氮和氧同位素示踪云台山地表水硝酸盐来源

多年监测发现,5A级风景旅游区云台山水中总氮超标.为了摸清其不同形态氮含量水平并识别氮污染来源,本研究分别于丰水期(2021年9月、2022年6、7月)、平水期(2021年11月)和枯水期(2021年12月、2022年2月)采集云台山马鞍石水库表层和深层水及其上游河流表层水样品共58个,测定并分析了水化学参数(TN、NO_(3)^(-)-N、NH_(4)^(+)-N和Cl^(-))的浓度和硝酸盐氮氧稳定同位素(δ^(15)N-NO_(3)^(-)、δ^(18)O-NO_(3)^(-)),同时利用SIAR同位素模型定量解析了水库及其上游河流中NO_(3)^(-)源的贡献.结果表明,马鞍石水库及其上游河流水中ρ(TN)、ρ(NO_(3)^(-)-N)、ρ(NH_(4)^(+)-N)变化范围分别为1.86~6.4、1.40~4.19、0~0.45 mg·L^(-1),ρ(NO_(3)^(-)-N)/ρ(TN)变化范围为44.08%~99.3%,均值为79.84%,硝态氮是氮的主要存在形态.δ^(15)N-NO_(3)^(-)和δ^(18)O-NO_(3)^(-)变化范围分别为-9.12‰~8.49‰和-0.58‰~13.62‰,水库δ^(15)N-NO_(3)^(-)和δ^(18)O-NO_(3)^(-)值在平水期最高.δ^(15)N-NO_(3)^(-)、δ^(18)O-NO_(3)^(-)值和n(NO_(3)^(-))/n(Cl^(-))与Cl^(-)物质的量浓度的关系指示水库及其上游河流NO_(3)^(-)主要来源于化肥和土壤氮.SIAR同位素模型结果表明,丰水期、平水期和枯水期土壤氮的贡献分别为48.5%、41.5%和22.4%,化肥的贡献分别为25.8%、22.9%和62.7%.

丹江口水库淅川库区大气硝酸盐干沉降特征及源解析

以丹江口水库淅川库区为研究区,于2021年1~12月设置5个监测点进行干沉降样品采集,分析了样品中硝酸盐浓度、通量及其氮氧同位素,基于稳定同位素模型(SIAR)量化了硝酸盐的主要来源.结果表明,库区干沉降中硝酸盐月均浓度为0.16mg/L,全年硝酸盐干沉降通量为2.49kg/(hm^(2)·a),δ15N-NO_(3)^(-)和δ^(18)O-NO_(3)^(-)月均值分别为(+0.17±4.10)‰、(+56.6±9.18)‰.干沉降中硝酸盐浓度、沉降通量和氮氧同位素的季节性差异显著,秋冬季节的硝酸盐浓度和沉降通量均高于春夏季节,主要与寒冷季节化石源排放量增加、大气边界层稳定性增强以及气粒转化平衡趋于颗粒态硝酸盐生成有关;冬季最高的δ15N-NO_(3)^(-)与冬季燃煤取暖和低温导致的氮同位素平衡分馏效应增加有关,夏季最低的δ^(18)O-NO_(3)^(-)则与NO_(2)+·OH途径形成硝酸盐占主导有关.SIAR分析结果发现,库区干沉降中硝酸盐主要来自化石源(交通排放及煤燃烧),贡献率为69.3%,其中交通排放源和煤燃烧源贡献率分别为51.1%和18.2%.冬季化石源的贡献率最高(72.0%),其中70.4%来源于交通排放.进一步证实交通排放和冬季燃煤取暖是影响库区干沉降中硝酸盐的主要因素,控制交通移动源污染排放和煤燃烧是今后减少大气中硝酸盐的重要举措.此外,较为稳定的生物质燃烧源对硝酸盐的贡献率表明外源输入也是库区硝酸盐干沉降中的重要来源.

四川盆地农业区河流型水库流域地下水硝酸盐来源解析及健康风险研究

地下水硝酸盐(NO_(3)^(-))污染是一个全球性的环境问题,尤其在农业区普遍存在。地下水中NO_(3)^(-)可以通过交互作用进入地表水中,是地表水NO_(3)^(-)的潜在来源。研究地下水中NO_(3)^(-)的来源及其贡献率对防治周边地表水NO_(3)^(-)污染具有重要意义。本研究以四川盆地农业区河流型水库周边地下水为研究对象,综合运用水文地球化学、多种稳定同位素(δD-H_(2)O和δ^(18) O-H_(2)O,δ^(15) N-NO_(3)^(-)和δ^(18)O-NO_(3)^(-))、贝叶斯同位素混合模型(SIAR)和人类健康风险评价(HHRA)解析地下水中NO_(3)^(-)的来源与转化过程、不同NO_(3)^(-)来源的贡献率及潜在的人类健康风险。结果表明:丰、枯水期地下水中NO_(3)^(-)-N浓度分别为1.24~42.91和0~42.96 mg/L,61%和40%的地下水样品超过了饮用水限值(10 mg/L)。δ^(15) N-NO_(3)^(-)和δ^(18)O-NO_(3)^(-)表明,研究区地下水中NO_(3)^(-)的主要来源为粪肥/生活污水。硝化作用可能是研究区地下水中重要的氮循环过程,存在加剧地下水NO_(3)^(-)污染的风险。SIAR模型得出丰、枯水期地下水中NO_(3)^(-)的主要来源为粪肥/生活污水,贡献率分别为50%和38%。HHRA表明长期饮用研究区NO_(3)^(-)浓度较高的地下水对人类健康具有潜在风险。

飞云江水系氮磷污染及硝酸盐氮来源解析

采集了飞云江水系干流和支流水样,分析了流域内不同区域水体的氮磷浓度,并通过Mix SIAR稳定同位素模型,解析了飞云江流域不同区域硝酸盐氮来源及其贡献。结果显示:(1)飞云江水系总氮为0.76~5.71 mg/L,从上游至下游浓度整体升高;总磷为0.01~4.83 mg/L,上中游低、下游高。(2)飞云江水系15 N自然丰度(δ^(15)N)和18 O自然丰度(δ^(18)O)分别为3‰~8‰、-7‰~0,土壤有机氮、污水和粪便是飞云江水系硝酸盐氮的主要来源,其中水体通过硝化作用进行氮转化过程,不存在反硝化作用。(3)飞云江水系中大气沉降、化肥和降水中氨氮、土壤有机氮、污水和粪便这4个污染源的贡献率分别为6.6%~25.4%、7.4%~29.2%、23.1%~56.1%、22.3%~40.8%。

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.

沁河上游硝酸盐的定量源解析及其季节性差异

沁河流域人为源硝酸盐输入增加了河流富营养化的风险.为识别沁河上游硝酸盐来源,分别于2017年10月、2018年3月和2018年6月在沁河上游采集了28个河流表层水样,联合稳定同位素(δ15 N-NO_(3)-和δ^(18) O-NO_(3)-、δD-H 2O和δ^(18) O-H 2O)和水化学参数(Cl-、NO_(3)--N、NH_(4)^(+)-N)评估了沁河上游河流硝酸盐源与关键过程,并基于贝叶斯混合模型量化了不同硝酸盐来源的贡献.结果表明:①沁河上游溶解无机氮以NO_(3)^(-)-N为主,秋季〔(2.40±1.17)mg/L〕高于春季〔(2.11±1.03)mg/L〕和夏季〔(1.50±0.61)mg/L〕;受积雪融化的影响,春季δ^(18) O-NO_(3)-(13.0‰±3.13‰)显著高于夏季(2.90‰±3.12‰)和秋季(6.62‰±1.30‰).②SIAR同位素模型结果表明,沁河上游硝酸盐主要来自土壤氮和化肥.在春、夏、秋3个季节,土壤氮的硝化对沁河上游硝酸盐的贡献比例分别为27.8%、39.5%和39.3%,化肥贡献比例分别为29.1%、40.2%和41.9%.春季(24.7%)大气沉降的贡献比例高于夏季(2.4%)和秋季(10.6%).③沁河上游硝酸盐主要受硝化过程的影响,没有发生明显的反硝化过程.研究显示,春季、夏季和秋季沁河上游硝酸盐主要来自土壤氮和化肥的硝化,硝酸盐污染防治应考虑化肥的使用效率和抑制硝化过程的发生.

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.