穩(wěn)定同位素技術(shù)在水體硝酸鹽污染源解析中的研究進(jìn)展

張列宇，馬陽陽*，李國文，唐文忠，杜彩麗,3

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院

2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心

3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

氮（N）是地球大氣中含量最豐富的化學(xué)元素（幾乎占80%），也是許多關(guān)鍵生物分子（如氨基酸、核苷酸）的基本成分之一。早在20 世紀(jì)50年代，人類活動造成的氮負(fù)荷已經(jīng)改變了全球氮循環(huán)，比自然來源的氮負(fù)荷高出近30%[1]。氮在自然水體中的形態(tài)包括有機(jī)氮和無機(jī)氮，其中硝酸鹽（）是最穩(wěn)定的形態(tài)，對溶解性無機(jī)氮的貢獻(xiàn)超過80%[2-4]。硝酸鹽以各種方式進(jìn)入水體，對飲用水造成不利影響，直接威脅人體健康，增加罹患如高鐵血紅蛋白癥、糖尿病、致畸形及非霍奇金淋巴瘤、膀胱癌和卵巢癌等疾病的風(fēng)險(xiǎn)[5-9]。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）發(fā)布的最大污染物水平，飲用水中硝酸鹽的安全濃度應(yīng)小于10 mg/L[10]。此外，硝酸鹽還會對水生態(tài)系統(tǒng)健康造成不利影響，導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)酸化，刺激初級生產(chǎn)者生長增殖，使水生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化，甚至達(dá)到損害水生動物生存的毒性水平[11-12]。為減少硝酸鹽輸入，改善受污染水體的水生態(tài)系統(tǒng)狀況，準(zhǔn)確識別硝酸鹽污染來源至關(guān)重要。

水體中硝酸鹽來源復(fù)雜多樣，可分為自然源和人為源[13]。目前暴露在地球表面的巖石中，有75%是沉積巖，這些巖石含有全球氮儲量的20%左右[14]。Holloway 等[15]在研究加利福尼亞地區(qū)某些流域地表水硝酸鹽污染與周邊含有較高濃度固定氮的基巖的聯(lián)系發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)氮的釋放有助于生態(tài)系統(tǒng)中氮飽和，導(dǎo)致河水中硝酸鹽濃度升高，是地表水中硝酸鹽的重要自然來源。在過去的幾十年里，劇烈的人類活動，如化肥的使用、化石燃料的燃燒、汽車尾氣和生活污水排放等，極大地改變了全球氮循環(huán)過程，成為水體硝酸鹽源中的主要人為源[16-17]。識別硝酸鹽來源最傳統(tǒng)的方法是通過調(diào)查污染區(qū)土地利用類型，并結(jié)合水化學(xué)特征進(jìn)行分析，但硝酸鹽多樣的來源和復(fù)雜的氮循環(huán)過程使結(jié)果具有較大不確定性[18]。20 世紀(jì)70年代，有學(xué)者開始通過對比潛在來源和水體中的氮同位素對硝酸鹽進(jìn)行源解析[19]。隨著同位素檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，氧（O）同位素也應(yīng)用于其中。然而在以往的研究中，針對水體中硝酸鹽在不同時空條件下參與氮轉(zhuǎn)化過程的綜合分析不夠清楚，定量解析模型常忽略同位素分餾的影響，不同硝酸鹽來源間的混合及其氮氧同位素特征值（δ15N-和δ18O-）范圍重疊等問題依舊影響源解析的準(zhǔn)確性[20]。為彌補(bǔ)氮氧同位素法的不足，多同位素和穩(wěn)定同位素聯(lián)用其他技術(shù)開始應(yīng)用于水體硝酸鹽污染源解析，為解釋硝酸鹽來源特征提供了額外信息。同時通過各種源解析模型量化不同污染源對水體中硝酸鹽的貢獻(xiàn)率，進(jìn)一步提高了穩(wěn)定同位素在硝酸鹽源解析中的準(zhǔn)確性和適用性。目前大部分研究中的定量解析模型所采用的端元數(shù)據(jù)，即水體硝酸鹽潛在來源的δ15N-和δ18O-常引用已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，而水體硝酸鹽潛在來源的δ15N-和δ18O-受同位素分餾影響存在時空差異，直接引用端元數(shù)據(jù)使得定量研究在場景適用性中存在局限性。因此，筆者綜合闡述了穩(wěn)定同位素分析技術(shù)與其在水體硝酸鹽污染源解析中的影響因素，分別從定性和定量研究2 個維度，總結(jié)了穩(wěn)定同位素在水體硝酸鹽污染源解析中的發(fā)展與應(yīng)用，以及穩(wěn)定同位素模型在水體硝酸鹽污染源解析中存在的問題，并對未來研究方向進(jìn)行展望，以期為水體中硝酸鹽污染控制提供理論依據(jù)。

1 穩(wěn)定同位素分析技術(shù)及應(yīng)用

穩(wěn)定同位素研究最早源于20 世紀(jì)40年代的地球化學(xué)領(lǐng)域，Nier 型質(zhì)譜儀的應(yīng)用標(biāo)志著穩(wěn)定同位素地球化學(xué)的誕生，隨后研究人員在Nier 型質(zhì)譜儀的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展出同位素比值質(zhì)譜儀（IRMS）[21]。雙通道同位素比值質(zhì)譜儀（DI-IRMS）是20 世紀(jì)50—80年代使用最多的穩(wěn)定同位素分析儀器，后來連續(xù)流同位素比值質(zhì)譜儀（CF-IRMS）以在線進(jìn)行樣品制備、樣品體積小、分析速度快、成本效益高等特點(diǎn)占領(lǐng)優(yōu)勢地位[22]。根據(jù)用途和樣品狀態(tài)不同，CF-IRMS 還可與元素分析儀（EA）、氣相色譜（GC）、液相色譜（LC）等儀器聯(lián)用。熱電離質(zhì)譜儀（TIMS）是與IRMS 同時期出現(xiàn)的另一種較為常用的穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析儀器。穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入更多研究領(lǐng)域，涵蓋從最初的應(yīng)用領(lǐng)域到與生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)相關(guān)的廣泛領(lǐng)域[22-23]。

同位素質(zhì)譜分析技術(shù)的進(jìn)步為水體中硝酸鹽氮氧同位素檢測提供了有利條件，目前氮氧同位素已廣泛應(yīng)用于水體硝酸鹽污染源解析研究[10,24-25]。硝酸鹽中氮和氧元素在生物地球化學(xué)循環(huán)過程中因同位素分餾而產(chǎn)生豐度變化，使得不同來源的硝酸鹽具有不同的氮氧同位素組成[26]，因此可以通過對比水體與硝酸鹽潛在來源中的硝酸鹽氮氧同位素組成來定性確定水體硝酸鹽污染來源[27-30]。實(shí)際工作中常采用δ表示樣品的同位素組成，樣品δ計(jì)算公式如下：

水體中復(fù)雜的硝酸鹽來源和氮循環(huán)過程導(dǎo)致的同位素分餾，改變了硝酸鹽的初始氮同位素和氧同位素，這對于準(zhǔn)確識別硝酸鹽污染源有一定的影響[31]。為提高污染源分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，逐漸發(fā)展出多同位素結(jié)合其他技術(shù)的方法，用于追蹤硝酸鹽污染來源和氮轉(zhuǎn)化過程中的更多細(xì)節(jié)。同時，多種穩(wěn)定同位素模型也被用于硝酸鹽來源的定量計(jì)算。

2 穩(wěn)定同位素在水體硝酸鹽污染源解析中的影響因素

2.1 同位素分餾

同位素分餾是指因同位素中子數(shù)的差異使其質(zhì)量與原子間結(jié)合力不同，導(dǎo)致生物地球化學(xué)循環(huán)過程中擴(kuò)散和反應(yīng)速率的差異，即一種元素的同位素以不同比例在不同物相中分配。生物體內(nèi)的新陳代謝反應(yīng)和自然界的物理化學(xué)過程均會造成同位素分餾[24]。水體中硝酸鹽來源及氮轉(zhuǎn)化機(jī)制和同位素分餾如圖1 所示。同位素分餾是利用氮、氧穩(wěn)定同位素識別水體中硝酸鹽污染來源和去向的關(guān)鍵因素，不同來源的δ15N-和δ18O-主要受氮在遷移轉(zhuǎn)化過程中同位素分餾的影響[32]。同位素分餾主要有同位素交換反應(yīng)和動力學(xué)過程2 個原因，其中同位素交換反應(yīng)可以看作是動力學(xué)過程的一部分。穩(wěn)定同位素受到動力學(xué)同位素分餾作用，輕同位素優(yōu)先參與反應(yīng)，使得剩余底物中重同位素逐漸富集[33]。同位素分餾系數(shù)（α）表示同位素分餾的程度，可以通過式（2）計(jì)算得出。同位素富集因子（ε）反映2 種物質(zhì)之間同位素相對富集或虧損的程度，可以通過式（3）計(jì)算得出。

式中：α為同位素分餾系數(shù)，α越大同位素分餾程度越大；K為變換過程中的速率常數(shù)；ε為同位素富集因子，‰。

水體中發(fā)生的生化反應(yīng)可導(dǎo)致不同程度的氮氧同位素分餾，改變δ15N-和δ18O-，從而影響對硝酸鹽來源的判斷[34]。在整個氮循環(huán)過程中，硝化、反硝化和同化作用中的氮同位素α范圍分別為-29‰～-12‰、-40‰～-5‰、-27‰～1‰[32]，這表明α在不同氮轉(zhuǎn)化過程中存在顯著差異。因此，在與硝酸鹽相關(guān)的氮遷移轉(zhuǎn)化過程中，同位素分餾對δ15N-和δ18O-的影響成為限制準(zhǔn)確識別硝酸鹽污染來源研究的難題之一。相比氮同位素分餾，氧同位素分餾對于區(qū)分除大氣沉降外其他來源的影響很小[10]，所以本研究主要探討氮同位素分餾的影響。改變水體δ15N-的主要生化反應(yīng)過程包括土壤、糞肥和污水中的硝化作用，厭氧環(huán)境中的反硝化作用以及光合作用中的同化作用[35]。目前在水體硝酸鹽源解析研究中，有關(guān)硝化和反硝化作用對同位素分餾影響的討論較多，而厭氧氨氧化和硝酸鹽異化還原為銨（NH4+)等反應(yīng)過程中的分餾機(jī)制尚不清楚[36]，且大部分研究側(cè)重于對比不同時空變化下硝酸鹽污染源的差異，忽略了不同時空變化對同位素分餾和δ15N-的影響，通過解析氮轉(zhuǎn)化在不同時空變化下對δ15N-的影響將有助于準(zhǔn)確識別硝酸鹽污染來源。

2.2 氮轉(zhuǎn)化中δ15N-NO3-的時間差異性

硝化作用是微生物將氨氧化成亞硝酸鹽、硝酸鹽的過程。Huang 等[37]研究發(fā)現(xiàn)水體中硝酸鹽主要來源于春季和夏季的硝化作用，而外部貢獻(xiàn)（如大氣沉降）對秋冬季的同位素組成影響較大；Ji 等[38]研究也得出硝化過程在農(nóng)業(yè)活動密集的雨季和暖季對水體硝酸鹽貢獻(xiàn)更為顯著的結(jié)論。相比春夏季，秋冬季水體呈低溫、低流量的特征，生物轉(zhuǎn)化較弱，外源污染加重，所以硝化作用在春夏季比秋冬季對水體中δ15N-和δ18O-的影響更大。因此，在研究外部來源對水體中硝酸鹽的貢獻(xiàn)時，冬季采樣有助于減小水體自身硝化作用對源解析結(jié)果的影響。

微生物反硝化作用是導(dǎo)致δ15N-和δ18O-變化的另一個過程，確定反硝化作用的發(fā)生是判斷硝酸鹽污染來源的重要前提[39]。在反硝化過程中，硝酸鹽通過反硝化細(xì)菌依次轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽、一氧化氮和一氧化二氮，最終被還原為氣態(tài)氮。Wong等[40]在澳大利亞流域研究中發(fā)現(xiàn)反硝化作用在雨季比旱季表現(xiàn)得更為活躍，對水體δ15N-和δ18O-的影響更大；相反，Yi 等[41]研究結(jié)果表明，相對于雨季，反硝化作用在旱季對水體δ15N-和δ18O-的影響更大。可見，反硝化作用對水體δ15N-和δ18O-的影響在相同季節(jié)下并不一致。

2.3 氮轉(zhuǎn)化中δ15N-NO3-的空間差異性

理論上水體NO3-中的氧分子大約有1/3 來自空氣氧，2/3 來自環(huán)境水，通過對比硝化作用產(chǎn)生硝酸鹽δ18O 的理論值和實(shí)測值可以判斷水體中是否因硝化作用產(chǎn)生硝酸鹽[42]。Zhang 等[43]通過該方法得出硝化作用在研究區(qū)域氮轉(zhuǎn)化過程中對δ15N-NO3-的影響最大；Yang 等[44]研究得出重慶市某郊區(qū)水體中硝酸鹽主要通過硝化作用產(chǎn)生。微生物反硝化作用是水體中導(dǎo)致殘留硝酸鹽重同位素積累的重要自凈化過程，將提高水體中δ15N-和δ18O-，且δ15N-和δ18O-的比值為1.3～2.1[45]。Zhang等[43]在滹沱河沖積扇區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，大部分地表水水樣δ15N-和δ18O-的比值在旱季高于1.3～2.1，在雨季低于1.3～2.1，得出反硝化作用對研究區(qū)域內(nèi)硝酸鹽同位素組成無顯著影響。Yang 等[44]在解析重慶城市區(qū)域硝酸鹽來源時，測得δ15N-和δ18O-的比值為1.8，表明在城市厭氧管道流中有反硝化作用發(fā)生。另有一些研究在解析硝酸鹽污染源時重點(diǎn)對比了時空差異下水體中δ15N-和δ18O-的差異，如Zhao 等[35]對漓江水樣硝酸鹽同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出δ15N-具有雨季低旱季高的變化特征，而δ18O-并無明顯的季節(jié)變化特征，且二者空間變化均不大；Ye 等[46]對不同土地利用區(qū)流域中無機(jī)氮的來源和轉(zhuǎn)化機(jī)制進(jìn)行研究得出，δ15N-存在明顯的季節(jié)和空間差異，農(nóng)村地區(qū)的δ15N-雨季高于旱季，而城市地區(qū)則相反，且農(nóng)村地區(qū)δ15N-均低于城市地區(qū)。

除了硝化和反硝化過程等生物反應(yīng)過程，也有研究表明當(dāng)硝酸鹽濃度較高時，水生植物吸收和礦化作用中的分餾效應(yīng)會導(dǎo)致硝酸鹽同位素略有富集；土壤中的陰離子交換位點(diǎn)也會不斷地保留和釋放硝酸鹽，從而引起氧氮同位素的一小部分分離[47]。相比硝化和反硝化作用，硝酸鹽在水生植物吸收和礦化作用過程中發(fā)生的同位素交換反應(yīng)對于同位素分餾的影響較小，但對硝酸鹽在水體中遷移轉(zhuǎn)化的判斷依然有影響。

根據(jù)GB/T50801.2013中規(guī)定地源熱泵系統(tǒng)能效的測試時要考慮到熱源側(cè)流量，而在深一步的探究時發(fā)現(xiàn)，地下水熱泵系統(tǒng)在實(shí)際的工作中，當(dāng)機(jī)組功率一定時，熱源側(cè)流量與熱源側(cè)的進(jìn)出水溫度是一一對應(yīng)的，所以在構(gòu)建該模型時不考慮熱源側(cè)流量。同時，考慮到天氣變化可能會導(dǎo)致室外溫度對系統(tǒng)的EER產(chǎn)生一定影響，所以將室外溫度也作為輸入?yún)?shù)之一[4]。

3 穩(wěn)定同位素在硝酸鹽污染源解析中的發(fā)展與應(yīng)用

3.1 穩(wěn)定同位素在硝酸鹽污染源解析中的研究熱點(diǎn)

同位素技術(shù)在硝酸鹽污染源解析方面的研究已有40 多年的歷史。研究初期受技術(shù)限制，學(xué)者們只能通過與幾種潛在硝酸鹽來源的氮同位素（δ15N）進(jìn)行比較，定性確定水體中硝酸鹽污染的主要來源。雖然不同硝酸鹽來源的δ15N 不同，但其范圍仍存在重疊。此外，硝酸鹽來源廣泛且相互間混合過程復(fù)雜，硝化反硝化等氮相關(guān)生物地球化學(xué)循環(huán)都會改變δ15N-，僅用δ15N 來確定硝酸鹽的來源和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的應(yīng)用較為有限。隨著研究方法不斷進(jìn)步，氧同位素（δ18O）開始應(yīng)用于源解析，不同硝酸鹽來源的δ18O-NO3-范圍不同，可為硝酸鹽來源的識別提供更多信息。氮氧雙同位素方法已廣泛用于定性識別和追蹤水體中的硝酸鹽來源及其遷移轉(zhuǎn)化過程[48-50]。采用Web of Science 引文數(shù)據(jù)庫，以nitrate sources* and stable isotope* and water* or river*作為檢索主題詞，以Environmental Science or Engineering Environmental or Water Resources 為檢索精煉類別，檢索時間跨度為2011—2021年，共查到6 430 篇相關(guān)文獻(xiàn)。采用VOSviewer 對以上檢索的文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)性分析（圖2），得出近10年與水體硝酸鹽污染來源相關(guān)的熱點(diǎn)研究主要包括穩(wěn)定同位素在地下水和地表水硝酸鹽污染源解析中的應(yīng)用、硝酸鹽在水體中的遷移轉(zhuǎn)化特征和土地利用類型對源解析結(jié)果的影響等。其中，穩(wěn)定同位素在水體硝酸鹽污染源解析中的應(yīng)用主要集中在對地下水的研究，硝酸鹽在水體中的遷移轉(zhuǎn)化特征主要以硝化與反硝化作用對硝酸鹽濃度的影響研究為主，對比不同土地利用類型下的硝酸鹽污染來源也是硝酸鹽源解析中常見的研究方法，這為不同類型水體硝酸鹽污染治理提供了針對性的科學(xué)依據(jù)。

圖2 2011—2021年穩(wěn)定同位素技術(shù)識別水體中硝酸鹽污染來源相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類分析Fig.2 Co-occurrence cluster analysis of keywords related to the identification of sources of nitrate pollution in water bodies using stable isotope techniques from 2011 to 2021

3.2 穩(wěn)定同位素在硝酸鹽污染源解析中的定性研究

3.2.1 雙同位素技術(shù)

雙同位素技術(shù)即利用不同硝酸鹽來源中δ15N-和δ18O-差異來識別水體中硝酸鹽來源。Kohl 等[19]在1971年調(diào)查了美國伊利諾伊州桑加蒙河排水系統(tǒng)中硝酸鹽的來源，這是首次利用氮同位素確定硝酸鹽污染來源的研究。但由于不同硝酸鹽潛在來源的δ15N-范圍部分重疊，使其難以準(zhǔn)確區(qū)分不同硝酸鹽潛在來源[10]。隨著20 世紀(jì)80年代同位素分析技術(shù)的進(jìn)步，開始有學(xué)者同時使用δ15N-和δ18O-識別硝酸鹽污染來源[51-52]。δ18O-可以很好地區(qū)分大氣沉降和其他硝酸鹽污染來源，從而彌補(bǔ)了利用氮同位素溯源的不足。通常認(rèn)為水體中硝酸鹽有4 種來源：大氣沉降、土壤氮、化學(xué)肥料和糞污（糞便和污水通常歸為一類）[10]。大氣沉降源是由閃電、化石燃料燃燒產(chǎn)生的氮氧化物作為硝化/反硝化的副產(chǎn)物，被大氣中的光化學(xué)自由基氧化成硝酸鹽而形成；土壤、糞肥和污水中的氨（NH3）發(fā)生硝化作用是水體中硝酸鹽污染的主要來源；化學(xué)肥料是硝酸鹽的另一個主要來源，它既直接來源于肥料中所含的硝酸鹽，也來源于施肥后土壤中NH3發(fā)生的硝化作用[27]。這4 種來源的δ15N-和δ18O-范圍在不同研究中有所差異，表1 描述了文獻(xiàn)中對不同硝酸鹽來源δ15N-和δ18O-范圍的報(bào)道，大部分文獻(xiàn)采用在Xue 等[10]研究基礎(chǔ)上修正后的δ15N-和δ18O-范圍，部分文獻(xiàn)采用在Kendall 等[53]研究基礎(chǔ)上修正后的δ15N-和δ18O-范圍[54-55]，不同文獻(xiàn)中對相同硝酸鹽來源δ15N-和δ18O-范圍的描述有2‰～35‰的差距，這可能與樣品采集、預(yù)處理和檢測方法以及環(huán)境背景差異有關(guān)[56-57]。

表1 定性研究中不同硝酸鹽來源δ15N-NO3-和δ18O-NO3-范圍Table 1 Range of δ15N- and δ18O- values from different nitrate sources in qualitative research

表1 定性研究中不同硝酸鹽來源δ15N-NO3-和δ18O-NO3-范圍Table 1 Range of δ15N- and δ18O- values from different nitrate sources in qualitative research

硝酸鹽來源δ15N-NO-3/‰δ18O-NO-3/‰文獻(xiàn)來源大氣沉降-13～1325～75[31,35,37,58-60]-5～525～75[56]-15～1560～98[57]土壤氮0～8-10～10[31,35,37,58-60]3～8-5～15[56]0～8-10～10[57]無機(jī)肥料-6～617～25[31, 35, 37, 58-60]-4～4-5～15[56]-4～417～25[57]糞便和污水4～25-5～10[31, 35, 37, 58-60]8～25-5～15[56]5～20-5～15[57]

δ18O-可幫助識別單獨(dú)使用δ15N-無法區(qū)分的硝酸鹽來源，雙同位素方法可以提高源識別的準(zhǔn)確性。但如果在氮轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生了復(fù)雜的分餾過程（如硝化、反硝化或同化作用等），同位素組成可能會被修改[10,34]，所以有必要在硝酸鹽源解析前掌握其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。此外，人類糞便污染對人類的風(fēng)險(xiǎn)高于動物糞便污染[10]。利用氮氧同位素技術(shù)將糞便和污水劃分為同一種硝酸鹽來源對于準(zhǔn)確溯源仍具有局限性，研究人員已嘗試引入其他方法來改善這種情況[61-64]。

3.2.2 多同位素技術(shù)

多同位素法是利用δ15N-和δ18O-以外的額外同位素，如D-H2O、18O-H2O、δ17O-和δ11B 等來追蹤硝酸鹽的來源和轉(zhuǎn)化，彌補(bǔ)了雙同位素法的不足。

δ15N-范圍的重疊使得大氣源識別較為困難，由于大氣臭氧（O3）在形成過程中會出現(xiàn)非質(zhì)量分餾（MIF），MIF 的程度可以用Δ 來表示：

大氣硝酸鹽的Δ17O 較高，不受反硝化、同化等生物地球化學(xué)過程的影響，所以Δ17O 可以作為大氣沉降在地表水中的示蹤劑來區(qū)分大氣沉降和其他陸源[52]。Hundey 等[61]利用δ15N 和Δ17O 得出Uinta 山脈湖泊水體中至少70%的硝酸鹽由大氣輸送。Liu等[66]首次將三重硝酸鹽同位素（δ15N-、δ18O-NO3-和Δ17O-）應(yīng)用于大型河流，并建立三重同位素混合模型來確定大氣氮沉降對河水的貢獻(xiàn)情況，結(jié)果表明大氣沉降對河流硝酸鹽貢獻(xiàn)率為0～7%，而糞肥、污水和化肥對黃河中下游河流硝酸鹽的貢獻(xiàn)也相當(dāng)。

硼（B）是硝酸鹽來源在水中固有的共遷移示蹤劑，不受遷移和反硝化作用的影響[10]。δ11B 隨污染源的變化而變化，據(jù)相關(guān)研究，糞肥δ11B 為6.9‰～42.1‰，化肥δ11B 為8‰～17‰，污水δ11B 為-7.7‰～12.9‰，雨水δ11B 為13‰～48‰[67-69]。Xue 等[70]基于δ15N、δ18O 和δ11B 結(jié)果識別了地表水中硝酸鹽來源。但礦物沉淀和黏土礦物的吸附與解吸作用仍會影響δ11B，一定程度上也限制了硼同位素在識別硝酸鹽來源應(yīng)用中的適用性[71]。

多同位素可以為水體中硝酸鹽污染源解析提供更多信息，借助D-H2O 和18O-H2O 研究水體的混合、供應(yīng)和蒸發(fā)為了解硝酸鹽的來源提供了補(bǔ)充，δ17O-和δ11B 以不受反硝化等作用影響的特征體現(xiàn)出額外優(yōu)勢。多同位素的應(yīng)用需從實(shí)際問題出發(fā)，根據(jù)污染源的構(gòu)成和環(huán)境特征選擇與之相匹配的穩(wěn)定同位素技術(shù)。

3.2.3 穩(wěn)定同位素聯(lián)合其他技術(shù)

某些離子、分子和微生物可提供與氮相關(guān)生物地球化學(xué)循環(huán)過程中硝酸鹽遷移轉(zhuǎn)化的額外信息。Yuan 等[62]由同位素解析模型得出水體硝酸鹽污染源包括糞肥、污水和土壤氮，而對理化參數(shù)進(jìn)行主成分分析得出水體硝酸鹽污染源包括糞肥、污水、氮肥、銨肥和土壤氮。Bu 等[63]通過分析河流水體中氮與其他理化參數(shù)之間的關(guān)系表明，在不同采樣周期內(nèi)，河流氮污染主要由硝化和反硝化過程驅(qū)動，而不是由季節(jié)性生物需求驅(qū)動。Ren 等[64]通過對比分析地表水和地下水的pH、NH3-N 和COD，得出再生水在入滲過程中的生化反應(yīng)可能在河水補(bǔ)充地下水時起作用，研究區(qū)地下水中NO3-的最大貢獻(xiàn)者是污水處理廠的入滲排放。因此，水體理化參數(shù)為解釋硝酸鹽在水體中的遷移轉(zhuǎn)化和來源貢獻(xiàn)補(bǔ)充了信息。

糞便和污水中某些特定的微生物或化學(xué)物質(zhì)使它們有別于其他來源，例如人類產(chǎn)生的化學(xué)標(biāo)記物，包括病原體、糞便指示菌、糞便甾醇、藥物和食品添加劑等；與污水系統(tǒng)相關(guān)的化學(xué)標(biāo)記物，如洗滌劑和咖啡因等[72-74]。所以化學(xué)標(biāo)記物可以在一定程度上解決穩(wěn)定同位素技術(shù)在硝酸鹽源解析中無法區(qū)分糞便和污水來源的局限性。為了進(jìn)一步區(qū)分人類和動物糞便，未來有必要對動物相關(guān)化學(xué)標(biāo)記物進(jìn)行研究。

3.3 同位素模型在硝酸鹽污染源解析中的定量研究

在早期研究中，通常采用基于質(zhì)量平衡的線性混合模型對硝酸鹽來源進(jìn)行量化。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)雙同位素三元線性混合模型，可確定不超過3 個源的貢獻(xiàn)：

式中：δ15N 和δ18O 分別為混合物的硝酸鹽氮、氧同位素組成，‰；fi為污染源i占混合物的比例，i取1、2、3；δ15Ni和δ18Oi分別為污染源i的硝酸鹽氮、氧同位素組成。

線性混合模型在解析少量硝酸鹽來源的應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢，Yang 等[75]通過線性混合模型成功得出基于鹽度的各硝酸鹽來源貢獻(xiàn)率，但當(dāng)硝酸鹽來源超過3 個，線性混合模型會變得不再適用而使得解析結(jié)果存在不確定性[76]。表2 總結(jié)了應(yīng)用于硝酸鹽來源解析的各種同位素模型優(yōu)缺點(diǎn)，其中IsoError模型可以包含可變性，但是不適用3 個以上源的情況[77]；IsoSource 模型可以用來處理多個源[78]，如徐璐等[56]利用IsoSource 模型定量分析得出研究區(qū)域地下水中硝酸鹽來源貢獻(xiàn)率，但該模型無法考慮不確定性和變異系數(shù)。Moore 等[79]提出了MixSIR 模型，該模型使用貝葉斯框架來確定混合物中不同來源貢獻(xiàn)的概率分布。貝葉斯統(tǒng)計(jì)可以整合先驗(yàn)信息和不確定性來源，為數(shù)據(jù)解釋提供了強(qiáng)大的工具[80]。

表2 各模型優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of each model

Parnell 等[76]基于R 統(tǒng)計(jì)軟件開發(fā)了SIAR 模型，其將馬爾可夫鏈蒙特卡羅抽樣與貝葉斯更新相結(jié)合，建立混合分?jǐn)?shù)的后驗(yàn)分布，公式如下：

式中：pi為模型估計(jì)的源i的比例；qji為同位素j在源i中的豐度；Sji為源i中同位素j的豐度，呈正態(tài)分布，平均值為μji，方差為ω2ji。cji為同位素j在源i中的營養(yǎng)富集因子，呈正態(tài)分布，平均值為λji，方差為τ2ji。εji為殘差，呈正態(tài)分布，均值為0，方差為σ2ji，σ2ji由模型估計(jì)得到。

目前SIAR 模型在地表水和地下水硝酸鹽源識別方面有許多應(yīng)用[81-84]。有研究分別采用IsoSource、IsoError 和SIAR 模型分析水體中硝酸鹽來源，結(jié)果表明污染源和受納水體較大的δ15N-NO3-和δ18ONO3-范圍使得IsoSource 和IsoError 模型結(jié)果不確定性較高，而SIAR 模型由于考慮到同位素空間差異性使結(jié)果的不確定性最低[85]。盡管如此，不同地區(qū)應(yīng)用SIAR 模型解析硝酸鹽污染源時（表3），輸入端的4 個潛在來源的δ15N-和δ18O-有很大差異，而且由于研究過程中面臨的采樣檢測成本等問題，只有少數(shù)研究采用實(shí)測值[84]，大部分研究中所用均值和標(biāo)準(zhǔn)差主要參考已有文獻(xiàn)，忽略了時空變化等環(huán)境條件對δ15N-和δ18O-的影響，這使得SIAR 模型在有關(guān)同位素分餾問題中的不確定性依舊不可避免。因此，在利用氮氧同位素模型解析硝酸鹽污染來源時，有必要調(diào)查研究區(qū)域內(nèi)不同時空變化特征下的環(huán)境背景值，即本土硝酸鹽輸入端4 個潛在來源的δ15N-NO3-和δ18O-。通過對研究區(qū)域內(nèi)環(huán)境背景值進(jìn)行整理歸納，形成屬于本地的硝酸鹽端元數(shù)據(jù)庫對未來污染溯源研究意義重大[55]。

表3 定量研究中SIAR 模型所使用的端元同位素組成Table 3 Endmember isotope values used by SIAR models in quantitative studies‰

4 結(jié)語

穩(wěn)定同位素為水體硝酸鹽污染源從定性到定量解析研究提供了新方法，并得到廣泛應(yīng)用。然而，在定性和定量研究中，很少考慮不同環(huán)境條件下參與硝酸鹽遷移轉(zhuǎn)化的相關(guān)微生物對同位素分餾的影響。時空差異性間接影響著水樣和潛在來源的δ15N-NO3-和δ18O-，不同環(huán)境背景條件下的相關(guān)生化反應(yīng)對硝酸鹽遷移轉(zhuǎn)化和同位素分餾的影響還需展開深入研究。未來有必要通過分析微生物參與氮轉(zhuǎn)化的相關(guān)基因來認(rèn)識硝酸鹽在遷移和轉(zhuǎn)化過程中的足跡，為水體污染源控制提供科學(xué)依據(jù)；土壤層或者地下水硝酸鹽的輸入應(yīng)成為地表水體硝酸鹽污染源解析的重點(diǎn)考察端元；通過對大量不同時期樣品的采集和分析，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展出適應(yīng)研究區(qū)域地理氣候特征的穩(wěn)定同位素模型，從而更加準(zhǔn)確地解析水體中硝酸鹽污染來源。