浐河流域水-土-植物硝酸鹽和氮同位素組成及氮源示蹤

王 博 ，劉衛(wèi)國

1.中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061

2.中國科學院大學，北京 100049

隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，含氮化學物質(zhì)的過度排放造成了很多的環(huán)境問題，比如連年增多的氮沉降和河流等水體的富營養(yǎng)化，為了應對這些風險，國內(nèi)研究者越來越重視氮元素在自然界中的循環(huán)過程。各種新技術的加入，使得大量硝酸鹽通過人類活動（工業(yè)廢水和生活污水的排放，農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥的使用，污染物填埋，化石燃料的燃燒泄漏等）不斷進入土壤，河流和地下水硝酸鹽污染已成為一個普遍存在的環(huán)境問題（Choi et al，2003；李思亮等，2005；Liu et al，2006；Yang et al，2007），而經(jīng)過自然界的循環(huán)過程，單一的污染源會對整個生態(tài)系統(tǒng)都產(chǎn)生污染效應，例如：水體中氮過量時會造成富營養(yǎng)化，使水質(zhì)惡化，影響水生生物的生長及繁殖；氨或銨鹽存在過量時，反而會使土壤的土質(zhì)變壞，影響植物生長；氮氧化物（主要為NOx和N2O）在高層大氣時會對臭氧層的破壞起到催化促進的作用。

自然界中氮原子的穩(wěn)定同位素有2種：14N和15N?？諝庵?4N和15N的相對豐度為99.6337%和0.3663%，且15N /14N比值在不同地區(qū)、不同高度恒為1/272（Junk and Svec，1958）。通常以大氣氮作為標準物。氮同位素分餾能夠引起自然界含氮物質(zhì)δ15N值的顯著差異，研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)陸地物質(zhì)的δ15N組成范圍為-20‰ — 30‰，例如：土壤含氮有機物經(jīng)過微生物的硝化作用δ15N值在-3‰ — 10‰變化，人工合成化肥的δ15N值大多在 0 ± 3‰（Kendall，1998）；而生活污水和有機肥中的δ15N值較高，來源于污水產(chǎn)生的硝酸鹽δ15N值在4‰ — 19‰；人畜糞便產(chǎn)生的硝酸鹽δ15N值范圍是5‰ — 25‰；大氣氮沉降的δ15N值因受到大氣中復雜的化學反應及各種人類活動（化石燃料的燃燒）的影響，其典型值域范圍是-13‰ — 13‰。因此，可以通過對硝酸鹽氮同位素的研究來大致判定土壤和水體的氮素來源。邢萌等2008年和2011年對陜西浐河和澇河河水硝酸鹽氮同位素組成及其空間特征進行了研究，表明河水受污染程度從上游到下游呈增長趨勢，中游主要受農(nóng)業(yè)污染，下游受到工業(yè)和城市污染較重（邢萌等，2010；邢萌和劉衛(wèi)國，2016）。對涇河小流域表層沉積物和水體的氮同位素研究有助于加深理解黃土高原土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境的變化（Liu and Xing，2012；孫璐萍等，2013）。土壤和植物氮同位素組成對環(huán)境的響應研究一直是人們關心的問題（Handley et al，1999；Amundson et al，2003；Wang et al，2014；Liu et al，2017）。植物氮同位素值（δ15N）在一定的時間和空間上能夠綜合反映氮循環(huán)特征，為理解生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)提供有用的信息（Robinson，2001；Koba et al，2003）。影響植物氮同位素的因素很多，其中隨著海拔梯度的變化，除引起土壤δ15N、土壤母質(zhì)等的變化外，還引起了溫度、降雨量、大氣CO2等環(huán)境因素的變化，這些因素的變化會通過影響土壤氮循環(huán)，進而影響土壤δ15N，最終對植物δ15N產(chǎn)生影響，但是國內(nèi)外研究得到的結果存在分歧，大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)植物δ15N值隨海拔的升高有減小的趨勢（Billings et al，2002；Amundson et al，2003；Craine et al，2009）。

前期關于浐河流域穩(wěn)定氮同位素的研究主要集中于對河水的硝酸鹽的研究和污染源的追蹤。而同時對河水-表土-植物進行硝酸鹽氮同位素的研究很少，因此對河水、土壤和植物之間的相互作用是很少觸及的。本文利用硝酸鹽氮同位素技術，對浐河流域進行調(diào)查研究，從源頭到與灞河匯聚處進行采樣。通過分析不同地點的表層土壤硝酸鹽、河水硝酸鹽和植物樣品的δ15N值及濃度的變化，并對比實驗室2008年和2011年對浐河河水的研究，可以識別分析水-土-植物含氮物質(zhì)的來源，并且可以初步研究河水、土壤和植物之間的相互作用，為浐河流域生態(tài)監(jiān)測和管理提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

浐河是關中地區(qū)重要的河流，最終與灞河交匯后流入黃河的最大支流——渭河（圖1）。浐河位于西安市的東郊，是灞河最大一級支流。浐河源出藍田縣西南秦嶺北坡湯峪鄉(xiāng)之南，海拔2197 m的秦嶺紫云山南的月亮石西側(cè)，最終匯入渭河。浐河全長64.6 km，流域面積760 km2。流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L季候，四季分明，多年平均氣溫13.3℃，多年平均降水量744.47 mm（宋德明等，1988）。西安市2006 — 2012年農(nóng)業(yè)化肥使用量從69.7×104t增長到 80.8×104t，其中藍田縣 2012 年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值達到了24.45億元，長安區(qū)達到30.06億元；2012年工業(yè)總產(chǎn)值藍田縣和長安區(qū)分別達到21.73億元和122.60億元；2012年第三產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值藍田縣達到36.07億元，長安區(qū)有150.8億元（西安市統(tǒng)計局和國家統(tǒng)計局西安調(diào)查隊，2013）。而在2010年藍田縣和長安區(qū)第三產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值分別為27.21億元和112.67億元（西安市統(tǒng)計局和國家統(tǒng)計局西安調(diào)查隊，2011）。農(nóng)業(yè)化肥使用的增加對生態(tài)系統(tǒng)有很多不利影響，例如：過多的氮磷元素排放造成地下水和地表水硝酸鹽含量過多；土壤微生物的固氮作用可以將空氣中氮氣轉(zhuǎn)化為氮化合物（如氨硝酸鹽），供植物作養(yǎng)分，然而過量氨或銨鹽的存在，會使土壤的土質(zhì)變壞，反有害于植物生長。旅游業(yè)的快速發(fā)展也勢必會產(chǎn)生一些環(huán)境污染問題。

本文選取從接近浐河源頭的湯三村，沿浐河流域直至與灞河交匯區(qū)域采樣研究。全面概括了浐河流域的上中下游。實地采樣發(fā)現(xiàn)：在森林區(qū)（C-1，C-2），自然環(huán)境舒適，河水清澈，旅游業(yè)發(fā)達，流域旁農(nóng)家樂遍布；在農(nóng)耕區(qū)（C-3 — C-5），農(nóng)業(yè)發(fā)達，河水逐漸渾濁，選取兩片玉米地和一處魚塘周圍采樣；在城市區(qū)（C-6，C-7），進入城市區(qū)域，住宅居多，建筑工地比較多。對比2008年和2011年，整個浐河流域周邊工廠全部關停，沿途沒有發(fā)現(xiàn)排污口。除城市區(qū)，河流其他區(qū)域沿岸植物覆蓋率很高。

圖1 浐河采樣點位置示意圖Fig.1 Map of the Chanhe River showing the location of the sampling sites for river waters

2 樣品采集和分析方法

本研究于2017年9月從浐河源頭采樣至與灞河交匯處，共有樣點河水樣品6個，土壤樣品7個和植物樣品7個，所有樣點均以GPS定位。野外采集河水樣品每個取1.5 L并迅速運回實驗室。水樣過0.4 μm Whatman濾膜，過濾后的水樣在4℃下冷藏保存，用于測定硝酸鹽δ15N。采樣完成24 h內(nèi)，取適量河水樣用離子色譜儀（DionexICS-1000）測定Cl-、、、濃度。土壤樣品每個樣點取兩份表土樣品，現(xiàn)場過2 mm的篩，迅速運回實驗室后在-20°的條件下冷凍保存，在兩周內(nèi)用飽和CaSO4溶液浸提并采用離子交換色層法，測量土壤中-N含量和其δ15N-值。植物樣品采集，對于不同的采樣點，就近（20米內(nèi)）采取1 — 2種能夠代表該采樣點生態(tài)環(huán)境的植物，運回實驗室后風干，將植物各個部位均剪取一部分混合均勻，酸處理后，在瑪瑙研缽中粉碎后用于測量植物體氮同位素。水體-N含量采用離子色譜測量，δ15N-值測量方法采用改進的陰離子交換樹脂法（Xing and Liu，2011）。土壤樣品-N含量用離子色譜測量，δ15N-值采用陰離子樹脂法處理測試（胡婧和劉衛(wèi)國，2012；Hu and Liu，2014）。氮同位素測定選用的是中科院地球環(huán)境研究所，穩(wěn)定同位素實驗室所擁有的EAIRMS同位素質(zhì)譜儀。待儀器穩(wěn)定后測定開始，測定過程中，首先將用銀舟包裹好的樣品放進自動進樣器中，隨著軟件的設定，依次經(jīng)過氧化爐和還原爐，在氧化爐1000℃的環(huán)境下樣品被氧化成氣態(tài)形式，進而經(jīng)由650℃的還原爐還原為測定需要的N2。儀器進一步分離后的N2在質(zhì)譜儀中分析得到樣品硝酸鹽δ15N值，同位素值用千分比來表示。本實驗方法的標準物質(zhì)由兩個國際上公認通用的參考標準IAEA-N3（δ15N = 4.70‰）、USGS-25（δ15N = -30.4‰），配合本實驗室標定的SN-2（δ15N ≈ 5.2‰）、KNO3（δ15N = 6.2‰）， 以 此 來檢測實驗儀器良好的穩(wěn)定性和實驗精度，實驗標準偏差為±0.3‰。測量6個樣品的同時加入一個標準樣品，用標準樣品是否出現(xiàn)偏差來保證實驗的準確。

3 結果與討論

3.1 土壤-N含量及δ15N-值變化

土壤中不同來源的硝酸鹽δ15N值不同。圖2可以看出，在上游C-1和C-2，土壤δ15N-明顯偏負，分別是-5.7‰和-5.9‰。在中游農(nóng)耕區(qū)C-4點，土壤δ15N-值達到38.0‰，在這片玉米地旁發(fā)現(xiàn)了糞肥，這與前人研究一致，人畜糞便由于氨的揮發(fā)，使貧15N的NH3優(yōu)先揮發(fā)后留下富15N的，再由此富15N的硝化形成的而富集15N（H?gberg，1997）。

3.2 植物氮同位素變化

海拔變化會引起土壤δ15N、溫度、降水、大氣CO2等環(huán)境因素的變化，這些因素的變化會通過引起土壤δ15N值來影響植物δ15N值的變化。關于植物δ15N值與海拔的關系，國內(nèi)外已經(jīng)進行了較多的研究（Jacot et al，2000；劉曉宏等，2007；劉賢趙等，2009），但是得到的結果存在分歧。關于植物δ15N與溫度之間的關系，研究結果并不一致，一部分研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，植物δ15N值變負。而多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，植物δ15N值有變正的趨勢。劉曉宏等研究得到東非大裂谷埃塞俄比亞段內(nèi)C3植物的δ15N與年均溫度極顯著正相關，年均溫度每增加1℃，植物葉片δ15N偏正0.5‰。植物δ15N與降水之間的關系的研究，表明很多區(qū)域都發(fā)現(xiàn)植物δ15N值隨年均降水量的降低而增大，即干旱地區(qū)的δ15N值大于濕潤地區(qū)（Swap et al，2010；Wang et al，2010）。

表1 浐河土壤和植物氮同位素組成Tab.1 Soil and plant nitrogen isotope composition of Chanhe samples

圖2 土壤硝酸鹽含量及氮同位素變化Fig.2 Nitrate content and nitrogen isotope variation in soil samples

由表1可知浐河沿岸植物δ15N值變化范圍在-2.1‰ — -4.6‰。由圖3可發(fā)現(xiàn)植物δ15N值隨著海拔升高呈現(xiàn)變負的趨勢。在本研究區(qū)，從浐河森林區(qū)到?jīng)汉映鞘袇^(qū)，海拔逐漸降低，溫度逐漸升高，降水逐漸減少。這兩個因素可能是導致植物δ15N值隨海拔變負的原因。土壤中硝酸鹽也是影響植物氮同位素的重要因素。在C-3和C-4點土壤硝酸鹽濃度明顯高于其他地點，其δ15N-值也明顯偏正。而在植物氮同位素變化過程中并沒有發(fā)現(xiàn)這兩個地點存在特殊的變化，這與之前用溫度和降水解釋植物硝酸鹽變化趨勢存在矛盾。

圖3 植物氮同位素變化Fig.3 Nitrogen isotope variation in plant samples

3.3 河流-N含量及δ15N-值變化

表2 浐河河水硝酸鹽氮同位素組成及對比Tab.2 Hydrogeochemical parameters and isotopic analysis of Chanhe water samples

浐河δ15N-變化范圍為 -1.4‰ — 2.1‰。圖4可以看出河流硝酸鹽氮同位素呈現(xiàn)從上游到下游逐漸升高的趨勢。Xing and Liu（2016）和Yue et al（2014）對中國涇河流域和松花江流域的研究表明：河水硝酸鹽濃度及同位素組成受沿河土地利用類型及人類活動影響巨大。浐河源頭河水發(fā)源于秦嶺山間，植被覆蓋較好，因此水體中同位素組成整體偏負。C-2點δ15N-明顯低于同源頭區(qū)的C-1，是因為近幾年源頭旅游業(yè)發(fā)展迅速，C-1會受到更多的生活污水等人為污染，而C-2選在浐河小支流，遠離人類活動，因此同位素組成更為偏負。中游地區(qū)C-3和C-4河水δ15N-明顯變正，可能是兩岸農(nóng)業(yè)活動中使用的肥料和農(nóng)藥殘留物隨著雨水沖刷進入河道，因此導致氮同位素值逐漸偏正。在浐河下游，C-5和C-6河水δ15N-都相對偏正，與農(nóng)耕區(qū)相差不大，可能因為下游的硝酸鹽主要來源于處理過的生活污水。

圖4 水樣硝酸鹽濃度及氮同位素值變化Fig.4 Nitrate concentration and nitrogen isotope variation in water samples

對比邢萌等2008年和2011年對浐河的研究，發(fā)現(xiàn)相比于之前的研究，此次研究C-1 — C-5河水硝酸鹽含量明顯高于之前兩年（圖5a），但在城市區(qū)C-7明顯低于2011年。圖5b可以看出C-1 — C-5 河水 δ15N-相較之前均表現(xiàn)出變負的現(xiàn)象，而C-7則明顯低于2008年和2011年。上游地區(qū)的變化可能與源頭區(qū)近幾年發(fā)展迅速的旅游業(yè)有關，旅游業(yè)會帶來更多的人為干擾，增加源頭生活污水的排放，而生活污水對河水硝酸鹽含量和δ15N-均有影響。農(nóng)耕區(qū)化肥和糞肥的使用連年增加，也必然會產(chǎn)生更多的氮素，經(jīng)過自然環(huán)境的轉(zhuǎn)化，會對浐河硝酸鹽含量和δ15N-的變化有一定的影響。相對于2008年和2011年的研究，此次采樣在浐河沿途并未發(fā)現(xiàn)造紙廠及可能會產(chǎn)生污染的工廠和未處理的排污口。因此這可能是下游地區(qū)硝酸鹽含量并未增多的原因，減少的工業(yè)污染使得水體δ15N-明顯變負。這說明前些年疏于管理的工業(yè)污染對浐河硝酸鹽影響是巨大的，而近幾年對浐河流域的整治對氮素的變化起了很重要的作用。

圖5 水樣氮同位素變化和硝酸鹽含量對比Fig.5 Comparison of nitrogen isotope variation and nitrate content in water sample

城市區(qū)工業(yè)廢水和生活污水的大量排放可能導致氮素及Cl-和離子濃度升高（Yue et al，2013）。氯在自然界中是相對穩(wěn)定的元素，其可能來源包括農(nóng)用鉀肥，動物糞便，生活污水等，因此氯元素可以作為指示污染源的元素（Mengis et al，2010）。由表2可以看出，相對于2011年，此次采樣Cl-和的變化比較小，尤其在下游地區(qū)，邢萌等2011年對浐河的研究發(fā)現(xiàn)，相比于上游地區(qū)，Cl-和離子濃度均有成倍的增長。由此可以推斷出近幾年對浐河城市區(qū)的整治效果顯著，水體氮素及Cl-和離子均明顯下降。

4 結論

通過2017年9月對浐河流域河水-土壤-植物的硝酸鹽氮同位素組成的研究，并對比2008年和2011年對浐河水樣的研究得到以下結論：

（1）對土壤的硝酸鹽含量及δ15N-值的研究發(fā)現(xiàn)，不同的土地利用類型是使其產(chǎn)生變化的重要原因。土壤硝酸鹽含量表現(xiàn)出：農(nóng)耕區(qū)＞森林區(qū)＞城市區(qū)。土壤δ15N-值表現(xiàn)出：農(nóng)耕區(qū)＞城市區(qū)＞森林區(qū)。

（2）此次研究結合河水硝酸鹽濃度和δ15N-值，可以發(fā)現(xiàn)浐河上游地區(qū)的迅速發(fā)展旅游業(yè)對河水有一定的污染，中游農(nóng)業(yè)地區(qū)由于施肥的因素會對河水產(chǎn)生污染，而下游地區(qū)的主要污染源可能是生活污水。對比2008年和2011年對浐河河水的研究，發(fā)現(xiàn)上游地區(qū)硝酸鹽濃度有明顯增高的趨勢，而下游地區(qū)有所降低。這可以歸因于上游旅游業(yè)的迅速發(fā)展和下游城市區(qū)的整治。