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。     

氮、氧同位素在地下水硝酸盐污染研究中的应用

硝酸盐是地下水中难以去除的稳定污染物之一,是地下水氮(N)污染的主要形式.不同氮来源的硝酸盐氮、氧(O)同位素组成不同,可利用N、O同位素并结合其他同位素技术示踪硝酸盐污染源,识别反硝化过程,对于有效控制污染源和评估地下水对硝酸盐污染的恢复自净能力有重要意义.本文介绍了N、O同位素技术在地下水硝酸盐污染源追踪和反硝化过程的识别方面的原理和应用以及目前发展状况.     

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.     

利用氮氧同位素研究桂林寨底地下河硝酸盐来源

工农业生产的迅速发展使地下水硝酸盐氮(NO3-—N)污染成为世界性的环境问题。地下水中硝酸盐的来源研究在水文地质结构特殊的西南岩溶地区就显得尤为重要。稳定氮同位素和氧同位素在地下水硝酸盐的来源示踪研究中有着广泛的应用。本研究选取岩溶地区典型地下河——广西桂林寨底地下河为研究对象,通过氮氧同位素数据,判断寨底地下河硝酸盐来源是以动物粪便为主的农家肥,为该区地下水的保护和利用提供科学依据。     

海水硝酸盐氮、氧同位素组成研究进展

海洋中氮的生物地球化学循环影响着海洋生态系统的结构和功能,并和全球气候变化有着密切的联系,一直是海洋科学研究的重点和热点。海水硝酸盐的15N/14N和18O/16O比值可以反映海洋中氮循环的主要过程,因而成为研究海洋氮循环的一个重要手段。综述海水硝酸盐氮、氧同位素组成的测定方法,同化吸收作用、硝化作用、反硝化作用、生物固氮作用等氮循环过程所导致的氮、氧同位素分馏及其在海洋学研究中的应用。海洋生态系中硝酸盐氮、氧同位素的分布可以提供支持生物生产力的氮来源信息,以及氮在不同储库迁移转化的路径与机制。未来的研究需要发展适用于低含量硝酸盐的同位素测量方法,构筑海洋氮的收支平衡,掌握影响上层海洋硝酸盐氮、氧同位素变化的过程,获取全球海域有关硝酸盐氮、氧同位素组成的更多数据。     

硝酸盐氮氧同位素在海洋氮循环中的应用进展

海洋中硝酸盐的来源及生物地球化学作用是氮循环研究的重要内容。为更好地认识海洋中氮的循环,确定海洋中硝酸盐的来源以及研究氮的生物地球化学作用显得尤为重要。由于不同来源的硝酸盐往往具有不同的氮、氧同位素,并且硝酸盐的生物地球化学作用信息也会反映在氮、氧同位素上。因此,近十年来,利用氮、氧同位素方法研究海洋硝酸盐问题正日益受到国内外研究人员的重视。本文综述了海水硝酸盐N、O同位素分析方法的研究进展,以及用硝酸盐中N、O同位素来研究海洋硝酸盐的不同来源和示踪其地球化学过程这两方面的研究进展,并指出研究中的不足,最后对我国海洋硝酸盐研究现状进行了讨论并提出符合我国国情的研究方向。     

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。      

湖北泉水河流域水化学特征和硝酸盐来源示踪

目前针对喀斯特山区及平原过渡带天然河流硝酸盐的来源识别与追踪的研究鲜有报道,也较少考虑湿润气候区反季节性干旱气候特征对硝酸盐迁移规律的影响.以汉江二级支流泉水河流域为例,分析了从源头喀斯特地区、中间过渡区、平原区地表水和地下水硝酸盐含量及组成的空间变化,采用氮氧同位素识别地表水和地下水硝酸盐来源,利用SIAR模型定量计算各污染源的贡献率.结果表明:土壤有机氮、污水粪便、化肥和大气沉降对地下水硝酸盐来源贡献占比分别为31.4%、20.0%、29.6%和19.0%,对地表水硝酸盐来源的比例分别为32.0%、30.0%、25.0%和13.0%,污水粪便对地表水硝酸盐贡献比例较地下水增高;坝上水样因水体较大,自净能力较强,受污水粪便的影响很小（仅为9.0%）,坝上水样硝酸盐土壤有机氮、大气沉降和化肥的贡献占比分别为43.0%、11.0%和37.0%.枯水期河水主要由地下水缓慢补给,无地表径流汇入,土壤有机氮为河流主要的硝酸盐来源,河流中下游更易受人类活动影响,生活污水和化肥对河流硝酸盐贡献增大.      

地下水硝酸盐污染源解析及氮同位素分馏效应研究进展

地下水硝酸盐污染已成为世界范围内最严重的环境地质问题之一。全面并准确识别硝酸盐污染源,对地下水的有效管理及污染防治具有重要的指导意义。从地下水硝酸盐来源、同位素检测方法、污染源同位素特征、定量解析模型构建、硝酸盐主要转化过程及同位素分馏效应等方面进行总结,比较不同解析方法在硝酸盐溯源中的应用与发展,建议采用多学科、多方法相结合的方式,提高对硝酸盐污染源的全面理解。同位素富集系数是定量解析硝酸盐污染源的重要参数,在源解析过程中探讨硝酸盐转化及同位素分馏机制,能够更好地诠释地下水硝酸盐来源和迁移转化过程,提高源解析的准确性,为地下水硝酸盐污染的准确溯源与有效防治提供参考。     

河南永城市日月湖治理区水化学和氘氧同位素特征

河南省永城市日月湖生态景区治理工程在给永城市人民带来一个优美生态环境的同时,治理区地形、微地貌、水文及水文地质等条件也发生了变化,尤其是开挖后浅层地下水直接出露地表形成湖水,其水质相比之前埋藏于地下会发生改变.论文在阐述永城市日月湖景区水文地质条件的基础上,重点分析了治理区湖水、河水和浅层地下水的水化学和氘氧同位素特征...     

Identification of sources and groundwater recharge zones from hydrochemistry and stable isotopes of an agriculture-based paleo-lacustrine basin of drought-prone northeast Mexico

Over exploitation for agricultural activities and consumption has depleted the groundwater resources of drought-prone northeast Mexico. Major ion concentrations along with δ¹⁸O_H2O, δ²H_H2O and d-excess values of shallow groundwater from the Cieneguilla Basin (near Tula) located at a distance of ∼200 km from coast of the Gulf of Mexico helped to contribute new data about drought vulnerability in this region through identification of the moisture source and groundwater recharge zone. Different degrees of rock-water interaction through gypsum, anhydrite and halite dissolutions and minor silicate weathering controlled the hydrochemistry. Stable isotopes yielded a least square regression and slope similar to the local as well as global meteoric water lines, indicating minimal effect of evaporation during the recharge as well as in the subsoil. Isotopic fractionations along with a digital elevation model demarcated the recharge zones at north and east of the basin, with altitudinal difference of ≥1000 m, and indicated that the recharge occurred through warm season moisture sourced from the Gulf of Mexico. Less frequent landfalling of tropical storms caused by warmer sea surface temperature, however, has reduced this rainfall over the last few decades. If the trend of global warming continues unabated, the depleted groundwater resources would trigger reduction in agricultural activities in this drought-prone region and lead to enhanced socio-economic challenges.     

济南趵突泉泉域岩溶水硝酸盐污染特征及其来源识别

为有效防治硝酸盐污染,保障区域饮用水安全,识别硝酸盐的污染来源,在系统分析济南趵突泉水文地质条件的基础上,进行岩溶水取样调查,采用N、O双同位素技术,识别其泉域内硝酸盐的主要污染来源,并利用IsoSource模型定量计算各污染来源的贡献率。结果表明：趵突泉泉域岩溶水中硝酸盐主要污染来源有动物粪便与污水、土壤有机氮、化肥中的NH$_4^{+}$;其中动物粪便与污水来源贡献率最大,均值达到51.07%,其次是土壤有机氮和化肥,均值分别为25.21%、23.71%。     

新疆塔城盆地地下水中铁锰分布特征及人类活动的影响

以新疆塔城盆地80组地下水样品水化学组分测试结果为依据,结合区域地质、水文地质调查资料,研究塔城盆地地下水中铁、锰分布特征及其成因。结果表明,研究区浅层地下水中铁、锰浓度总体较低,局部超标,其空间分布特征基本一致。对比2017年发布的地下水质量标准,地下水中铁、锰超标率依次为25%和5%,深层承压水铁、锰含量均未超标。地下水中铁锰离子浓度受原生地质环境所控,同时叠加人类活动影响,城镇周边人口密集区尤其是排污沟渠附近地下水中耗氧量、溶解性总固体、铁、锰含量明显升高。地下水中铁锰超标连片区域呈条带状或斑块状分布于塔城盆地北部山区、中部冲积平原区以及南部低山丘陵区的铜钼成矿带,受人类活动影响,在塔城市、额敏县及其周边的地表水和地下水重污染区分布有地下水铁、锰重污染点,污染物特别是有机污染物排放所引起的还原环境促使地层中难溶的铁锰矿物的溶解释放。地层中,尤其是矿床及周边地层中高含量的铁锰是地下水中铁锰的重要来源,沉积层中富含丰富的有机质同时叠加人类活动输入所形成的还原条件是研究区地下水中铁、锰迁移和富集的主控因素。     

Carbon and oxygen isotopic constraints on paleoclimate and paleoelevation of the southwestern Qaidam basin,northern Tibetan Plateau

We investigate the growth of the northern Tibetan Plateau and associated climate change by applying oxygen and carbon isotopic compositions in Cenozoic strata in the southwestern Qaidam basin. The X-ray diffraction and isotopic studies reveal that the carbonate minerals are mainly authigenic and they do not preserve any evidence for detrital carbonate and diagenesis. The isotope data show large fluctuations in the δ¹⁸O and δ¹³C values in the middle–late Eocene, indicating relatively warm and seasonal dry climate. The positive correlation of the δ¹⁸O and δ¹³C values in the Oligocene and the positive shift of the δ¹³C values from the Eocene to Oligocene suggest that the climate changed to arid in the Oligocene. However, the δ¹⁸O values show negative shift, which is closely related to the global cooling event. During the Miocene, the δ¹³C values vary between –2‰ and –4‰, whereas the δ¹⁸O values show continuous negative shift. The mean δ¹⁸O values decrease from –8.5‰ in the early Miocene to –10.0‰ in the late Miocene. The stable isotope-based paleoaltimetry results suggest that the elevation of the southwestern Qaidam basin was approximately 1500 m in the middle–late Eocene and Oligocene. Subsequently, during Miocene the crustal uplift process started and the elevation reached approximately 2000 m in the early Miocene and 2500 m in the late Miocene, which suggests large-scale growth of the northern Tibet Plateau during the Miocene.     

哈尼梯田麻栗寨河流域泉水氢氧同位素的海拔效应

氢氧同位素是示踪流域水循环过程的有效方法,水是维系哈尼梯田景观稳定性的关键.以哈尼梯田文化景观遗产核心区的麻栗寨河流域泉水为研究对象,通过采集不同海拔的33个样品分析泉水氢氧同位素的海拔效应.结果表明：总体上看,泉水氢氧同位素随海拔的上升而下降,其递减率随海拔增加而变大,并具有高、中、低三段海拔分异的特征;低海拔段（1 060 m以下）和高海拔段（1 510 m以上）均具有明显的海拔效应,但中海拔段（1 060~1 510 m）相关关系不显著;泉水氢氧同位素关系方程与全国大气降水线相比斜率略小,说明在泉水形成之前曾受雨量效应、蒸发作用和补给等因素影响;在氘盈余方面,低海拔段的d值与全国大气降水线相当,中海拔段明显低于全国大气降水线,高海拔段明显高于全国大气降水线,说明研究区泉水存在强烈的混合作用,且其海拔效应是在补给水源多次循环和利用过程中形成.     

四川盆地晚震旦世古海洋环境恢复及地质意义

基于四川盆地灯影组3个采样点69组碳氧同位素样品测试分析,在充分论证样品有效性的基础上,对研究区碳氧同位素特征展开分析,进而探讨对应的古海洋环境及地质学意义.四川盆地灯影组白云岩δ13C值分布在-2.85‰～4.44‰,平均值为1.8‰;δ18O值为-9.02‰～-1.90‰,平均值为-5.42‰,碳氧同位素整体变化趋势与中国扬子地台其他区域基本相同.古海洋环境恢复表明,震旦纪灯影期研究区整体处于海相环境;灯影期海水温度主要介于15～30C之间,属温暖或炎热的亚热带气候;海平面共经历了缓慢海进、低位振荡海退、高位振荡海退、短暂海进、持续海退、振荡海退六个阶段.在海平面升降、气候变化、构造运动以及火山活动等众多因素的影响下,灯影组白云岩δ13C值共出现4次负漂移(N1～N4)和2次正漂移(P1～P2);受古海洋环境的影响,盆地沉积了特征明显的灯二段葡萄状藻云岩、灯三段暗色碎屑岩以及灯四段富藻云岩.     

基于氢氧稳定同位素的武汉北部新城地表水-地下水转换关系研究

【研究目的】揭示武汉北部新城地表水、地下水的氢氧稳定同位素特征及其相互作用。【研究方法】2019年，采集、测定了降水样7件、河水样6件、水库样14件、民井样98件、泉水样3件和钻孔样11件，并收集到武汉站1986—1998年的监测数据50件，以空间分析和流域分析为基础，氢氧稳定同位素分析为手段。【研究结果】（1）武汉降水氢氧同位素随季节变化，并表现出“降雨效应”明显、“温度效应”不明显的特点；（2）地表水在枯水期受到强烈的蒸散发，表现出一定的“地貌效应”与“干支流效应”的特征；（3）民井、泉和钻孔等地下水均源于大气降水，表现出“含水层埋深效应”与“山区平原效应”的特点；（4）枯水期，界河流域中界河获得了上游水库和地下水的补给，夏家寺水库流域中夏家寺水库得到了地下水补给。【结论】氢氧同位素能显著提高武汉北部新城地表水-地下水相互转换规律的认识。创新点：利用各类水体氢氧同位素组成及空间分布特征，揭示了武汉北部新城降水、地表水和地下水相互转换的规律     

地下水硝酸盐15N和18O同位素在线测试技术研究

测定水和土壤的氮氧同位素组成能够识别硝酸盐来源和研究氮素的迁移转化过程,用在线高温热解法测试硝酸盐的15N和18O同位素是目前应用最广泛、最流行的高新技术.但是由于离子源内NO的干扰,使该方法测定的δ㈨O值不准确,而采用He稀释法则可有效减少该项干扰 本文选取4个国际标准样品(IAEA-No-3、USGS32、USGS34和USGS35)和一个实验室标准样品(CUGL-No-1),使用元素分析仪耦合MAT 253稳定同位素比值质谱仪(EA-IRMS),在8个月时间内对100多个地下水样品进行238次测试,对在线高温热解测试硝酸盐15N和18O技术进行了检验,验证其实用性.得到三点新认识:①用KNO3作为靶样品形式成本低,且便于和国际标准对比;②在线高温热解法测定标准和样品中硝酸盐的15N和18O同位素组成需样量仅为500μg的KNO3,一次选样可同时测定NO3的δ15N和δ 18O,消耗时间仅720 s,δ15N和δ 18O的测试精度分别为0.25‰、0.6‰,达到了国外相应水平,速度快,效率高;③He稀释法可减少离子源内NO对δ 18O测试的干扰,不必改变EA-IRMS系统的任何硬件.     

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。