基于IsoSource的桂林寨底地下河硝酸盐来源定量研究

近些年,随着化肥和农药的广泛使用,地下水中硝酸盐污染日益严峻。本文选择桂林寨底地下河系统为研究区,对研究区进行地下水取样调查以及水化学和氮、氧同位素分析,利用IsoSource软件对其硝酸盐来源进行定量计算,为岩溶区地下水硝酸盐来源定量研究提供了一个新方法。结果表明,寨底地下河硝酸盐主要以NO3–为主,NO3–浓度变化在2.67~17.99 mg/L,平均值为6.3 mg/L,研究区内硝酸盐来源共有三种,分别为化肥、动物粪便与污水和土壤有机氮,其中化肥的变化范围为23%~78%,动物粪便与污水为6%~58%,土壤有机氮为6%~38%。沿地下水流动方向,化肥和动物粪便与污水的比例均发生了明显变化,与离居民区的距离密切相关,距离远时化肥比例较大,动物粪便与污水比例较小,距离近时则相反。     

硝酸盐污染氮氧同位素溯源及贡献率分析——以南阳地区为例

南阳盆地地下水硝酸盐污染形势不容乐观,但是其成因尚不清楚。为了识别该地区浅层地下水中硝酸盐的污染来源,系统采集了28组样品,基于稳定同位素质量守恒定律和线性混合定律,通过分析硝酸盐中氮氧同位素组成(δ15N、δ18O),定量计算出了不同污染源对地下水硝酸盐的贡献程度。研究结果表明:该地区浅层含水层地下水NO-3-N的浓度均值为23.25 mg/L,以地下水质量Ⅲ类水为标准,超标率达39.29%;污水及粪便是造成硝酸盐污染的主要原因,其平均贡献率为73%;其次为化肥的施用占23%;该地区地下水环境受人类活动影响强烈,而自然因素对硝酸盐污染的贡献程度可忽略不计。     

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

在土壤排水良好、氧化的地下水环境中,地下水的氮同位素组成反映了源的特征。当地下水硝酸盐的δ15N值在+4‰～+9‰范围内时,这个值域指示地下水硝酸盐污染源是土壤有机氮或化肥与粪便的混合。通过分析对比前人研究资料,地下水中硝酸盐是否来自土壤有机氮的转化,其前提条件是研究区土壤有机氮是否丰富,特别是包气带中是否积累了大量有机氮转化的NO3-,并以石家庄市地下水硝酸盐污染为例,说明了这种条件分析在氮同位素技术应用时的重要性。通过包气带岩性、有机质和NO3-含量分析、施肥区与未施肥区灌水试验对比,土壤有机氮不是石家庄市地下水NO3-的一个主要污染源。当地下水硝酸盐低浓度时(1991),85.7%的样品NO3-的δ15N值在+6.1‰～+8.4‰范围内,指示污染源主要为化肥与粪便的混合,而当现今的高浓度时,样品硝酸盐的δ15N均值(+9.9‰±4.4‰)大于+8‰和超过半数(65%)样品的δ15N值大于+8‰,指示污染源主要是粪便或含粪便的污水。     

张掖市“三氮”分布及成因

应用氮同位素技术对地下水NO3-来源识别表明,污水灌溉是浅层地下水中NO3-主要来源,非污水灌区的化肥的大量施用、粪便的随意堆放是周边地下水中NO3-的主要来源。     

桂林甑皮岩岩溶地下水硝酸盐来源与转化

峰林平原是人类活动和居住的密集区，也是岩溶地下水系统的主要径流、排泄地段，地下水资源丰富。随着城市化的发展，地下水硝酸盐污染问题日渐突出。为研究桂林甑皮岩岩溶地下水硝酸盐来源与转化，分别于2018年10月、2019年2月、3月和4月采集地下水样，利用常规水化学及氮氧同位素技术识别硝酸盐来源与转化。结果表明:甑皮岩地下水中NO3-浓度在0~19.523 mg?L-1，δ15N-NO3-和δ18O-NO3-分别在-0.17‰～45.12‰和-5.82‰~16.47‰。硝酸盐氮氧同位素数据表明，甑皮岩地下水硝酸盐来源主要为粪便及污废水，少量来自降雨中的NH4+和土壤有机氮。受岩溶介质不均一性的控制，甑皮岩地下水中NO3-浓度、δ15N-NO3-和δ18O-NO3-均表现出明显的空间变异性。甑皮岩地下水硝酸盐的转化过程复杂，受控于季节和岩溶介质不均一性，表现为旱季以反硝化为主，雨季则以硝化过程为主。厘清硝酸盐来源与转化为治理甑皮岩地下水硝酸盐污染提供一定的科学依据。      

污灌区地下水硝酸盐污染来源的氮同位素示踪

为了识别石家庄市南部污灌区地下水硝酸盐污染来源, 采集5种潜在污染源和19组地下水样用于化学和氮同位素分析.灌溉污水NH₄+的δ15N值较低(4.0‰), 施化肥土壤和粪堆下土壤NO₃-的δ15N值分别为1.4‰和12.4‰; 仅施厩肥的蔬菜种植区下伏近30 m厚包气带沉积物NO₃-的δ15N分布显示, 来自动物粪便的NO₃-已运移到11.5 m以下包气带, 均值10.9‰; 污水灌溉农田下伏厚层包气带沉积物样品分析结果指示, 土壤层下伏包气带沉积物δ15N值变幅较小, 均值5.7‰.污灌区内除一深井外, 其他水井地下水硝酸盐浓度变化在52.6~124.5 mg/L之间, 均值79.72 mg/L, δ15N值变化在5.3‰~8.3‰之间, 均值7.0‰.污灌区地下水的δ15N值较污灌区土壤层下伏包气带沉积物的δ15N值高, 表明地下水NO₃-除了来自灌溉的污水外, 还有δ15N值更高的其他来源, 这些来源主要是人和动物粪便.利用线性混合模型计算, 污灌区地下水NO₃-来自灌溉的污水, 约占76%, 而来自人和动物粪便的NO₃-约占24%.为控制污灌区地下水NO₃-浓度进一步增长, 不仅要加强污水灌溉管理, 还要加强人和动物粪便的管理.      

用δ^15N确定大型养猪场附近地下水污染羽的硝酸盐的来源

动物粪便中的氮进入地下水和地表水有几种途径，包括粪便池的泄漏、疏忽的喷洒、地面迳流、不适当的排泄、大气扩散以及过度地粪便施肥等。动物粪便中的氮经硝化作用后，在浅表地下水中具有高度的可移动性，由于硝酸根结合阳离子的能力低，硝酸盐的浓度只能靠脱硝作用削弱，因此，土壤和含水层中的硝酸盐浓度高。     

氮氧同位素在河流硝酸盐研究中的应用

多年来，世界各地河流普遍存在硝酸盐污染问题。为控制河流的硝酸盐污染，确定河水中硝酸盐的来源以及研究氮的循环过程就显得尤为重要。由于在不同成因下，硝酸盐的δ¹⁵N和δ¹⁸O存在着较大差异，因此利用氮、氧同位素方法研究河流硝酸盐问题正日益受到国内外研究人员的重视。综述了用硝酸盐中氮、氧同位素来研究河流硝酸盐的不同来源(大气沉降、化肥、牲畜粪、土壤硝酸盐等)和示踪其地球化学循环过程，特别是反硝化过程，这两方面的研究进展，并对我国河流硝酸盐研究现状进行了讨论及提出今后的研究方向。      

西南喀斯特地区水体硝态氮时空分布特征及其来源解析

由于人类活动影响,水体硝态氮污染已经成为世界范围内的环境问题。硝态氮污染不仅会造成水体富营养化,长期摄入过量硝酸盐还会严重威胁人体健康,控制并解决水体硝态氮污染是我国经济社会发展过程中亟待解决的重要环境问题。我国西南喀斯特地区是世界上面积最大、发育最典型和人地矛盾尖锐的岩溶连续分布带,具有十分脆弱且高度敏感的生态系统。与非喀斯特地区相比,这里水体硝态氮污染情况更为复杂和严重。因此,明确西南喀斯特地区内硝态氮的时空分布特征并对其来源进行解析是有效治理的前提。本研究梳理了近几十年来西南喀斯特地区水体硝态氮的现代监测结果,探讨了水体硝态氮时空分布特征、来源及受控机制等问题,发现:(1)区域内地表水硝态氮平均检出质量浓度不高,地下水检出质量浓度波动范围较大;(2)近几十年来,地表水硝态氮质量浓度整体呈现小幅增长趋势,而地下水检出质量浓度随时间的变化存在地域差异;(3)降水的稀释和冲携作用对区域内硝态氮质量浓度及分布的影响不容忽视,而人类活动导致的土地利用变化带来的影响可能成为未来的主控因素;(4)区域内水体硝态氮主要来源于铵态化肥、土壤有机氮、粪肥及污水,硝化作用是主要的转化过程。研究结果将为进一步认识喀斯特地区氮循环过程及促进地区可持续发展提供理论基础。     

δ15N在贵阳地下水氮污染来源和转化过程中的辨识应用

随着城市的发展,贵阳地下水氮污染日趋严重,为评估地下水中氮的分布、来源和迁移转化,我们采集了 72个水样,并测定了三氮 (、和 )浓度、主离子、δ 15N- 和 δ 15N-等.结果显示,在贵阳地下水大多数样品中,- N是最主要的无机氮形态,城区地下水大部分含较高的- N; 然而在城市污水和有些被明显污染的地下水中,却是最主要的无机氮形态,尤其是枯水期.丰水期地下水样有较低的δ 15N值,受农业化肥等影响明显.丰水期地下水- N浓度随着 Cl-浓度升高而升高,表明丰水期地下水硝酸盐可能主要受混合作用等控制.而枯水期地下水中溶解氧与硝酸盐的δ 15N值呈负相关关系,且相对于丰水期地下水具有较高的δ 15N值、较低的硝酸盐浓度和较低的 DIN/Cl值,说明地下水环境中主要受土壤有机氮等影响 , 同时可能存在反硝化.     

漓江流域碳氮同位素组成特征及其来源初探

以漓江流域境内地表河和地下河为研究对象，通过测定、分析水体中的水化学组成以及δ13C_DIC、δ15N-NO₃-、δ18O-NO₃-等，利用同位素质量平衡混合模型，初步探讨了漓江流域境内DIC、硝酸盐的分布特征及其来源.结果表明:漓江流域DIC（即HCO₃-）浓度和无机碳稳定同位素（δ13C_DIC）分别在12.20~402.60 mg·L-1和-17.29‰~-10.01‰，平均值分别为140.3 mg·L-1和-13.06‰.NO₃-浓度在2.37~35.38 mg·L-1，δ15N-NO₃-在0.99‰~11.09‰，均展现出明显的空间变异特征.有机肥和污水对漓江流域硝酸盐的贡献最为显著，贡献比达57.00%.其次是化肥、降雨中的NH₄+和土壤N，贡献比分别是36.45%，6.55%.流域内DIC主要来源于碳酸盐岩的风化和土壤CO₂的溶解，同时也受硝酸溶蚀碳酸盐岩和大气CO₂的影响.结果可为定制有效的控制硝酸盐的输入途径，净化水质测略提供依据.      

北京西山岩溶水中硝酸盐来源及迁移特征

西山岩溶水作为北京市重要的供水水源,在区域水文地质调查过程中发现西山岩溶水补给区一些样品硝酸盐浓度偏高,然而其周围岩溶水中硝酸盐浓度并未见明显变化（浓度均值为18.81 mg/L）,具点状硝酸盐源特征。岩溶含水层中硝酸盐分布特征和影响因素具有重要的研究意义。文章利用岩溶水化学和同位素分析结果研究了岩溶水硝酸盐分布和来源,利用IsoSource软件计算各来源的贡献率。结果表明:军庄—永丰屯径流区和军庄—古城—玉泉山泉径流区岩溶水中硝酸盐主要来源于生活废水、土壤有机氮矿化和大气沉降,贡献率值分别为37.1%、36.3%、26.6%;潭柘寺—四季青岩溶水中硝酸盐在潭柘寺补给区有养殖场废水下渗影响,径流区中硝酸盐含量低并发生反硝化降解作用。永定河水源硝酸盐不是岩溶水硝酸盐的主要来源。研究成果对西山岩溶水中硝酸盐的控制具有重要参考价值。     

Nitrogen and oxygen isotopic compositions of water-soluble nitrate in Taihu Lake water system, China: implication for nitrate sources and biogeochemical process

The stable isotope nitrogen-15 (¹⁵N) is a robust indicator of nitrogen (N) source, and the joint use of δ¹⁵N and δ¹⁸O–NO₃ ^? values can provide more useful information about nitrate source discrimination and N cycle process. The δ¹⁵N and δ¹⁸O–NO₃ ^? values, as well as major ion tracers, from Taihu Lake in east China were investigated to identify the primary nitrate sources and assess nitrate biogeochemical process in the present study. The results show that the nitrate concentration in West Taihu Lake (WTL) was generally higher than those in East Taihu Lake (ETL) and its upstream inflow rivers. The NO₃ ^?/Cl^? value combined with mapping of δ¹⁵N–NO₃ ^? and NO₃ ^? concentration suggest that the mixing process should play a major effect in WTL, and denitrification was the dominant N transformation process in WTL. A linear relationship of close to ~1: 2 was observed between δ¹⁵N–NO₃ ^? and δ¹⁸O–NO₃ ^? values in WTL, confirming the occurrence of denitrification in WTL. The δ¹⁵N–NO₃ ^? data imply that sewage and manure were the principal nitrate sources in WTL and its feeder rivers, while the nitrate in ETL might derive from soil organic nitrogen and atmospheric deposition. The δ¹⁸O–NO₃ ^? data indicate most of nitrate from microbial nitrification of organic nitrogen matter possibly make a significant contribution to the lake.     

广西南宁朝阳溪对浅层地下水污染特征研究

文章利用5个钻孔和3个水井监测资料,分析了广西南宁朝阳溪排污沟对周边浅层地下水的影响。结果表明,朝阳溪排污沟对周边浅层地下水产生了明显的污染,特征污染物为氨氮,浓度超过地下水环境质量Ⅲ类水质标准1~65.75倍,氨氮浓度随距朝阳溪的距离增大而逐渐减小,且具有季节变化特征,丰水期污染程度明显低于枯水期。分析认为,浅层地下水的三氮主要来源于排入朝阳溪的人畜粪便;多环芳烃主要来源于草、木、煤燃烧;DDT来源于历史残留,BHCs则来源于上游林丹的使用和远距离大气沉降。      

Effects of agricultural practices on nitrogen distribution in unsaturated soils

Nitrogen fertilizer consumption is very common in the agricultural practices. Nitrogen application could be an important source of groundwater N pollution. Normally, nitrogen can pass through the unsaturated zone to pollute the groundwater. Different agricultural practices have different cultivation methods, accordingly different fertilization and irrigation techniques. Hence, the agricultural practice determines the environment of the unsaturated zone, which subsequently determines the extent of groundwater N pollution. To verify the pollution modes and transformation mechanisms of nitrogen, both in situ and laboratory tests were conducted at four different sites to study the effects of agricultural practices on nitrogen distribution in unsaturated zones. The inorganic nitrogen in soil is extracted by potassium chloride solution, and the soil utilization form and pollution type are identified by δ¹⁵N by comparing with the known standard values. The experimental results indicate that continual fertilization and sewage irrigation in these agricultural regions were the primary sources of nitrogen in the unsaturated zone. In the soils planted with rice, δ¹⁵N–NH₄ ⁺ was relatively elevated due to ammonium volatilization. In the unsaturated zone of rice–wheat rotation fields, NO₃ ^?–N and δ¹⁵N were both elevated because of manure fertilizer. Meanwhile, denitrification also occurred in the hypoxic environment due to the high soil water content.     

Modeling the risk of nitrate leaching and nitrate runoff loss from intensive farmland in the Baiyangdian Basin of the North China Plain

The water movement and soil nitrogen cycle of the Baiyangdian Basin were simulated, and the risk of nitrate leaching and nitrate runoff loss from intensive farmland was assessed by using the distributed hydrological soil and water assessment tool (SWAT) in this study. The model assessment showed that SWAT was able to simulate water and nitrate movement in the region with satisfactory results. The modeling analysis indicated that fertilizer application was the overriding source of soil nitrogen and might result in a large amount of nitrate accumulation in soils; this nitrate might be lost by leaching or runoff driven by water movement. In 2009, nitrate nitrogen leaching represented 19.5 % of the total amount of nitrogen fertilizer application, while nitrate nitrogen runoff represented 1.7 % only. Thus, it showed that the nitrate leaching was the main approach of soil nitrogen movement in farmland because of strong percolation. It also showed a significant variation of nitrate leaching from different soil depths, with the largest amount leached from surface soil layers and the smallest amount leached from lower soil layers. Therefore, it could be further revealed that the nitrate concentration was very low at soil layers lower than the root zone of crops (1.2 m). Validated by groundwater observations, groundwater pollution by nitrate derived from fertilizers was not serious because of the deep groundwater level in the study plain. However, the risk of groundwater pollution would increase significantly if precipitation increased.     

贵州洪家渡盆地泉水水化学和碳同位素特征及成因

泉水是洪家渡盆地居民的重要饮用水源,近些年随着人类活动的增强,泉水水质呈恶化趋势。为查明泉水中污染物来源及其地球化学过程,采集15组具有代表性的水样分析水化学、溶解无机碳（dissolved inorganic carbon,DIC）碳同位素(δ13CDIC)特征。结果显示泉水组分以Ca2+、Mg2+和HCO-3为主,富集SO2-4,硫酸、硝酸与碳酸共同参与了研究区碳酸盐岩风化。泉水Na+、Cl-、K+和NO-3主要来源于肥料（如化肥、粪肥）和污水,SO2-4主要来源于煤层中硫化物氧化、雨水和污水。S01和S09泉因NO-3超标已不可直接饮用。泉水δ13CDIC值主要受碳酸盐岩溶解和土壤CO2的控制,但硫酸、硝酸参与碳酸盐岩风化使泉水δ13CDIC值偏正,且SO2-4、NO-3浓度上升;而硫酸盐细菌还原作用和反硝化作用及人为输入污染物中有机质的降解导致泉水δ13CDIC值偏负。诸多因素导致泉水δ13CDIC值在-17.72‰~-8.74‰之间,平均值为-11.58‰。研究证实δ13CDIC与水化学相结合是探讨碳的生物地球化学过程及示踪岩溶区地下水污染物来源行之有效的方法。     

地下水硝酸盐污染的同位素研究进展

土壤原生氮、无机化肥和动物粪便等氮源中15N富集程度存在差异,使得利用稳定同位素N(δ15N/14N)能有效识别地下水中NO3-的来源。但N不是一个稳定的示踪剂,地下水中NO3-的δ15N是N源的初始δ15N值、后期进入含水层的迁移路径中和地下水流运动途径中不同形态的N之间相互转化过程,如矿化、吸附、硝化和反硝化作用,发生的同位素分馏作用后的综合反映。利用地下水中NO3-的δ15N确定其来源必须首先确定分馏作用是否发生及其反应程度。本文重点探讨了判断分馏作用是否发生及其反应程度的方法,总结了N同位素判别地下水NO3-污染源方法的发展历程,并指出未来研究工作应该以硝酸盐在包气带中的迁移转化规律为重点。