亞熱帶農(nóng)業(yè)小流域水體氮素及其穩(wěn)定同位素分布特征*

趙 強, 秦曉波, 呂成文, 李玉娥, 吳紅寶, 廖育林, 魯艷紅

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亞熱帶農(nóng)業(yè)小流域水體氮素及其穩(wěn)定同位素分布特征*

趙 強1,2, 秦曉波2**, 呂成文1, 李玉娥2, 吳紅寶1,2, 廖育林3, 魯艷紅3

(1. 安徽師范大學(xué)國土資源與旅游學(xué)院 蕪湖 241000; 2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室 北京 100081; 3. 湖南省土壤肥料研究所 長沙 410125)

為控制流域氮素養(yǎng)分流失、改善流域水體環(huán)境, 以亞熱帶典型農(nóng)業(yè)小流域脫甲河為研究對象, 對表層水體銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)濃度和水體硝態(tài)氮δ15N(δ15N-NO3-)、沉積物有機質(zhì)δ15N(δ15N-Org)濃度進行了連續(xù)試驗觀測, 分析氮素濃度及其穩(wěn)定同位素值的時空特征, 探討影響氮素分布的環(huán)境因子及水體NO3-和沉積物有機質(zhì)氮素的可能來源。結(jié)果表明: 水體NO3--N濃度明顯高于NH4+-N, 均值分別為1.62 mg·L-1和0.90 mg·L-1, 并且分別在6月、8月及冬季較高; 城鎮(zhèn)區(qū)和農(nóng)田區(qū)水體NH4+-N濃度與其他類型區(qū)差異顯著(<0.05), 并且顯著高于其他水體; NO3--N濃度在城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)田區(qū)及山間林地區(qū)較高, 水庫區(qū)較低。支流NH4+-N濃度高于干流, 均表現(xiàn)為冬季>春季>夏季>秋季; 干流、支流NO3--N濃度分別表現(xiàn)為冬季>夏季>秋季>春季、秋季>冬季>夏季>春季。源頭和出口處水體均表現(xiàn)為NO3--N濃度高于NH4+-N, 源頭處氮素濃度低于出口處。水體δ15N-NO3-及底泥δ15N-Org值分布范圍分別為-19.87‰~8.11‰和-0.69‰~6.51‰, 水體δ15N-NO3-最高值在Ⅲ級河段, 最低值出現(xiàn)于Ⅳ級河段, 各級河段間水體δ15N-NO3-11月差異較小, 而1、2月差異明顯; 河流底泥δ15N-Org最高值也位于Ⅲ級河段, 而最低值則在Ⅰ級河段, Ⅲ、Ⅳ級河段δ15N-Org值隨時間變化趨勢較為一致, Ⅰ、Ⅱ級河段δ15N-Org最小值出現(xiàn)于1月?？傊? 脫甲河水體存在氮素污染現(xiàn)象且以外源輸入為主, 水體氮素來源主要為土壤有機質(zhì)、人工合成肥料及陸源有機質(zhì), 開展流域氮素分布及來源研究對認識流域尺度氮污染物的源解析具有一定科學(xué)意義。

脫甲河; 亞熱帶; 農(nóng)業(yè)小流域; 氮污染; 氮同位素; 氮素來源

氮循環(huán)是自然界中最重要的過程之一, 氮素是所有生物體所需的主要元素, 并且廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動[1-2]。在過去的25億年中由人類活動投入的氮對氮循環(huán)的影響最為明顯[3]。20世紀以來, 人類對氮循環(huán)的貢獻急劇增加[4]。氮的使用在人類社會發(fā)展中具有重要意義, 但過量的氮也是淡水生態(tài)系統(tǒng)、河口和沿海地區(qū)水體富營養(yǎng)化的重要原因[5]。氮素污染問題已引起研究者的廣泛關(guān)注。已有研究表明, 徑流水體中的氮損失主要以NH4+-N、NO3--N形式存在[6], 而影響氮素流失的因素很多, 主要有氣候(降水)、土壤、土質(zhì)、地形、植被、耕作方式、種植結(jié)構(gòu)、畜禽養(yǎng)殖模式等[7]。如朱媛媛等[8]為了解丹江口水庫流域氮素污染狀況, 探討了其氮素時空分布特征, 發(fā)現(xiàn)入庫河流總氮控制的關(guān)鍵在于溶解性有機氮和硝酸鹽氮的控制; 廖劍宇等[9]分析了東江干支流水體各形態(tài)氮的分布, 發(fā)現(xiàn)水體氮素污染嚴重, 氮源主要是農(nóng)業(yè)面源污染、生活和工業(yè)直接點源污染; 趙海超等[10]對洱海入湖河流、干濕沉降和沉積物內(nèi)源等來源的氮的負荷、形態(tài)及其時空變化特征進行了研究, 發(fā)現(xiàn)控制洱海外源入湖氮負荷, 應(yīng)以雨季之初為關(guān)鍵時期。以上研究都分析了水體氮素的分布特征, 探討了影響其分布的環(huán)境因子。但傳統(tǒng)研究方法多是通過調(diào)查污染區(qū)的土地利用類型并結(jié)合水體理化學(xué)特征辨析污染源, 這種方法得出的結(jié)論多是間接性的, 不能確定水系氮素的最終來源[11]。

穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)不僅能揭示生物體的食物來源及組成、消費者和生產(chǎn)者間的營養(yǎng)關(guān)系, 還能有效地評價水生生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)水平并且反映人類活動對水域環(huán)境影響程度[12]。氮同位素組成是水環(huán)境中人為氮源的有效示蹤劑, 其組成的變化能夠用來監(jiān)測受人類活動和污水影響的淺層水生生態(tài)系統(tǒng)的變化[13]。目前, 該方法已經(jīng)成為判斷水域生態(tài)系統(tǒng)中氮素來源的重要手段。國內(nèi)的應(yīng)用研究也有相關(guān)報道, 但主要集中在地下水[14]、大型河流[15-16]、湖泊[17-19]及水庫[20]等水體, 而對亞熱帶典型農(nóng)業(yè)小流域水系的研究比較缺乏。亞熱帶農(nóng)業(yè)小流域深受當(dāng)?shù)鼐用窆まr(nóng)業(yè)活動影響, 其水系氮素養(yǎng)分循環(huán)帶有明顯的“人類”印記, 流域內(nèi)水系類型復(fù)雜多樣, 使得小流域水系承載了大量的陸地生態(tài)系統(tǒng)氮輸入[21-22]。中亞熱帶典型農(nóng)業(yè)小流域——脫甲河流域農(nóng)業(yè)活動頻繁, 氮素污染現(xiàn)象明顯。故本文以脫甲河為研究對象, 在分析流域水系氮素時空分布特征的基礎(chǔ)上, 利用穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)探析流域水體NO3--N及沉積物有機質(zhì)δ15N的組成及時空特征, 探討影響氮素分布的環(huán)境因子及水系氮素的可能來源, 為控制該區(qū)養(yǎng)分流失和氮污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

脫甲河流域為中亞熱帶典型農(nóng)業(yè)小流域, 位于湖南省東部的長沙縣金井鎮(zhèn)境內(nèi)(27°55′~28°40′N, 112°56′~113°30′E), 屬湘江水系二級支流, 流域面積為52.10 km2, 平均海拔98.3 m, 地勢總體呈北高南低趨勢, 為典型紅壤丘陵地貌。研究區(qū)內(nèi)年平均氣溫17.2 ℃, 年平均降雨量1 422 mm[23], 四季分明, 為典型亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。流域內(nèi)土地利用類型多樣, 有林地、水田、茶園、果園以及菜地等類型, 其中以林地、水田和茶園為主, 水稻種植面積占流域面積的32%[23], 主要分布于河谷、河漫灘等低洼平緩地帶。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量化肥和農(nóng)藥的施用, 尤其是化學(xué)氮肥的不合理施用, 使得區(qū)內(nèi)非點源污染較為明顯。

1.2 樣點設(shè)置

通過查閱研究區(qū)相關(guān)文獻及對脫甲河小流域?qū)嵉乜疾? 根據(jù)流域水系結(jié)構(gòu)特征, 在河流干支流共設(shè)置20個采樣點(圖1), A1—A13為干流采樣點, B1—B7為支流采樣點。根據(jù)流域土地利用類型特征, 將研究區(qū)域水體進一步劃分為5個子類型區(qū), 分別是金井城區(qū)(A1、A2、A3、B1)、農(nóng)田區(qū)(A4、A5、A6、A8、A9、A10及B2、B3、B4、B5、B6)、居民生活區(qū)(A11)、山間林地(A7)和水庫區(qū)水體(A12、A13、B7)。另外, 為討論河流不同組分氮素分布特征, 將河流水體分為源頭區(qū)(A7、A12、A13)、河流出口(A1)、干流(A2—A11)、支流(B1—B7)。根據(jù)流域水系分級特征, 將河流從源頭(A7)至河口(A1)分為Ⅰ~Ⅳ級河段(見圖1)。穩(wěn)定氮同位素樣品取樣點為A7、B3、A5、A1, 分別代表Ⅰ~Ⅳ級不同河段取樣點。

1.3 樣品采集及檢測

1.3.1 水樣采集及其NH4+-N、NO3--N濃度測定

每個采樣點取約200 mL表層水體(0~30 cm)水樣裝入聚乙烯塑料瓶內(nèi)并貼好標簽。水樣采3個重復(fù), 取得的水樣3 h內(nèi)運回實驗室, 冷藏(1~4 ℃)或冷凍(-20 ℃)保存, 樣品每月集中分析一次以獲得NH4+-N、NO3--N濃度數(shù)據(jù)。分析時, 冷藏保存的新鮮樣品可直接進行分析, 冷凍保存的樣品需在冷藏室4 ℃條件下解凍24 h再進行分析[23]。在中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所用流動注射儀(FIA-500 star, FOSS)測定水體NH4+-N和NO3--N的質(zhì)量濃度。

圖1 脫甲河采樣點分布

1.3.2 水體及底泥沉積物有機質(zhì)δ15N測定

水體及底泥沉積物有機質(zhì)δ15N取樣方法同上。樣品運回實驗室后, 首先將沉積物樣品在60~70 ℃干燥箱中干燥24~48 h, 烘干的樣品用研缽、球磨機粉碎后, 過60目篩。之后稱量過篩后的樣品, 通過固體自動進樣器送入元素分析儀, 樣品中含氮物質(zhì)依次經(jīng)過元素分析儀的氧化爐和還原爐反應(yīng)生成N2, 生成的N2通過ConfloIV接口進入質(zhì)譜儀(IRMS-MAT253), 得到15N/14N比值。液體樣品經(jīng)過酸化濃縮、干燥成固體粉末后, 直接通過EA-IRMS聯(lián)用儀測定其氮同位素比值[24]。上述操作過程均在中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所進行, 其計算公式為:

=15N/14N (2)

式中:sample和standard分別是所測樣品和標樣的同位素比值,15N/14N對應(yīng)于大氣中的氮標準, 分析誤差<1‰。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與處理, 首先對NH4+-N、NO3--N濃度數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗(Shapiro-Wilk檢驗), 其不服從正態(tài)分布(<0.05), 從而采用非參數(shù)檢驗(Kruskal-Wallis檢驗), 再通過單因素ANOVA分析NH4+-N和NO3--N濃度的時空差異性。使用Microsoft Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進行均值和標準誤差處理并繪制圖表, 圖中誤差線均為標準誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫甲河流域表層水體氮素濃度特征

研究周期內(nèi), 脫甲河表層水體NH4+-N、NO3--N濃度(圖2)變化范圍分別是0.30~1.35 mg×L-1[均值為(0.90±0.10) mg×L-1]、0.82~2.45 mg×L-1[均值為(1.62± 0.16) mg×L-1], NO3--N濃度顯著高于NH4+-N; NH4+-N濃度在3月、6月、12月至翌年2月高于其均值, NO3--N濃度于8月、11月至翌年2月高于其均值, 兩者濃度均在冬季較高。

圖2 脫甲河水體NH4+-N和NO3--N濃度變化特征

2.2 脫甲河流域不同類型區(qū)水體氮素濃度變化特征

圖3a表明, 研究周期內(nèi), 不同類型區(qū)水體NO3--N濃度均高于NH4+-N, 其中山間林地區(qū)水體氮素濃度差異最為明顯; 城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)田區(qū)水體NH4+-N濃度(0.98 mg×L-1、1.10 mg×L-1)與其他地區(qū)差異顯著(<0.05); 城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)田區(qū)及山間林地區(qū)水體NO3--N濃度較高, 水庫區(qū)較低。從四季來看, 城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)田區(qū)水體NH4+-N濃度均較高, 山間林地區(qū)、水庫區(qū)NH4+-N濃度表現(xiàn)為夏季顯著高于其他季節(jié)(圖3b)。各類型區(qū)NO3--N濃度以冬季較高, 春季較低, 城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)田區(qū)水體NO3--N濃度特征與NH4+-N類似, 均高于其他水體, 林地區(qū)NO3--N也是夏季高于其他季節(jié)(圖3c)。

2.3 河流干支流、源頭、河口水體氮素變化特征

河流干、支流、源頭和河口水體均表現(xiàn)為NO3--N濃度高于NH4+-N(表1)。四季范圍內(nèi)(圖4), 干流NH4+-N濃度冬季與秋季差異顯著(<0.05), 支流NH4+-N濃度冬季與其他3季差異達顯著水平(<0.05), 而春、夏、秋季差異不顯著, NH4+-N濃度均呈現(xiàn)支流高于干流; NO3--N濃度冬、春季差異顯著(<0.05), 在春、夏及冬季均為干流略高于支流, 秋季為支流高于干流。

河流源頭、出口處水體均表現(xiàn)為NO3--N濃度高于NH4+-N, 出口處水體NH4+-N、NO3--N濃度均高于源頭(表1)。源頭NH4+-N濃度春、秋、冬3季與夏季差異顯著(<0.05), 而出口處冬、秋差異達到顯著水平(<0.05), 表現(xiàn)為出口處水體NH4+-N濃度高于源頭, 但源頭NH4+-N夏季濃度高于其他3季; 源頭NO3--N濃度四季差異不顯著, 夏冬季高而春秋季低, 出口則表現(xiàn)為冬季與其他季節(jié)差異顯著(<0.05), 呈現(xiàn)NO3--N濃度四季均為源頭低于出口, 源頭、出口水體NO3--N均為冬季高于其他3季(圖5)。

2.4 水體和底泥有機質(zhì)δ15N分布特征

研究周期內(nèi), 水體δ15N值(δ15N-NO3-, 圖6a)總體波動范圍為-19.87‰~8.11‰, Ⅳ級河段(A1)、Ⅲ級河段(A5)、Ⅱ級河段(B3)和Ⅰ級河段(A7)水體的δ15N-NO3-均值分別為(-11.42±7.02)‰、(3.61± 0.78)‰、(2.55±0.55)‰和(3.41±2.37)‰, 最高值位于Ⅲ級河段, 最低值位于Ⅳ級河段; 各級河段水體δ15N-NO3-11月差異較小, 且差異不明顯; 而1、2月差異明顯, Ⅳ級河段呈遞減趨勢且明顯偏負, Ⅲ級河段則呈遞增趨勢, Ⅰ級河段在1月值較高。河流底泥δ15N值(δ15N-Org, 圖6b)變化范圍為-0.69‰~ 6.51‰, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級河段均值分別為1.39‰、2.83‰、5.51‰和3.46‰, 最高值與水體δ15N-NO3-相似也位于Ⅲ級河段, 最低值則出現(xiàn)于Ⅰ級河段; Ⅰ、Ⅱ級河段底泥δ15N-Org隨時間序列變化趨勢較為一致, 均在1月為低值且偏負, 而Ⅲ、Ⅳ級河段底泥δ15N-Org變化趨勢也相近, 但其于1月出現(xiàn)較高值。

圖3 研究期間不同類型區(qū)水體的NH4+-N和NO3--N濃度(a)及不同季節(jié)不同類型區(qū)NH4+-N(b)和NO3--N(c)濃度變化特征

圖3a中不同字母表示不同類型區(qū)水體NH4+-N、NO3--N濃度差異顯著(<0.05)。圖3b、3c中不同字母表示同一類型區(qū)水體四季NH4+-N、NO3--N濃度差異顯著(<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.

沉積物中氮同位素信號能反映陸生和水生輸入沉積物中的相對分布, 外源輸入中氮負荷的增加也可以導(dǎo)致沉積物δ15N-Org升高, 水體δ15N-NO3-的變化也可以反映農(nóng)業(yè)化肥以及城市污染物的輸入[16]。已有研究表明(圖7), 陸源有機質(zhì)δ15N值的范圍為-10‰~10‰, 水源性有機質(zhì)δ15N平均值約為6.5‰[25]。土壤流失氮的δ15N為3‰~8‰, 合成化肥的δ15N為-4‰~4‰[26], 人畜排泄物中的硝酸鹽δ15N為10‰~20‰[27], 大氣沉降NO3--N δ15N值在0.2‰~ 0.8‰范圍內(nèi)變化[28]。利用含氮物質(zhì)的δ15N特征值范圍, 結(jié)合測定的氮元素濃度, 便可以判別河流含氮污染物的主要來源。從圖7判斷, 脫甲河流域水體氮素以外源氮輸入為主, 生產(chǎn)生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染以及畜禽養(yǎng)殖廢棄物可能是水體氮素污染的主要環(huán)境因子。

3 討論

脫甲河水體NH4+-N、NO3--N濃度年均值分別為0.90 mg×L-1、1.62 mg×L-1, 已呈現(xiàn)氮素污染現(xiàn)象, 其NO3--N濃度高于NH4+-N, 與亞熱帶河流[9,29-30]以及鄱陽湖、太湖等[31-32]湖泊水體氮素差異較為相似(表2)。而與趙鈺等、榮楠等[33-34]在子牙河和海河流域的研究結(jié)果明顯不同, 原因是海河流域分布著各大中型城市, 工業(yè)廢水與生活污水排放量大, 同時農(nóng)田面積廣且氮肥流失嚴重, 畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大, 氮等污染物入河系數(shù)高[35], 但本研究區(qū)域為農(nóng)業(yè)小流域, 區(qū)內(nèi)林地面積較廣, 其次為農(nóng)田、茶園、建筑用地等, 污染物排放量相對較小。然而與丹江口水庫區(qū)對比發(fā)現(xiàn), 本研究區(qū)域NH4+-N濃度高于丹江口水庫區(qū)域, 原因是丹江口庫區(qū)氮污染主要受城鎮(zhèn)化及南水北調(diào)工程影響[33], 而脫甲流域受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動影響顯著。此外, 6月份NH4+-N濃度高可能與當(dāng)?shù)氐咎锸┓?、排水烤田等農(nóng)業(yè)活動有關(guān), 而雨季降雨量的增加, 畜禽糞便等隨徑流的入河量也會增多, 導(dǎo)致水體NH4+-N濃度升高; 7月是該地區(qū)早稻收割和晚稻插秧時間, 早稻種植時期的殘留氮肥及晚稻所施用底肥的共同作用可能導(dǎo)致水體NO3--N濃度在8月出現(xiàn)峰值, 與宋立芳等[37]在該區(qū)域的研究結(jié)果相一致。李永梅等[38]也指出NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N約需1個月。此外, 該區(qū)域為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 冬季河流處于枯水期, 河流徑流量減小, 水體自凈能力下降, 使得水體中氮素得以積累, 再者枯水期城鎮(zhèn)生活污水及生產(chǎn)廢水等外源氮輸入不會減少, 而較低的氣溫也限制了微生物活動, 從而導(dǎo)致水體氮素濃度冬季較高[8,23]。

本試驗發(fā)現(xiàn), 流域內(nèi)城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)田區(qū)水體符合國家地表水環(huán)境質(zhì)量[39]的Ⅲ類(NH4+-N≤1.0 mg×L-1)和Ⅳ類(NH4+-N≤1.5 mg×L-1)水體標準, 其NH4+-N、NO3--N濃度四季均高于其他類型區(qū)。脫甲河流域水稻種植面積占32%, 稻田氮肥施用量為374 kg×hm-2×a-1[37], 其施氮量遠超過國際公認的上限225 kg×hm-2×a-1[40], 并且約有212.2 kg×hm-2×a-1在土壤累積或進入水體[41], 而水田土壤犁底層又限制了氮素向深層土壤遷移, 使得氮素更易隨田間徑流損失。再者, 河流兩岸小型工廠和畜禽養(yǎng)殖場零星分布, 居民點較為密集[36], 污水處理設(shè)施也較為落后, 促進了氮素進入鄰近河流, 這與Wang等[41]、Ongley等[42]研究結(jié)果一致。此外, Wang等[41]指出由于氮肥的使用, 使得流域內(nèi)的作物土壤對河流氮負荷有重要影響。林杉等[43]對小流域農(nóng)戶氮循環(huán)進行了研究, 也發(fā)現(xiàn)氮肥過度施用和人畜排泄物處理不當(dāng)造成的農(nóng)田盈余氮和生活排放氮分別占流域氮負荷的72%和28%。可見, 農(nóng)業(yè)氮肥施用、居民生活污水是城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)田區(qū)水體污染的重要因子。

表1 脫甲河干支流、源頭及河口NH4+-N和NO3--N濃度

圖4 脫甲河干流和支流水體NH4+-N和NO3--N季節(jié)變化特征

圖中不同小、大寫字母分別表示干流、支流四季差異顯著(<0.05)。Different lowercase and capital letters indicate significant differences at 0.05 level among four seasons for mainstream and tributaries, respectively.

圖5 脫甲河源頭和河口水體NH4+-N和NO3--N季節(jié)變化

圖中不同小、大寫字母分別表示源頭、出口四季差異顯著(<0.05)。Different lowercase and capital letters indicate significant differences at 0.05 level among four seasons for source and estuary, respectively.

圖6 脫甲河水體(a)和底泥有機質(zhì)(b)的δ15N值變化特征

圖中A7、B3、A5和A1分別代表I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級河段。In the figure, A7, B3, A5 and A1 represent the reaches I, Ⅱ, Ⅲ and Ⅳof Tuojia River, respectively.

根據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準[39], 脫甲河支流水體為Ⅳ類水, 干流則為Ⅲ類水體, 而源頭水質(zhì)較好, 接近Ⅱ類水(NH4+-N≤0.5 mg×L-1)。支流多深入稻田腹地, 兩岸有菜地分布, 農(nóng)田氮肥施用使得大量氮以NH4+-N形式進入支流水體并且稻田長期處于淹水狀態(tài)形成的厭氧環(huán)境限制了NH4+-N的硝化過程[44], 再有支流上游四季均有醫(yī)院污水排入, 多種因素影響下導(dǎo)致支流NH4+-N濃度高于干流。廖劍宇等[9]對東江水體氮素特征研究指出, 河流氮素除干流沿途本身的氮輸入外, 主要還來自于支流向干流的輸送, 脫甲河氮素濃度變化與其相似。此外, 硝酸鹽離子與土壤膠體同帶負電荷, 不易被土壤微粒吸附, 而NH4+-N攜帶正電荷易被吸附, 其是導(dǎo)致干支流水體NO3--N較高的因素[45]。而山間林地區(qū)(源頭區(qū))水體NO3--N濃度較高的原因可能是亞熱帶紅壤地區(qū)森林土壤中好氧條件和較低的土壤pH有利于抑制氮素的反硝化過程[46]。河流源頭水體NH4+-N濃度總體較低, 與劉智峰[29]、廖劍宇等[9]的研究結(jié)果較為相似, 原因是源頭區(qū)受人類活動影響弱, 植被覆蓋率高, 吸收降解了部分污染物。干流沿岸及支流氮素最終匯聚于干流水體, 此階段雖有植物吸收、底泥吸附以及微生物分解等過程影響氮素濃度, 干流仍承載了大量氮輸入且通過出口匯入另一水體。

圖7 脫甲河水體、沉積物及常見氮素來源的δ15N值分布[44-47]

圖中正方形和棱形分別代表各常見氮素來源δ15N的高、低值, 圓形為本試驗觀測的水體和沉積物有機質(zhì)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.

表2 其他流域水體NH4+-N、NO3--N濃度

根據(jù)δ15N特征值范圍, 脫甲河氮源較為復(fù)雜, 與洱海[18]入湖河流NO3--N來源也頗為相似, 而與十五里河和南淝河[19]NO3--N污染來源不盡相同, 這可能與流經(jīng)區(qū)域有關(guān), 十五里河流經(jīng)合肥市區(qū)多個功能區(qū), 南淝河下游兩岸分布有大部分工礦企業(yè)。脫甲流域則為典型農(nóng)業(yè)小流域, 流域水體受農(nóng)業(yè)活動、小型工廠廢水及鄉(xiāng)村生活污水影響顯著。Ⅲ級河段分布有大面積農(nóng)田及若干畜禽養(yǎng)殖場, 化肥和養(yǎng)殖廢棄物可能導(dǎo)致了其δ15N值最高, 與邢萌等[47]在浐河、澇河的研究結(jié)果一致。此外, 各級河段水體δ15N-NO3-和δ15N-Org值在1、2月呈偏高之勢, 可能是低溫環(huán)境下, 反硝化作用占主要優(yōu)勢, 而導(dǎo)致水體δ15N值升高[48]。綜上所述, 脫甲河氮同位素分布具有時空差異, 來源主要為土壤流失氮、人工合成化肥及陸源有機質(zhì), 且與上文引起水體氮素污染的環(huán)境因子較為一致。

4 結(jié)論

1)總體而言, 脫甲河水體氮素污染現(xiàn)象較為明顯, 以城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)田區(qū)水體污染最為顯著, 分別為Ⅲ、Ⅳ類水; 就河流各部分來看, 支流污染較為嚴重, 屬于Ⅳ類水體, 河流出口為Ⅲ類水, 而源頭受人類活動影響較小, 水質(zhì)較好, 接近Ⅱ類水。

2)水體氮素分布具有顯著時空差異, 流域水體環(huán)境受居民生產(chǎn)生活影響顯著, 水體氮素以外源氮輸入為主, 生產(chǎn)生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染以及畜禽養(yǎng)殖廢棄物可能是水體氮素污染的主要環(huán)境因子。

3)脫甲河水體δ15N-NO3-和沉積物δ15N-Org的分布雖具有時空差異, 但各級河段水體和沉積物氮素來源卻較為相似, 呈現(xiàn)土壤流失氮、人工合成化肥以及陸源有機質(zhì)共同污染特征。氮污染源與引起水體污染的環(huán)境因子較一致。

4)由于單一的氮同位素溯源仍存在不足, 下一步需要將氮同位素與氫、氧穩(wěn)定同位素溯源相結(jié)合, 綜合探討流域氮污染物直接來源, 為控制氮素養(yǎng)分流失及改善水體環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

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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)

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-1and 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 (< 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.

Tuojia River basin; Subtropics; Agricultural basin; Nitrogen pollution; Nitrogen isotope; Nitrogen source

Corresponding author, E-mail: qinxiaobo@caas.cn

Jun. 9, 2017; accepted Aug. 18, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170539

X522

A

1671-3990(2018)01-0136-10

通信作者:秦曉波, 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體減排及氮碳循環(huán)研究。E-mail: qinxiaobo@caas.cn 趙強, 主要從事小流域氮循環(huán)及其穩(wěn)定同位素溯源研究。E-mail: 2459407179@qq.com

2017-06-09

2017-08-18

*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).

*國家自然科學(xué)基金面上項目(41475129, 41775157)和國家發(fā)改委CDM基金贈款項目(2014081)資助

趙強, 秦曉波, 呂成文, 李玉娥, 吳紅寶, 廖育林, 魯艷紅. 亞熱帶農(nóng)業(yè)小流域水體氮素及其穩(wěn)定同位素分布特征[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(1): 136-145

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