稳定氮同位素在环境污染示踪中的应用进展

自然界的氮循环已被严重扰乱,失衡的氮循环过程中产生的一些氮氧化物和氮氢化物(如N2O、NO3-、NO2-、NH3、NH4 等)是全球温室效应、水体富营养化和酸雨危害的主要贡献者。稳定氮同位素作为一种有效的示踪手段,在研究氮循环特别是污染氮源的识别方面有重要意义。本文在简要总结氮的同位素分馏效应的基础上,重点论述和分析了稳定氮同位素在植被-土壤-地下水系统和大气系统中的氮源识别,并结合研究现状探讨了研究前景。     

黄土高原植物与不同粒级中土壤体系氮同位素组成变化及意义

目前观点认为，自然生态条件下的非固氮植物-土壤体系中，根据分解供给是土壤中氮的主要来源。研究植物-土壤体系中氮素的分布转化规律是评估土壤中氮素有效性的重要基础。笔者选取黄土高原这一典型西北生境中植物-土壤样品，通过测定样品氮含量与同位素自然丰度组成变化，来说明不同粒级土壤中氮素的分解水平与潜力。 结果表明，植物在分解过程中氮同位素产生3‰-5‰不等的分馏，在粒级由大到小变化的土壤组份中，随着可分解氮素的减少，土壤总氮同位素比值表现不同程度的偏正趋势，并于小粒级中趋于稳定，这与含量测量中表现出的矿化氮含量增加规律一致。氮的同位素自然丰度组成对于植物分解程度的灵敏响应，使其可以作为一种指示植物-土壤体系中氮素转化程度与趋势以及评估土壤中氮的有效性的指标，应用于自然生态研究。     

河流可溶性有机氮研究进展

河流DON不但记录了流域侵蚀的过程,还记录着DON的生物地球化学信息,河流可溶性有机氮其流动是流域生态系统氮循环的重要组成部分。本文综述了河流可溶性有机氮的性质、来源、环境效应、时空变化以及同位素技术应用的最新研究进展,并指出今后河流DON的研究方向。     

百花湖水体氮的空间分布研究

初步探讨了百花湖水体中氮的空间分布特征,并分析了氮及溶解氧(DO)的相关性。对8个站位的表层、4m、8m及12m水体中总氮、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮及溶解氧进行了测定。结果表明,百花湖水体中总氮的平均含量为1.18mg/L,氨氮的平均含量为0.144mg/L,硝酸盐氮的平均含量为0.20mg/L,亚硝酸盐氮的平均含量为0.018mg/L。百花湖入湖口附近的1号采样点总氮、氨氮和硝酸盐氮的平均浓度都较其它采样点高。分析表明百花湖中DO浓度与硝酸盐氮和亚硝酸盐氮呈负相关,相关系数分别为-0.629、-0.724。      

大气环境氮同位素示踪及生物监测

大气中氮的转化、迁移和沉降等大气过程与地表氮的生物地球化学循环密切相关。氮同位素对大气氮源和氮的大气化学过程的定量研究已引起广泛关注。本文对大气不同氮源的同位素特征、氮在大气过程中的同位素分馏机制以及如何定量化大气氮过程的方法进行了简要阐述,并介绍了苔藓氮同位素作为一种新的研究手段在示踪大气氮源和大气氮过程等方面取得的新进展。对国内开展的有关大气氮同位素以及苔藓氮同位素方面的工作进行了重点介绍。     

哈尔滨-绥化地区土壤氮储量及其时空变化特征

依据多目标区域地球化学调查成果,按照中国地质调查局下发的《全国土壤碳储量及各类元素（氧化物）储量实测计算暂行要求》,以表层土壤样品分析单元（4 km²）为计算单位,对哈尔滨-绥化地区表层土壤（0~20 cm）氮储量进行计算.研究了不同生态系统和不同土壤类型土壤氮储量、氮密度的差异,研究了20年来土壤氮储量的变化特征及成因.结果表明研究区土壤氮储量略微增加,这主要是由于湿地生态系统和森林生态系统对土壤的固氮效果显著造成的.     

东阿水文地质单元地下水硝酸盐污染来源的同位素分析

针对近年来地下水硝酸盐污染日益严重的现象,本文运用氮同位素技术对位于典型农业区的东阿水文地质单元地下水氮污染来源进行了研究,结果表明:浅层地下水监测点的NO3-含量较高,平均含量为27.77 mg·L-1 ,δ15N 为7.8‰~12‰,反映了浅层地下水主要受到生活污水或粪便的污染;深层地下水（岩溶水）中NO3- 含量相对较低,平均含量为12.81 mg·L-1,δ15N为7.2‰~14.3‰,同样指示为生活污水或粪便污染,与补给区人为干扰密切相关。部分监测点地下水质量较差,建议研究区内使用高效的灌溉技术及科学的施肥方式,补给区附近的家禽养殖场可通过修建发酵池和改善饲料配方等方式,从源头上降低地下水硝酸盐的输入量。      

渤海沉积物中氮的形态及其在循环中的作用

利用分级浸取分离法首次将自然粒度下渤海表层沉积物中的氮分为可转化态氮和非转化态氮，并将可转化态氮区分为四种形态：离子交换态氮(IEF—N)、碳酸盐结合态氮(CF—N)、铁锰氧化态氮(IMOF—N)及有机态和硫化物结合态氮(OSF—N)，并对其分布进行了研究，估算了各形态氮对沉积物-海水界面循环的贡献。结果表明，渤海沉积物氮中可转化态氮占总氮(TN)的比例为30．85％，其中IEF—N、CF—N、IMOF—N和OSF—N所占比例分别为3．67％、0．31％、0．42％和26．45％，其分布呈现不同的地球化学特征，分布的控制因素亦不同；各形态氮释放的顺序与其在沉积物中结合的牢固程度一致，对界面循环的相对贡献随时间尺度发生变化，绝对贡献的大小与其在沉积物中的储存量大小一致，为0SF—N(84．6％)＞IEF—N(13、0％)＞IMOF—N(1．4％)＞CF—N(1、0％)；非转化态氮占TN的69．15％，其中约有49％是由于粒度因素所致。     

地下水氮污染治理的探索试验

太行山前石家庄平原区地下水多存在氮污染问题,该文应用已优化制备的生物脱氮菌剂并结合工业乙醇碳源的一同使用,在由一现场渗流区概化制作的多孔介质模型--中细砂箱中,作了一定水流条件下的生物脱氮除污模拟试验探索.结果显示,以一定时段作考察,在投源点位置附近及水流下游的一定范围内,该实施方法可高效去除地下水中的氮污染.为指导野外现场地下水污染的治理,提供科学依据.     

Ammonium Photoproduction from Aquatic Humic and Colloidal Matter

It has recently been shown thatnitrogen contained in humic substances can be releasedas low molecular weight species through photochemicalprocesses or reactions. Nitrogen released in thismanner may then become available for biological useand chemical reactivity. This report providesadditional kinetic data for nitrogen photochemistry oforganic matter in natural waters from Louisiana andfor Suwannee River humic and fulvic acids. Naturalwater samples were fractionated into colloidal(>0.2 m, <1000 Dalton) and dissolved (>1000Dalton) fractions and the kinetics of these fractionsas well as 0.2 m filtered water samples weremeasured. For irradiations of less than 10 hours ofsimulated noon-time sun, samples showed linearproduction of ammonium and first-order fading at350 nm. Ammonium photoproduction was enhanced asmuch as three-fold by lowering pH, but linear kineticswere maintained. Light-dark cycling showed continuedrelease of ammonium immediately after irradiation,followed by uptake at longer post irradiation times.A two step mechanism was proposed to explain theobserved kinetics. Calculated net daytime release ofammonium from natural surface waters ranged from 0.33to 1.9 M h^-1 in the samples studied,corresponding to a photic zone conversion rate of9–20% of the total organic nitrogen per day intoammonium.     

塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏注氮气及注泡沫提高采收率研究

塔河油田开中后期,面临储层天然能量不足,注水开发稳产期短、油井含水率高及采收率偏低等问题针对这些问题。本文利用制作的三维立体仿真模型进行了注N_2驱与注N_2泡沫驱提高采收率效果评价实验。结果表明气水交替驱可提高采收率25.93%,高于恒速N_2驱的23.46%,这是由于气水交替注入不仅有注N_2补充能量的作用,还有注水压锥的效果、同时增加抬升油气界面的速度,延缓了气窜。但恒速N_2泡沫驱与泡沫段塞+后续水驱的提高采收率分别为28.59%和26.54%,明显高于N_2驱,这是因为泡沫破裂后N_2可以启动阁楼油,而表面活性剂能够剥离油膜,起到乳化、携带游离油滴的作用,所以N_2泡沫驱是更为有效的提高缝洞型碳酸盐岩油藏采收率的技术手段。     

氮同位素比（^15N／^14N）在地下水氮污染研究中的应用基础

华北地下水中硝态氮浓度和δ＾１５Ｎ值如下：在自然状态下为４．４≤＋５，来自下水道粪便污染者为２０－７０和＋１０－＋２０，受化肥污染者为３０－６０和－２－＋５。因此，氮同位素可用来识别氮污染来源和氮的迁移。     

Nitrogen in Chinese coals

Three hundred and six coal samples were taken from main coal mines of twenty-six provinces,autonomous regions,and municipalities in China,according to the resource distribution and coal-forming periods as well as the coal ranks and coal yields.Nitrogen was determined by using the Kjeldahl method at U.S.Geological Survey(USGS),which exhibit a normal frequency distribution.The nitrogen contents of over 90% Chinese coal vary from 0.52% to 1.41% and the average nitrogen content is recommended to be 0.98%.Nitrogen in coal exists primarily in organic form.There is a slight positive relationship between nitrogen content and coal ranking.     

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。     

青藏高原多年冻土区两种高寒草地生态系统土壤氮季节变化及其与环境因子的关系

在气候变化背景下,青藏高原多年冻土区生态环境发生着一系列变化并进一步影响土壤氮循环过程,但目前冻融循环及植被生长周期中土壤氮的动态变化还不清楚。以青藏高原腹地的风火山和特大桥地区的两种典型草地生态系统为研究对象,分析了土壤可利用氮（NH₄⁺-N、NO₃^--N、DON）及微生物量氮（MBN）的季节变化。结果表明：土壤铵态氮（NH₄⁺-N）及可溶性有机氮（DON）含量在非生长季高于生长季,土壤硝态氮（NO₃^--N）在生长季高于非生长季;风火山地区高寒草甸生态系统中土壤NH₄⁺-N在融化期含量较高;土壤MBN在植被生长旺盛期降低,在植被生长后期升高;风火山地区高寒草甸生态系统中土壤MBN含量、特大桥地区高寒草原生态系统中土壤可利用氮总量与土壤全氮（TN）含量显著正相关。这表明,土壤全氮含量、植被吸收以及冻融作用均可引起土壤可利用氮及MBN的季节变化。     

再生水灌溉条件下氮磷运移转化实验与数值模拟

利用二维饱和-非饱和土壤氮磷运移转化模型nitrogen-2D对污水灌溉试验的实测数据进行了分析, 结果证明所提出的模型可以较好的描述土壤中的水分运动和氮的转化运移过程, 土壤含水量及铵态氮剖面模拟值与实测数据吻合程度较好.用检验过的数学模型模拟了不同污水灌溉方案下土壤及地下水中不同形态氮及磷的变化情况, 分析了不同灌溉方案下土壤的氮磷平衡和农田养分平衡状况, 结果表明: 适度的污水灌溉, 硝态氮和无机磷不会淋溶出1.5m土层, 不会对地下水造成氮磷污染; 施入土壤的铵态氮, 由于有较强的吸附性, 不易被作物直接吸收, 49%转化成硝态氮, 作物根系吸收以硝态氮为主, 氮肥当季利用率为23.3%;反硝化是进行污水灌溉时旱地土壤氮素的主要损失形式, 约占施入氮量的12.6%.      

Progress in the Study of Marine Stable Nitrogen Isotopic Changes and Its Geological Records

Marine stable nitrogen isotope containing much key biogeochemical information, is an important way in identifying marine nitrogen sources and understanding the marine nitrogen cycles. These isotopic signals can be preserved in marine sediments and used to trace the marine biogeochemical cycles and environment changes during geological history. Studies in recent decades have illustrated the key role of nitrogen fixation and denitrification. Because of the spatiotemporal variability and the complexity of ocean processes and nitrogen sources in the marine environment, we need to combine the modern observations with geological records, integrate oceanography, biology, and geology, and consider the hydrological environment, geological processes and climate changes, to understand the coupling between the ocean nitrogen cycle, climate and environmental changes.     

滇池流域集约化农田区氮素损失研究

集约化农田区氮素流失是构成滇池流域面源污染、水体富营养化的重要因素。基于滇池流域集约化农田区产业结构特征、施肥方式、土壤物化性质分析,利用现场模拟试验,探讨水土生复合系统中氮素输移、分布和损失机制,量化不同情景下氮素损失量。研究表明,集约化农田土壤氮素损失主要途径是通过气态(NH3、N2O、NO/NO2、N2等)、作物吸收、生物作用和淋失。气态氮损失受温度、土壤特性、施肥类型、方式与施肥量、地下水埋藏条件等因素综合制约,NO-3 N是氮淋失的主要形式。根据试验与计算结果,Ⅰ区和Ⅱ区的合理施肥的氮利用率分别为30 8%和20 8%,高于习惯施肥的11 5%和8 5%,气态损失和淋失率均低于习惯施肥。显然,施肥的合理性是控制集约化农业区氮素损失的重要措施。     

湖光岩玛珥湖全新世时期沉积物碳氮同位素组成的环境指示意义

通过对湖光岩玛珥湖沉积物的TOC,TN,δ13CTOC,δ15N和s-ratio的研究,作者重建了全新世期间湖泊初级生产力的变 化,从而揭示了湖光岩地区全新世气候演变历史。早全新世时期（10 400~6100 yr BP）,高值的TOC,TN,δ13CTOC和低值 的δ15N,s-ratio指示了高水平的湖泊初级生产力,反映温暖湿润的气候条件; 8500~7400 yr BP期间,δ15N出现最低值,同时 TN出现高值,表明可能受了固氮蓝藻的影响,指示该段时间季风减弱,可能为对应着8.2 ka事件;中全新世期间（6100~ 3600 yr BP）,TOC,TN和δ13CTOC下降,s-ratio上升,指示湖泊生产力下降,气候逐渐向冷干转变;晚全新世期间（3600 yr BP至今）,TOC和TN继续下降,δ13CTOC处于最低值,s-ratio达到最大值,代表季风最弱的时期和湖泊生产力持续降低。全新 世湖泊生产力的逐渐下降反映了季风的逐步减弱,而驱动因素则是北纬30°太阳辐射的减少。在~1000 yr BP以后,δ13CTOC与 δ15N表现出不同于全新世演化趋势的异常,可能指示人类活动的加剧,尤其是烧荒开田对沉积物的影响。