中国生态农业学报  2018, Vol. 26 Issue (1): 136-145  DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.170539
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引用本文 

赵强, 秦晓波, 吕成文, 李玉娥, 吴红宝, 廖育林, 鲁艳红. 亚热带农业小流域水体氮素及其稳定同位素分布特征[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(1): 136-145. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.170539
ZHAO Q, QIN X B, LYU C W, LI Y E, WU H B, LIAO Y L, LU Y H. Distribution of nitrogen and its stable isotope from a small agricultural catchment in the subtropics[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(1): 136-145. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.170539

基金项目

国家自然科学基金面上项目(41475129,41775157)和国家发改委CDM基金赠款项目(2014081)资助

通讯作者

秦晓波, 主要从事农业生态系统温室气体减排及氮碳循环研究。E-mail:qinxiaobo@caas.cn

作者简介

赵强, 主要从事小流域氮循环及其稳定同位素溯源研究。E-mail:2459407179@qq.com

文章历史

收稿日期:2017-06-09
接受日期:2017-08-18
亚热带农业小流域水体氮素及其稳定同位素分布特征*
赵强1,2, 秦晓波2, 吕成文1, 李玉娥2, 吴红宝1,2, 廖育林3, 鲁艳红3     
1. 安徽师范大学国土资源与旅游学院 芜湖 241000;
2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室 北京 100081;
3. 湖南省土壤肥料研究所 长沙 410125
摘要:为控制流域氮素养分流失、改善流域水体环境,以亚热带典型农业小流域脱甲河为研究对象,对表层水体铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)浓度和水体硝态氮δ15N(δ15N-NO3-)、沉积物有机质δ15N(δ15N-Org)浓度进行了连续试验观测,分析氮素浓度及其稳定同位素值的时空特征,探讨影响氮素分布的环境因子及水体NO3-和沉积物有机质氮素的可能来源。结果表明:水体NO3--N浓度明显高于NH4+-N,均值分别为1.62 mg·L-1和0.90 mg·L-1,并且分别在6月、8月及冬季较高;城镇区和农田区水体NH4+-N浓度与其他类型区差异显著(P < 0.05),并且显著高于其他水体;NO3--N浓度在城镇区、农田区及山间林地区较高,水库区较低。支流NH4+-N浓度高于干流,均表现为冬季 > 春季 > 夏季 > 秋季;干流、支流NO3--N浓度分别表现为冬季 > 夏季 > 秋季 > 春季、秋季 > 冬季 > 夏季 > 春季。源头和出口处水体均表现为NO3--N浓度高于NH4+-N,源头处氮素浓度低于出口处。水体δ15N-NO3-及底泥δ15N-Org值分布范围分别为-19.87‰~8.11‰和-0.69‰~6.51‰,水体δ15N-NO3-最高值在Ⅲ级河段,最低值出现于Ⅳ级河段,各级河段间水体δ15N-NO3- 11月差异较小,而1、2月差异明显;河流底泥δ15N-Org最高值也位于Ⅲ级河段,而最低值则在Ⅰ级河段,Ⅲ、Ⅳ级河段δ15N-Org值随时间变化趋势较为一致,Ⅰ、Ⅱ级河段δ15N-Org最小值出现于1月。总之,脱甲河水体存在氮素污染现象且以外源输入为主,水体氮素来源主要为土壤有机质、人工合成肥料及陆源有机质,开展流域氮素分布及来源研究对认识流域尺度氮污染物的源解析具有一定科学意义。
关键词:脱甲河    亚热带    农业小流域    氮污染    氮同位素    氮素来源    
Distribution of nitrogen and its stable isotope from a small agricultural catchment in the subtropics*
ZHAO Qiang1,2, QIN Xiaobo2, LYU Chengwen1, LI Yu'e2, WU Hongbao1,2, LIAO Yulin3, LU Yanhong3     
1. College of Territorial Resources and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China;
2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;
3. Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Changsha 410125, China
*This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41475129, 41775157) and the China National Development and Reform Commission CDM Foundation (2014081)
** Corresponding author, QIN Xiaobo, E-mail: qinxiaobo@caas.cn
Received Jun. 9, 2017; accepted Aug. 18, 2017
Abstract: The Tuojia River basin, a typical agricultural catchment in the subtropics, was investigated in this study to clarify the spatial and temporal distribution characteristics of nitrogen and the related stable isotopes in water system of the catchment. The environmental factors influencing nitrogen distribution and the sources of nitrate nitrogen and sediment organic matter nitrogen were also determined. The concentrations of NH4+-N and NO3--N in surface water were analyzed in a continuous monitoring experiment. At the same time, the characteristics of δ15N-NO3- in water and of δ15N-Org in sediments were determined. Results showed that the concentration of NO3--N was significantly higher than that of NH4+-N in the river, with respective mean values of 1.62 mg·L-1 and 0.90 mg·L-1. Higher values occurred in June, August and winter periods. NH4+-N concentrations in urban and farmland regions were significantly different (P < 0.05) from other areas and obviously higher than that in other water bodies. The concentrations of NO3--N in urban, farmland and forest areas were higher than in other regions, with lower values in reservoir areas. The order of seasonal variations in NH4+-N concentration in mainstream and tributary flows was winter > spring > summer > autumn, while that of NO3--N concentration was winter > summer > autumn > spring in mainstream, and autumn > winter > summer > spring in tributary flows. The concentrations of NO3--N of mainstream and tributary flows were high but similar, and NH4+-N concentration in tributary flow was higher than that in mainstream flow. At source and estuary, NO3--N concentration was higher than NH4+-N concentration. Also, nitrogen concentration of at source was lower than that in estuaries. The distributions of δ15N values (δ15N-NO3-) in the river and δ15N in sediment organic matters (δ15N-Org) were respectively -19.87‰ to 8.11‰ and -0.69‰ to 6.51‰. While the highest value of δ15N-NO3- was in the reach Ⅲ, the lowest was in the reach Ⅳ. The difference in δ15N-NO3- among different reaches was small in November, but was obvious in January and February. While the highest value of δ15N-Org in river sediment was also in the reach, the lowest was in the reach Ⅰ. The variation trend in δ15N-Org in the reach Ⅲ and reach Ⅳ was consistent with change in research time. However, the lowest δ15N-Org was in January in the reach Ⅰ and Ⅱ. The research indicated that there was nitrogen pollution in Tuojia River basin, and exogenous nitrogen was the priority in the region. The main environmental factors that influenced water pollution in the region included domestic sewage, industrial wastewater, farmland nitrogen and livestock/poultry waste. In addition, the sources of nitrogen in water bodies and sediments were mainly soil organic matter, synthetic fertilizers and terrestrial organic matter. The source of nitrogen in river systems was consistent with the identified environmental factors that caused nitrogen pollution. The study of the distributions and sources of nitrogen in the basin provided scientific basis for controlling nitrogen loss in the catchment, guiding agricultural production and improving water environment in the study area.
Key words: Tuojia River basin     Subtropics     Agricultural basin     Nitrogen pollution     Nitrogen isotope     Nitrogen source    

氮循环是自然界中最重要的过程之一, 氮素是所有生物体所需的主要元素, 并且广泛应用于工农业生产活动[1-2]。在过去的25亿年中由人类活动投入的氮对氮循环的影响最为明显[3]。20世纪以来, 人类对氮循环的贡献急剧增加[4]。氮的使用在人类社会发展中具有重要意义, 但过量的氮也是淡水生态系统、河口和沿海地区水体富营养化的重要原因[5]。氮素污染问题已引起研究者的广泛关注。已有研究表明, 径流水体中的氮损失主要以NH4+-N、NO3--N形式存在[6], 而影响氮素流失的因素很多, 主要有气候(降水)、土壤、土质、地形、植被、耕作方式、种植结构、畜禽养殖模式等[7]。如朱媛媛等[8]为了解丹江口水库流域氮素污染状况, 探讨了其氮素时空分布特征, 发现入库河流总氮控制的关键在于溶解性有机氮和硝酸盐氮的控制; 廖剑宇等[9]分析了东江干支流水体各形态氮的分布, 发现水体氮素污染严重, 氮源主要是农业面源污染、生活和工业直接点源污染; 赵海超等[10]对洱海入湖河流、干湿沉降和沉积物内源等来源的氮的负荷、形态及其时空变化特征进行了研究, 发现控制洱海外源入湖氮负荷, 应以雨季之初为关键时期。以上研究都分析了水体氮素的分布特征, 探讨了影响其分布的环境因子。但传统研究方法多是通过调查污染区的土地利用类型并结合水体理化学特征辨析污染源, 这种方法得出的结论多是间接性的, 不能确定水系氮素的最终来源[11]

稳定同位素溯源技术不仅能揭示生物体的食物来源及组成、消费者和生产者间的营养关系, 还能有效地评价水生生态系统的营养水平并且反映人类活动对水域环境影响程度[12]。氮同位素组成是水环境中人为氮源的有效示踪剂, 其组成的变化能够用来监测受人类活动和污水影响的浅层水生生态系统的变化[13]。目前, 该方法已经成为判断水域生态系统中氮素来源的重要手段。国内的应用研究也有相关报道, 但主要集中在地下水[14]、大型河流[15-16]、湖泊[17-19]及水库[20]等水体, 而对亚热带典型农业小流域水系的研究比较缺乏。亚热带农业小流域深受当地居民工农业活动影响, 其水系氮素养分循环带有明显的“人类”印记, 流域内水系类型复杂多样, 使得小流域水系承载了大量的陆地生态系统氮输入[21-22]。中亚热带典型农业小流域——脱甲河流域农业活动频繁, 氮素污染现象明显。故本文以脱甲河为研究对象, 在分析流域水系氮素时空分布特征的基础上, 利用稳定同位素溯源技术探析流域水体NO3--N及沉积物有机质δ15N的组成及时空特征, 探讨影响氮素分布的环境因子及水系氮素的可能来源, 为控制该区养分流失和氮污染提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

脱甲河流域为中亚热带典型农业小流域, 位于湖南省东部的长沙县金井镇境内(27°55′~28°40′N, 112°56′~113°30′E), 属湘江水系二级支流, 流域面积为52.10 km2, 平均海拔98.3 m, 地势总体呈北高南低趋势, 为典型红壤丘陵地貌。研究区内年平均气温17.2 ℃, 年平均降雨量1 422 mm[23], 四季分明, 为典型亚热带湿润季风气候。流域内土地利用类型多样, 有林地、水田、茶园、果园以及菜地等类型, 其中以林地、水田和茶园为主, 水稻种植面积占流域面积的32%[23], 主要分布于河谷、河漫滩等低洼平缓地带。农业生产中大量化肥和农药的施用, 尤其是化学氮肥的不合理施用, 使得区内非点源污染较为明显。

1.2 样点设置

通过查阅研究区相关文献及对脱甲河小流域实地考察, 根据流域水系结构特征, 在河流干支流共设置20个采样点(图 1), A1—A13为干流采样点, B1—B7为支流采样点。根据流域土地利用类型特征, 将研究区域水体进一步划分为5个子类型区, 分别是金井城区(A1、A2、A3、B1)、农田区(A4、A5、A6、A8、A9、A10及B2、B3、B4、B5、B6)、居民生活区(A11)、山间林地(A7)和水库区水体(A12、A13、B7)。另外, 为讨论河流不同组分氮素分布特征, 将河流水体分为源头区(A7、A12、A13)、河流出口(A1)、干流(A2—A11)、支流(B1—B7)。根据流域水系分级特征, 将河流从源头(A7)至河口(A1)分为Ⅰ~Ⅳ级河段(见图 1)。稳定氮同位素样品取样点为A7、B3、A5、A1, 分别代表Ⅰ~Ⅳ级不同河段取样点。

图 1 脱甲河采样点分布 Figure 1 Distribution of sampling sites in the Tuojia River basin
1.3 样品采集及检测 1.3.1 水样采集及其NH4+-N、NO3--N浓度测定

每个采样点取约200 mL表层水体(0~30 cm)水样装入聚乙烯塑料瓶内并贴好标签。水样采3个重复, 取得的水样3 h内运回实验室, 冷藏(1~4 ℃)或冷冻(-20 ℃)保存, 样品每月集中分析一次以获得NH4+-N、NO3--N浓度数据。分析时, 冷藏保存的新鲜样品可直接进行分析, 冷冻保存的样品需在冷藏室4 ℃条件下解冻24 h再进行分析[23]。在中国科学院亚热带农业生态研究所用流动注射仪(FIA-500 star, FOSS)测定水体NH4+-N和NO3--N的质量浓度。

1.3.2 水体及底泥沉积物有机质δ15N测定

水体及底泥沉积物有机质δ15N取样方法同上。样品运回实验室后, 首先将沉积物样品在60~70 ℃干燥箱中干燥24~48 h, 烘干的样品用研钵、球磨机粉碎后, 过60目筛。之后称量过筛后的样品, 通过固体自动进样器送入元素分析仪, 样品中含氮物质依次经过元素分析仪的氧化炉和还原炉反应生成N2, 生成的N2通过ConfloIV接口进入质谱仪(IRMS-MAT253), 得到15N/14N比值。液体样品经过酸化浓缩、干燥成固体粉末后, 直接通过EA-IRMS联用仪测定其氮同位素比值[24]。上述操作过程均在中国科学院亚热带农业生态研究所进行, 其计算公式为:

$ {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{{\rm{15}}}}{\rm{N}}\left( ‰ \right) = \left[{\left( {{R_{{\rm{sample}}}}-{R_{{\rm{standard}}}}} \right)/{R_{{\rm{standard}}}}} \right] \times 1\;000 $ (1)
$ R{ = ^{15}}{\rm{N}}{/^{14}}{\rm{N}} $ (2)

式中: RsampleRstandard分别是所测样品和标样的同位素比值, 15N/14N对应于大气中的氮标准, 分析误差 < 1‰。

1.4 数据处理

利用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析与处理, 首先对NH4+-N、NO3--N浓度数据进行正态性检验(Shapiro-Wilk检验), 其不服从正态分布(P < 0.05), 从而采用非参数检验(Kruskal-Wallis检验), 再通过单因素ANOVA分析NH4+-N和NO3--N浓度的时空差异性。使用Microsoft Excel 2007对试验数据进行均值和标准误差处理并绘制图表, 图中误差线均为标准误差。

2 结果与分析 2.1 脱甲河流域表层水体氮素浓度特征

研究周期内, 脱甲河表层水体NH4+-N、NO3--N浓度(图 2)变化范围分别是0.30~1.35 mg·L-1[均值为(0.90±0.10) mg·L-1]、0.82~2.45 mg·L-1 [均值为(1.62± 0.16) mg·L-1], NO3--N浓度显著高于NH4+-N; NH4+-N浓度在3月、6月、12月至翌年2月高于其均值, NO3--N浓度于8月、11月至翌年2月高于其均值, 两者浓度均在冬季较高。

图 2 脱甲河水体NH4+-N和NO3--N浓度变化特征 Figure 2 Variation characteristics of NH4+-N and NO3--N concentrations in Tuojia River
2.2 脱甲河流域不同类型区水体氮素浓度变化特征

图 3a表明, 研究周期内, 不同类型区水体NO3--N浓度均高于NH4+-N, 其中山间林地区水体氮素浓度差异最为明显; 城镇区、农田区水体NH4+-N浓度(0.98 mg·L-1、1.10 mg·L-1)与其他地区差异显著(P < 0.05);城镇区、农田区及山间林地区水体NO3--N浓度较高, 水库区较低。从四季来看, 城镇区、农田区水体NH4+-N浓度均较高, 山间林地区、水库区NH4+-N浓度表现为夏季显著高于其他季节(图 3b)。各类型区NO3--N浓度以冬季较高, 春季较低, 城镇区、农田区水体NO3--N浓度特征与NH4+-N类似, 均高于其他水体, 林地区NO3--N也是夏季高于其他季节(图 3c)。

图 3 研究期间不同类型区水体的NH4+-N和NO3--N浓度(a)及不同季节不同类型区NH4+-N(b)和NO3--N(c)浓度变化特征 Figure 3 Concentrations of NH4+-N and NO3--N during the study period (a) and seasonal concentration variations of NH4+-N (b) and NO3--N (c) of water body of different land use types 图 3a中不同字母表示不同类型区水体NH4+-N、NO3--N浓度差异显著(P < 0.05)。图 3b3c中不同字母表示同一类型区水体四季NH4+-N、NO3--N浓度差异显著(P < 0.05)。Different letters in the figure 3a indicate significant differences at 0.05 level in NH4+-N, NO3--N concentration among different land use types. Different letters in the figure 3b and 3c indicate significant differences at 0.05 level in NH4+-N, NO3--N concentration among four seasons for the same land use type.
2.3 河流干支流、源头、河口水体氮素变化特征

河流干、支流、源头和河口水体均表现为NO3--N浓度高于NH4+-N(表 1)。四季范围内(图 4), 干流NH4+-N浓度冬季与秋季差异显著(P < 0.05), 支流NH4+-N浓度冬季与其他3季差异达显著水平(P < 0.05), 而春、夏、秋季差异不显著, NH4+-N浓度均呈现支流高于干流; NO3--N浓度冬、春季差异显著(P < 0.05), 在春、夏及冬季均为干流略高于支流, 秋季为支流高于干流。

表1 脱甲河干支流、源头及河口NH4+-N和NO3--N浓度 Table 1 Concentrations of NH4+-N and NO3--N of mainstream, tributaries, source and estuary of Tuojia River
图 4 脱甲河干流和支流水体NH4+-N和NO3--N季节变化特征 Figure 4 Seasonal variation characteristics of NH4+-N and NO3--N concentrations of mainstream and tributaries of Tuojia River 图中不同小、大写字母分别表示干流、支流四季差异显著(P < 0.05)。Different lowercase and capital letters indicate significant differences at 0.05 level among four seasons for mainstream and tributaries, respectively.

河流源头、出口处水体均表现为NO3--N浓度高于NH4+-N, 出口处水体NH4+-N、NO3--N浓度均高于源头(表 1)。源头NH4+-N浓度春、秋、冬3季与夏季差异显著(P < 0.05), 而出口处冬、秋差异达到显著水平(P < 0.05), 表现为出口处水体NH4+-N浓度高于源头, 但源头NH4+-N夏季浓度高于其他3季; 源头NO3--N浓度四季差异不显著, 夏冬季高而春秋季低, 出口则表现为冬季与其他季节差异显著(P < 0.05), 呈现NO3--N浓度四季均为源头低于出口, 源头、出口水体NO3--N均为冬季高于其他3季(图 5)。

图 5 脱甲河源头和河口水体NH4+-N和NO3--N季节变化 Figure 5 Seasonal variation characteristics of NH4+-N and NO3--N concentrations of source and estuary in Tuojia River 图中不同小、大写字母分别表示源头、出口四季差异显著(P < 0.05)。Different lowercase and capital letters indicate significant differences at 0.05 level among four seasons for source and estuary, respectively.
2.4 水体和底泥有机质δ15N分布特征

研究周期内, 水体δ15N值(δ15N-NO3-, 图 6a)总体波动范围为-19.87‰~8.11‰, Ⅳ级河段(A1)、Ⅲ级河段(A5)、Ⅱ级河段(B3)和Ⅰ级河段(A7)水体的δ15N-NO3-均值分别为(-11.42±7.02)‰、(3.61± 0.78)‰、(2.55±0.55)‰和(3.41±2.37)‰, 最高值位于Ⅲ级河段, 最低值位于Ⅳ级河段; 各级河段水体δ15N-NO3-11月差异较小, 且差异不明显; 而1、2月差异明显, Ⅳ级河段呈递减趋势且明显偏负, Ⅲ级河段则呈递增趋势, Ⅰ级河段在1月值较高。河流底泥δ15N值(δ15N-Org, 图 6b)变化范围为-0.69‰~ 6.51‰, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级河段均值分别为1.39‰、2.83‰、5.51‰和3.46‰, 最高值与水体δ15N-NO3-相似也位于Ⅲ级河段, 最低值则出现于Ⅰ级河段; Ⅰ、Ⅱ级河段底泥δ15N-Org随时间序列变化趋势较为一致, 均在1月为低值且偏负, 而Ⅲ、Ⅳ级河段底泥δ15N-Org变化趋势也相近, 但其于1月出现较高值。

图 6 脱甲河水体(a)和底泥有机质(b)的δ15N值变化特征 Figure 6 Variation characteristics of δ15N values of water body (a) and organic matters of sediments (b) of Tuojia River 图中A7、B3、A5和A1分别代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级河段。In the figure, A7, B3, A5 and A1 represent the reaches Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ and Ⅳ of Tuojia River, respectively.

沉积物中氮同位素信号能反映陆生和水生输入沉积物中的相对分布, 外源输入中氮负荷的增加也可以导致沉积物δ15N-Org升高, 水体δ15N-NO3-的变化也可以反映农业化肥以及城市污染物的输入[16]。已有研究表明(图 7), 陆源有机质δ15N值的范围为-10‰~10‰, 水源性有机质δ15N平均值约为6.5‰[25]。土壤流失氮的δ15N为3‰~8‰, 合成化肥的δ15N为-4‰~4‰[26], 人畜排泄物中的硝酸盐δ15N为10‰~20‰[27], 大气沉降NO3--N δ15N值在0.2‰~ 0.8‰范围内变化[28]。利用含氮物质的δ15N特征值范围, 结合测定的氮元素浓度, 便可以判别河流含氮污染物的主要来源。从图 7判断, 脱甲河流域水体氮素以外源氮输入为主, 生产生活污水、农业面源污染以及畜禽养殖废弃物可能是水体氮素污染的主要环境因子。

图 7 脱甲河水体、沉积物及常见氮素来源的δ15N值分布[44-47] Figure 7 Distribution of δ15N values of the water body, sediments and common nitrogen sources in Tuojia River[44-47] 图中正方形和棱形分别代表各常见氮素来源δ15N的高、低值, 圆形为本试验观测的水体和沉积物有机质的δ15N值。In the figure, the squares and prisms represent high and low values of δ15N of the common nitrogen sources, respectively; the circles represent the δ15N values of the water body and organic matter of the sediments observed in this experiment.
3 讨论

脱甲河水体NH4+-N、NO3--N浓度年均值分别为0.90 mg·L-1、1.62 mg·L-1, 已呈现氮素污染现象, 其NO3--N浓度高于NH4+-N, 与亚热带河流[9, 29-30]以及鄱阳湖、太湖等[31-32]湖泊水体氮素差异较为相似(表 2)。而与赵钰等、荣楠等[33-34]在子牙河和海河流域的研究结果明显不同, 原因是海河流域分布着各大中型城市, 工业废水与生活污水排放量大, 同时农田面积广且氮肥流失严重, 畜禽养殖规模较大, 氮等污染物入河系数高[35], 但本研究区域为农业小流域, 区内林地面积较广, 其次为农田、茶园、建筑用地等, 污染物排放量相对较小。然而与丹江口水库区对比发现, 本研究区域NH4+-N浓度高于丹江口水库区域, 原因是丹江口库区氮污染主要受城镇化及南水北调工程影响[33], 而脱甲流域受农业生产活动影响显著。此外, 6月份NH4+-N浓度高可能与当地稻田施肥、排水烤田等农业活动有关, 而雨季降雨量的增加, 畜禽粪便等随径流的入河量也会增多, 导致水体NH4+-N浓度升高; 7月是该地区早稻收割和晚稻插秧时间, 早稻种植时期的残留氮肥及晚稻所施用底肥的共同作用可能导致水体NO3--N浓度在8月出现峰值, 与宋立芳等[37]在该区域的研究结果相一致。李永梅等[38]也指出NH4+-N转化为NO3--N约需1个月。此外, 该区域为亚热带季风气候区, 冬季河流处于枯水期, 河流径流量减小, 水体自净能力下降, 使得水体中氮素得以积累, 再者枯水期城镇生活污水及生产废水等外源氮输入不会减少, 而较低的气温也限制了微生物活动, 从而导致水体氮素浓度冬季较高[8, 23]

表2 其他流域水体NH4+-N、NO3--N浓度 Table 2 Concentrations of NH4+-N and NO3--N in other river basins

本试验发现, 流域内城镇区、农田区水体符合国家地表水环境质量[39]的Ⅲ类(NH4+-N≤1.0 mg·L-1)和Ⅳ类(NH4+-N≤1.5 mg·L-1)水体标准, 其NH4+-N、NO3--N浓度四季均高于其他类型区。脱甲河流域水稻种植面积占32%, 稻田氮肥施用量为374 kg·hm-2·a-1[37], 其施氮量远超过国际公认的上限225 kg·hm-2·a-1[40], 并且约有212.2 kg·hm-2·a-1在土壤累积或进入水体[41], 而水田土壤犁底层又限制了氮素向深层土壤迁移, 使得氮素更易随田间径流损失。再者, 河流两岸小型工厂和畜禽养殖场零星分布, 居民点较为密集[36], 污水处理设施也较为落后, 促进了氮素进入邻近河流, 这与Wang等[41]、Ongley等[42]研究结果一致。此外, Wang等[41]指出由于氮肥的使用, 使得流域内的作物土壤对河流氮负荷有重要影响。林杉等[43]对小流域农户氮循环进行了研究, 也发现氮肥过度施用和人畜排泄物处理不当造成的农田盈余氮和生活排放氮分别占流域氮负荷的72%和28%。可见, 农业氮肥施用、居民生活污水是城镇区、农田区水体污染的重要因子。

根据国家地表水环境质量标准[39], 脱甲河支流水体为Ⅳ类水, 干流则为Ⅲ类水体, 而源头水质较好, 接近Ⅱ类水(NH4+-N≤0.5 mg·L-1)。支流多深入稻田腹地, 两岸有菜地分布, 农田氮肥施用使得大量氮以NH4+-N形式进入支流水体并且稻田长期处于淹水状态形成的厌氧环境限制了NH4+-N的硝化过程[44], 再有支流上游四季均有医院污水排入, 多种因素影响下导致支流NH4+-N浓度高于干流。廖剑宇等[9]对东江水体氮素特征研究指出, 河流氮素除干流沿途本身的氮输入外, 主要还来自于支流向干流的输送, 脱甲河氮素浓度变化与其相似。此外, 硝酸盐离子与土壤胶体同带负电荷, 不易被土壤微粒吸附, 而NH4+-N携带正电荷易被吸附, 其是导致干支流水体NO3--N较高的因素[45]。而山间林地区(源头区)水体NO3--N浓度较高的原因可能是亚热带红壤地区森林土壤中好氧条件和较低的土壤pH有利于抑制氮素的反硝化过程[46]。河流源头水体NH4+-N浓度总体较低, 与刘智峰[29]、廖剑宇等[9]的研究结果较为相似, 原因是源头区受人类活动影响弱, 植被覆盖率高, 吸收降解了部分污染物。干流沿岸及支流氮素最终汇聚于干流水体, 此阶段虽有植物吸收、底泥吸附以及微生物分解等过程影响氮素浓度, 干流仍承载了大量氮输入且通过出口汇入另一水体。

根据δ15N特征值范围, 脱甲河氮源较为复杂, 与洱海[18]入湖河流NO3--N来源也颇为相似, 而与十五里河和南淝河[19]NO3--N污染来源不尽相同, 这可能与流经区域有关, 十五里河流经合肥市区多个功能区, 南淝河下游两岸分布有大部分工矿企业。脱甲流域则为典型农业小流域, 流域水体受农业活动、小型工厂废水及乡村生活污水影响显著。Ⅲ级河段分布有大面积农田及若干畜禽养殖场, 化肥和养殖废弃物可能导致了其δ15N值最高, 与邢萌等[47]在浐河、涝河的研究结果一致。此外, 各级河段水体δ15N-NO3-和δ15N-Org值在1、2月呈偏高之势, 可能是低温环境下, 反硝化作用占主要优势, 而导致水体δ15N值升高[48]。综上所述, 脱甲河氮同位素分布具有时空差异, 来源主要为土壤流失氮、人工合成化肥及陆源有机质, 且与上文引起水体氮素污染的环境因子较为一致。

4 结论

1) 总体而言, 脱甲河水体氮素污染现象较为明显, 以城镇区、农田区水体污染最为显著, 分别为Ⅲ、Ⅳ类水; 就河流各部分来看, 支流污染较为严重, 属于Ⅳ类水体, 河流出口为Ⅲ类水, 而源头受人类活动影响较小, 水质较好, 接近Ⅱ类水。

2) 水体氮素分布具有显著时空差异, 流域水体环境受居民生产生活影响显著, 水体氮素以外源氮输入为主, 生产生活污水、农业面源污染以及畜禽养殖废弃物可能是水体氮素污染的主要环境因子。

3) 脱甲河水体δ15N-NO3-和沉积物δ15N-Org的分布虽具有时空差异, 但各级河段水体和沉积物氮素来源却较为相似, 呈现土壤流失氮、人工合成化肥以及陆源有机质共同污染特征。氮污染源与引起水体污染的环境因子较一致。

4) 由于单一的氮同位素溯源仍存在不足, 下一步需要将氮同位素与氢、氧稳定同位素溯源相结合, 综合探讨流域氮污染物直接来源, 为控制氮素养分流失及改善水体环境提供科学依据。

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