應(yīng)用氮氧同位素技術(shù)識別梁溪河硝酸鹽污染源 *

郝禹，李衛(wèi)平，李國文，李曉光，田啟國，張少康，張列宇

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

太湖是全國富營養(yǎng)化較為嚴重的淡水湖泊之一[8].太湖的氮營養(yǎng)鹽由于季節(jié)變化使部分湖區(qū)(如梅梁灣)富營養(yǎng)化程度加重[9].鄧建才等[10]研究表明，太湖北部湖區(qū)的總氮濃度顯著高于其他湖區(qū)；XU等[11]研究發(fā)現(xiàn)梅梁灣水體不同形態(tài)氮濃度存在季節(jié)性差異.污染物溯源會因太湖水體的交換而難以進行[12].此外，污染源會因季節(jié)、水動力條件等因素而發(fā)生改變，并且范圍廣，很難準確計算硝酸鹽貢獻率[13].

梁溪河作為太湖重要景觀連通河道之一，是優(yōu)化水循環(huán)，轉(zhuǎn)移污染物的關(guān)鍵路徑[14].對梁溪河流域地表水進行布點采樣，將氮氧同位素技術(shù)與水化學(xué)分析方法相結(jié)合，探究枯水期和豐水期梁溪河地表水δ15N和δ18O的含量組成，采用基于SIAR的氮污染源貢獻模型估算各硝酸鹽污染源的貢獻率，為太湖水系景觀河道水環(huán)境氮污染控制提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

梁溪河位于江蘇省無錫市，水流方向由西向東，西起梅梁湖，東接京杭運河，主要支浜有大渲河、小宣河、楊木橋浜等，是溝通城區(qū)河道、京杭大運河和太湖水系的重要城市景觀連通河道。該流域氣候特點屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨多集中分布在夏季(6～9月).

1.2 樣品采集

根據(jù)梁溪河流域地表水的類型和分布狀況，于2019年枯水期(1月)和豐水期(7月)沿干流和各支浜確定21個監(jiān)測斷面，每個斷面確定一個采樣點(均以GPS定位).室內(nèi)定位考慮支浜的代表性，將其劃分為上游和下游2個研究區(qū)域，采樣點位見圖1.

1.3 樣品分析

1.4 穩(wěn)定同位素模型(SIAR)

為識別水體硝酸鹽各污染源并估算其貢獻率，引入穩(wěn)定同位素模型SIAR.PARNELL等學(xué)者利用開源軟件R構(gòu)建的穩(wěn)定同位素源解析模型SIAR遵循同位素質(zhì)量平衡規(guī)律，能夠計算各污染貢獻率，并且貢獻比率之和為1，生成貢獻比率范圍[15].

2 結(jié)果與討論

2.1 梁溪河水體水化學(xué)特征

梁溪河枯水期和豐水期水體樣品的水化學(xué)參數(shù)分別如表1和2所示.梁溪河枯水期調(diào)查期間表層水體溫度變化范圍為8.9～9.3 ℃，平均為9.0 ℃，從上游至下游呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，其中梅梁灣水溫最高，達到9.3 ℃；豐水期調(diào)查期間表層水體溫度變化范圍為28.2～31.1 ℃，平均為29.5 ℃，從上游至下游呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.梁溪河水體枯水期平均pH值為8.05，變化范圍為7.89～8.21，豐水期平均pH值為8.09，變化范圍為7.91～8.29，整體呈現(xiàn)中性偏弱堿性，豐水期河水pH值普遍高于枯水期.溶解氧(DO)是衡量河流水質(zhì)的重要指標(biāo)，較高的DO含量對反硝化反應(yīng)存在抑制性.梁溪河水體枯水期和豐水期DO的范圍分別為4.96～7.51和4.12～7.37 mg/L，均值分別為6.56和5.49 mg/L.采樣期間枯水期和豐水期所有點位DO檢出值均高于反硝化反應(yīng)閾值(1～2 mg/L)[16]，梁溪河水體并無反硝化作用的發(fā)生.總體來看，梁溪河存在上游區(qū)域的pH與DO值普遍高于下游區(qū)域的特點.

表1 枯水期梁溪河地表水理化性質(zhì)表

表2 豐水期梁溪河地表水理化性質(zhì)表

2.2 梁溪河硝酸鹽來源的定性分析

2.3 梁溪河硝酸鹽來源的定量分析

硝化和反硝化作用在全球氮循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用，然而N，O同位素組成會在反硝化作用中由于同位素分餾作用改變[21].因此，需要判斷梁溪河水體是否發(fā)生反硝化作用以確定使用雙同位素法的準確性.一方面，梁溪河水體為連通景觀河道，采樣期間流速穩(wěn)定在0.167～0.305 m/s，且各采樣點DO的范圍為3.68～6.98 mg/L，不利于反硝化作用的發(fā)生；另一方面，梁溪河水體硝酸鹽含量與δ15N和δ18O的值無明顯的反相關(guān)關(guān)系，說明梁溪河地表水并沒有反硝化作用發(fā)生，故分餾系數(shù)為0.

研究使用SIAR模型識別4種污染源對梁溪河水體硝酸鹽氮的貢獻率.不同污染源的背景值和方差來源于當(dāng)?shù)夭蓸訑?shù)據(jù).梁溪河地表水各污染源貢獻率如圖3和4所示.

估算各污染源貢獻率結(jié)果整理如表3所示.梁溪河地表水硝酸鹽氮污染貢獻率最高的為糞肥污水源，約為52.5%；化肥源與土壤源污染貢獻率接近，分別為19%和21%；而大氣沉降對河流硝酸鹽的貢獻為7.5%.總體來看，自然源(大氣沉降)對梁溪河水體硝酸氮的貢獻較低，人為源(糞肥污水源)為梁溪河水體硝酸氮的主要污染源.結(jié)論與上述定性分析結(jié)果一致.

表3 梁溪河地表水各污染源貢獻率表

3 結(jié)論

(2)根據(jù)氮氧同位素研究結(jié)果得出，研究區(qū)污染與人類活動密切相關(guān).糞肥及生活污水是枯水期水體硝酸鹽氮的主要來源；糞肥污水源、土壤源和化肥源對豐水期研究區(qū)水體均存在較大的污染風(fēng)險，而自然環(huán)境因素(大氣沉降)對研究區(qū)地表水硝酸鹽氮的污染影響較小.