。

基于水化学及当地稳定同位素的地下水硝酸盐污染空间分布特征及污染源解析

为精准识别张家口市宣化区地下水硝酸盐污染的空间分布情况及其来源,根据张家口市宣化区洋河两岸地下水水质监测数据,采用水化学分析方法分析硝酸盐污染现状,利用氮氧稳定同位素方法定性分析污染物来源,并利用ArcGIS软件对地下水硝酸盐浓度、氮氧同位素特征值进行可视化表征,更加直观地表现地下水环境质量时空差异.根据SIAR模型(同位素混合模型)定量计算各污染源的贡献率.结果表明:①张家口市宣化区地下水“三氮”污染主要为硝酸盐氮,浓度平均值为27.23 mg L,污染浓度高值区域出现在建设用地.②研究区典型特征污染物的氮同位素特征值(δ^(15)N-NO_(3)^(-))在土壤中的分布范围为1.46‰~7.71‰,在粪便及污水中的分布范围为9.49‰~17.57‰,可充实当地δ^(15)N-NO_(3)^(-)分布数据库.③硝酸盐污染主要来源于土壤氮、粪便及污水,水化学及同位素特征表明氮的迁移转化以硝化作用为主.④SIAR模型计算结果表明,土壤氮、粪便及污水、无机化肥及工业废水贡献率分别为44.36%、43.35%、9.24%.研究显示,硝酸盐污染主要受生活污水、工业生产活动和该地区农业灌溉的影响,污染物主要来源于土壤氮、粪便及污水,且建设用地污染情况较耕地更为严重.

城镇化流域地下水氮素组成特征及来源解析

为揭示城镇化地区地下水氮素组成特征及来源,以深圳市坪山区麻雀坑水流域为研究区域,分别于2020年9月(丰水期)和2020年12月(枯水期)采集民井、采样井和基坑地下水样品并分析样品中氮素的组成特征,联合硝酸盐氮氧同位素和氨氮氮同位素示踪技术,识别氮素的主要来源及转化过程,结合稳定同位素源解析模型,计算不同硝酸盐来源的贡献比。结果表明:1)麻雀坑水流域地下水氮素的主要赋存形态为NO-3-N,其次是NH4+-N。NO-2-N质量浓度相对较低,平均在“三氮”中所占的比例仅为1.2%,氮素质量浓度的季节变化不显著;2)同位素示踪信号显示地下水氮素的主要来源为污水与粪便,氮的转化过程以硝化作用为主;3)稳定同位素源解析模型结果显示,丰、枯水期地下水硝酸盐不同来源的平均贡献率排序相同,为污水与粪便>土壤氮>大气氮沉降>肥料,但贡献率大小不同。丰、枯水期源于污水与粪便的地下水硝酸盐贡献率分别为45%和74%,民井与采样井、基坑地下水中硝酸盐来自污水与粪便的比例分别为68%和82%;4)已关闭养猪场的历史遗留氮素是区域地下水潜在的氮污染来源,并影响地下水氮素的转化过程,位于地下水排泄区的基坑水受养猪场遗留氮素的影响更大。

区域传输对庐山雾水硝酸盐组分来源和形成机制的影响

雾沉降是大气气溶胶重要的汇,近年来硝酸盐已经成为雾水中重要的组成成分,厘清雾水清除的硝酸盐来源及其形成机制显得更加重要。本研究于2016年1月使用三级分档雾水采样器对庐山冬季一次大雾过程进行雾水样品的采集,并对其水溶性离子组成和硝酸盐的氮氧同位素(δ^(15)N、Δ^(17)O)进行分析。分析结果表明,硝酸盐是庐山雾水的关键离子组分(27.8%±3.1%),且在不同粒径雾滴中占比相似。不同粒径雾水(S1:≥22μm,S2:16~22μm,S3:4~16μm)硝酸盐的氧同位素异常值(Δ^(17)O-NO_(3)^(–))分别为27.3‰±1.4‰、27.8‰±1.2‰、27.7‰±1.5‰,氮同位素值(δ^(15)N-NO_(3)^(–))分别为1.2‰±2.3‰、−2.5‰±2.2‰、−2.8‰±2.8‰。通过结合氮氧同位素和贝叶斯混合模型,对庐山雾水中硝酸盐的来源和形成机制进行定量解析。模型计算结果揭示在雾中过程,庐山雾水硝酸盐的主要生成机制是N_(2)O_(5)水解反应(42%~46%),硝酸盐主要来源为机动车排放(56%±6%)。雾消散过程中,雾水硝酸盐Δ^(17)O和δ^(15)N呈现低值(δ^(15)N-NO_(3)^(–):−25.9‰,Δ^(17)O-NO_(3)^(–):24.9‰),表明微生物氮循环为雾水硝酸盐的主要来源(44.5%),且NO_(2)+·OH途径的占比上升至30%;后向气团轨迹表明,硝酸盐来源及生成机制的改变是颗粒物的传输由远距离输送(~80%)转变为本地生成主导(60%)所致。

黄土高塬沟壑区典型城郊流域地表水硝酸盐来源示踪

随着工农业的快速发展,地表水硝酸盐污染已成为黄土高原地区严重的环境问题之一.以黄土高塬沟壑区典型城郊流域砚瓦川为研究区,采用水化学分析方法和氮氧双稳定同位素技术,并结合SIAR模型,定量识别旱季和雨季研究区地表水硝酸盐不同污染源的贡献率,阐明不同污染源季节性差异的主要原因.结果表明,流域地表水无机氮主要以NO^(-)_(3)-N和NO^(-)_(2)-N形态存在,NO^(-)_(3)-N和NO^(-)_(2)-N雨季浓度平均值均高于旱季,而NH^(+)_(4)-N则呈现相反特征;流域内地表水硝酸盐的转化过程主要以硝化作用为主,雨季其主要来源是粪肥污水,而旱季主要为粪肥污水和土壤氮淋溶,铵肥次之;不同污染源对流域地表水硝酸盐的贡献比例具有显著的季节性差异,旱季与雨季城镇污水排放的贡献比例均为最高,分别为31.40%和65.66%,且雨季污水排放对NO^(-)_(3)的影响远高于旱季,夏季居民用水增加导致大量污水排放至流域内是引起这一现象的主要原因.