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。     

运用氮、氧同位素技术判别常州地区地下水氮污染源

本文运用氮、氧同位素技术对常州地区地下水氮的污染来源进行了研究.结果表明：潜水和微承压水中NO3-含量高,平均含量为38.32 mg/L,δ^15N为4.818‰～32.834‰,δ^18O为12.502‰～20.757‰,反映了多数潜水和微承压水受到了厩肥和污水的污染;中深层承压水（第1承压水、第2承压水、第3承压水）中NO3^-含量低,NO3^-平均含量为0.52 mg/L,未受到氮污染,δ^15N为2.163‰～6.208‰,δ^18O为17.051‰～23.201‰,NO3^-应主要来源于早期形成时的大气降水.     

聊城市城郊浅层地下水硝酸盐污染源解析

为准确探究聊城市城郊浅层地下水硝酸盐污染来源,通过分析聊城市城郊区域25个监测点地下水硝酸盐含量,运用氮、氧双同位素追溯地下水硝酸盐污染来源,运用物质平衡混合模型计算各种源的贡献率。结果表明:(1)聊城市城郊的地下水硝酸盐含量介于3.96～38.88mg/L,52%的监测点硝酸盐浓度超过《生活饮用水卫生标准》中Ⅲ类水20mg/L的上限值;(2)聊城市城郊地下水中δ~(15)N-NO_3~-介于-11.3‰～3.9‰之间,δ~(18)O值介于-5.2‰～25.8‰之间,表明地下水硝酸盐污染与农业施肥密切相关,其主要来源为化肥中的NH_4~+和NO_3~-,其次为土壤中N的矿化作用;(3)通过物质平衡混合模型计算,化肥中的NH_4~+对硝酸盐污染的贡献率为82%,化肥中的NO_3~-贡献率为12%,土壤中N矿化作用贡献率为5%;(4)建议加强区域的的化肥施用管理和市政自来水管道建设,区域居民选择饮用市政供水。     

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.      

环境氮同位素方法示踪石家庄市地下水中硝酸盐来源

石家庄市地下水中硝酸盐含量呈上升趋势，水中硝酸盐含量分布范围为（0.4-96.0）×10-6，均值28.4×10-6，其δ15N值分布范围+6.1‰—+8.4‰，在地下水水位降落漏斗中心区（面积约8km2）δ15N值大于+9.6‰，表明有来自动物粪例的污染，其余地区水中硝酸盐的δ15N值介于+6.1‰—8.4‰之间，均值+6.9‰，表明该硝酸盐来自土壤有机氮     

城市地下水硝酸盐污染及其成因分析——以珠海香洲区为例

为判断华南地区典型城市地下水硝酸盐污染源,采集珠海市香洲城区及周边地区地下水样,并测定NO3-、NH4+、NO2-、PO43-、1δ5N-NO3-以及EC、pH值等。结果显示:在城市区地下水大多数样品中,NO3-是主要的无机氮形态。近40%的水样超过世界卫生组织饮用水标准(NO3--N≤10mg/l),部分井水有NO2-检出,整体污染较为严重。地下水硝酸盐1δ5N落在6.879‰~26.144‰范围内,而生活污水及化粪池泄漏是地下水NO3--N主要污染源。反硝化作用可能是导致雨季地下水1δ5N值升高的重要因素。另外,稀释、混合等作用可能是导致地下水NO3-浓度季节变化复杂的原因。     

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。     

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。     

基于15N同位素技术的岩溶地下河硝酸盐污染变化特征研究——以重庆青木关地下河为例

根据2010年5月至2010年10月每月对青木关地下河河水的监测数据,利用15N同位素技术并结合水化学指标,分析地下河的水化学特征以及硝态氮来源的时空变化特征。结果表明,地下河出口丁家龙洞硝态氮浓度(5.077mg/L)比入口天池硝态氮浓度(0.842mg/L)高6倍多。入口天池处地下河河水硝态氮浓度比较低,δ15N浓度变化范围为-7.0475‰~+7.059‰,变化幅度不大,说明该点的氮污染较低,地下水受外界影响较小,污水和粪便不是主要的δ15N来源。出口丁家龙洞处的δ15N浓度变化范围在-21.453‰~+37.825‰,总体浓度高且变化幅度大,受上游养猪场粪便直接排入及降水影响较大。      

太湖流域长兴县浅层地下水氮污染特征及影响因素研究

对太湖流域长兴县浅层地下水的氮污染进行了系统的调查与研究,共取地下水样43个并测定了其三氮含量.结果表明氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐的超标率分别为13.95％、16.27％和16.27％.三氮污染最严重的地区主要为农业活动集中区,即夹浦镇、小浦镇、洪桥镇和虹星桥镇等,其中虹星桥镇硝酸盐污染最为严重,高达22mg/L.采用地质统计学方法对太湖流域长兴县43个浅层地下水样“三氮”含量进行了区域空间变异分析,结果表明长兴县地下水NO3-N和NO2-N浓度变异函数满足球状模型,而NH3-N浓度变异函数为高斯模型,硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮浓度的空间自相关距离分别为9.98、1.51和3.82kmn.对硝酸盐污染因素进行了分析,结果表明:硝酸盐浓度与氮肥使用量呈明显正相关关系,年平均施肥量(以N计)为300kg/ha地区平均硝酸盐氮浓度达6.7mg/L,年平均施肥量(以N计)为100kg/ha地区平均硝酸盐氮浓度为2.2mg/L;地下水硝酸盐与地下水位埋深有直接关系,埋深较浅(1～3m)地区的硝酸盐浓度较高;当土地利用类型相同时,硝酸盐氮浓度与人口密度具有线性正相关关系.     

地下水NO3-氮与氧同位素研究进展

人为活动通常是地下水硝酸盐污染的主要原因.不同来源的NO3-具有不同的氮、氧同位素组成,利用地下水NO3-中的δ15N和δ18O值可有效识别地下水硝酸盐污染的来源.引起地下水中NO3-含量显著减少的不同物理、化学和生物过程,所产生的氮、氧同位素分馏效应有明显差别.地下水系统中反硝化作用发生时,NO3-中氮和氧同位素分馏系数呈一定比例.因此NO3-中δ15N和δ18O值也是示踪地下水硝酸盐循环,尤其是反硝化作用的有效手段.利用NO3-中氮和氧双同位素,并与其他环境同位素及化学分析技术相结合,示踪NO3-来源及其循环是地下水硝酸盐污染研究的重要方向之一.综述了利用地下水硝酸盐中氮和氧同位素识别NO3-污染源与循环的研究进展,简述了近年迅速发展的阴离子交换树脂取样法,概述了此方面研究存在的主要问题,并展望了今后的研究方向.     

地下水NO3^-氮与氧同位素研究进展

人为活动通常是地下水硝酸盐污染的主要原因。不同来源的NO3^-具有不同的氮、氧同位素组成,利用地下水NO3^-中的δ15N和δ18O值可有效识别地下水硝酸盐污染的来源。引起地下水中NO3^-含量显著减少的不同物理、化学和生物过程,所产生的氮、氧同位素分馏效应有明显差别。地下水系统中反硝化作用发生时,NO3^-中氮和氧同位素分馏系数呈一定比例。因此NO3^-中δ15N和δ18O值也是示踪地下水硝酸盐循环,尤其是反硝化作用的有效手段。利用NO3^-中氮和氧双同位素,并与其他环境同位素及化学分析技术相结合,示踪NO3^-来源及其循环是地下水硝酸盐污染研究的重要方向之一。综述了利用地下水硝酸盐中氮和氧同位素识别NO3^-污染源与循环的研究进展,简述了近年迅速发展的阴离子交换树脂取样法,概述了此方面研究存在的主要问题,并展望了今后的研究方向。     

运城盆地地下水同位素年龄特征及其演化过程和可持续利用

通过分析运城盆地地下水的碳同位素组成,结合水化学特征,揭示了盆地深层承压地下水的补给期为22～3 ka BP （现代碳百分比(a¹⁴C) 6~38 pmC）。浅层地下水（71~89 pmC）由现代水或现代水和老水混合组成。深层地下水氢氧同位素组成特征（δ¹⁸O~-10‰; δ²H~-70‰）表明地下老水在气候较冷的环境下受到补给,而浅层地下水的氢氧同位素组成（δ¹⁸O~-8‰; δ²H～-51‰）特征与现代西安降水组成相似。浅层地下水NO^-₃平均含量（31mg/L）比深层地下水（1.8 mg/L）高,硝酸盐的δ¹⁵N－δ¹⁸O_NO3 组成 (0‰～5‰）揭示了硝酸盐的主要来源为综合肥料。此外,浅层地下水的TDS由于蒸散发、矿物溶解,可达8.5 g/L（平均2.0 g/L）,深层地下老水TDS可达1.8 g/L（平均1.1g/L）水质相对较好。研究区目前主要开采深层地下水,受断裂带影响,浅层地下水已经侵入中深层地下水并与之发生混合,严重影响了中深层地下水的水质。如果发生大规模的浅层地下水与中深层地下水混合,会造成中深层地下老水的NO^-₃、TDS等含量越来越高。     

利用氮同位素技术识别石家庄市地下水硝酸盐污染源

地下水NO－ 3污染是石家庄市地下水管理面临的一个主要问题。本次研究通过地下水及其潜在补给源的氮同位素和水化学调查，确定和识别石家庄市地下水NO－ 3污染程度和污染源。地下水中的无机氮化合物主要以NO－ 3形式存在，浓度变化在 2．65～152．1 m g／L之间，均值为（54．88± 31）m g／L（ n＝44），48％的样品浓度超过国际饮水标准（50 m g／L）。地下水样品的NO－ 3－ 15 N值域＋4．53‰～＋25．36‰，均值＋9．94‰±4．40‰（ n＝34）。34个样品中，22个样品（65％）的氮同位素值大于＋8‰；与1991年相比，氮同位素组成指示地下水NO－ 3的主要来源已由当时矿化的土壤有机氮变为现在的动物粪便或污水；结合Cl－分析，南部地下水NO－3还受到东明渠污水的影响。其余12个样品（35％）的氮同位素值变化在＋4‰～＋8‰之间，其中 15 N值较大的（＋6‰～＋8‰）指示来自土壤有机氮，较小的（＋4‰～＋6‰）指示来自氨挥发较弱、快速入渗的化肥厂污水。根据上述研究结果，提出了改善石家庄市地下水管理的措施。     

地下水硝酸盐中氮、氧同位素研究现状及展望

农业区内浅层地下水中硝酸盐污染普遍存在。为保证供水安全和有效治理污染的地下水体。确定硝酸盐中氮的来源及影响硝酸盐浓度的物理、化学作用尤为重要。由于不同成因的硝酸盐中δ^15N值存在差异，利用N同位素可以确定氮污染源，但有时存在多解性问题；分析硝酸盐的δ^18O值，可提高地下水硝酸盐污染的研究深度。本文综述了用硝酸盐中N、O同位素来区分地下水污染中硝酸盐的不同来源和示踪氮循环过程这两方面的研究进展，并提出一些值得重视的研究方向。     

贵阳地区夏季雨水硫和氮同位素地球化学特征

对贵阳地区小雨和暴雨硫和氮同位素组成特征进行了研究。小雨中硫酸盐δ34S值和硝酸盐δ15N值分别为-7.96‰～+0.73‰(平均-4.90‰)和-3.77‰～+8.49‰(平均+2.00‰),暴雨中则分别为-2.07‰～+18.32‰(平均+4.59‰)和-2.91‰～+10.10‰(平均+4.10‰),表明两种类型雨水中硫酸盐和硝酸盐来源不同。小雨硫酸盐的负δ34S值与当地硫来源(煤炭燃烧和生物成因硫)有关,而暴雨硫酸盐的正δ34S值则为海源(太平洋)结果。小雨硝酸盐的δ15N值范围较宽(-3.77‰～+8.49‰),其来源不清,但该范围内较高δ15N值的样品(>+6.0‰)可能与干沉降和火力发电厂废气有关。暴雨硝酸盐的δ15N值仍然反映海源(太平洋)。小雨铵盐的δ15N值与铵盐含量有较好的相关关系(R2=0.92)。小雨铵盐中低δ15N值的样品(-1.73‰～-22.01‰)与云水(-28.6‰)对15N较少的吸收有关。贵阳地区较高的铵盐含量(平均1.25mg/L)和较低的δ15N值(平均-12.18‰±6.68‰)表明,铵盐来源于农业肥料的大范围施用和土壤NH3的挥发。     

西安浐河、灞河硝酸盐氮同位素特征及污染源示踪探讨

硝酸盐是河流主要污染物之一,近些年,对西安市各主要河流监测发现硝酸盐氮污染有加重的趋势,然而对这些河流硝酸盐氮污染源尚缺乏足够的认识.由于不同氮来源的硝酸盐氮同位素组成不同,氮同位素示踪技术被应用到河流硝酸盐污染源方面的研究.笔者通过对西安市东部补给水源(泸河、灞河)无机氮含量变化调查,并利用河水硝酸盐氮同位素组成和特征,初步讨论了这两条河流硝酸盐氮的可能污染源.结果显示,泸河、灞河在源头附近δ15N-NO3是由岩石和天然土壤中的有机氮起主导因素;中游δ15N值偏重是由于农业活动施加化肥引起;下游δ15N达到最高,说明工业废水、生活污水和粪肥的影响占主导.该结论为以后深入研究陕西地区河流水质提供基础.     

δ15N在污水生物脱氮机理研究中的应用

近年来,硝酸盐氮的污染愈来愈严重.无论是地表水还是地下水都受到不同程度的氮污染.控制氮污染及处理氮污染问题已经提到我国水污染控制的议事日程.本文探索微生物处理含氮污水的过程中反硝化作用的脱氮机理,使用δ15N标识技术研究水体中三氮运移转化过程中的质量不守恒,证明δ15N标识技术研究确定不同形态氮的数量各系是可行的.研究水体中三氮质量不守恒现象,将解决含氮污水生物净化中污泥上浮问题、氮污染含水层生物修复中气阻问题.     

贵阳雨水无机氮沉降的氮、氧同位素特征

雨水中氮沉降主要以铵盐(NH+4)和硝酸盐(NO-3)形式存在,这与地表生态氮循环和酸雨等环境问题直接相连.我们测定了贵阳地区雨水中的NH+4和NO-3的氮氧同位素值,讨论了氮素形态分布及其同位素组成特征,探讨了雨水中溶解无机氮的成因.雨水中的NH+4和NO-3平均值分别为0.81和o.51mg N/L;铵盐的δ15N平均值为-4.7‰,较硝酸盐的δ15N平均值负,雨水中硝酸盐δ18O值为25.2‰～40.1‰,平均值为34.2±4.3‰,季节性差别不显著.