硝酸盐三氧同位素在线测试新技术及其在地下水污染研究中的应用

在国内首次建立硝酸盐三氧同位素（16O、17O和18O）在线测试新技术－N2O热解法，其内容包括细菌反硝化制备N2O、PreCon装置纯化富集N2O、黄金炉法热解N2O、GC分离系统和IRMS联合在线分析系统。样品量为10-50 nmol硝酸盐，δ18O、δ17O和Δ17O分析精度分别为±0.3‰、±0.5‰和±0.5‰。同时，将这一技术应用于湖北省江汉平原和西北黑河流域浅层地下水硝酸盐污染来源的识别与量化，并研究氮转化过程（包括硝化和反硝化过程）中氮、氧同位素的分馏机理，为地下水资源评价和污染防治提供科学依据。本项研究在水文地质学、大气科学和生物地球化学中有广阔的应用前景和科学理论价值。

建立了测定硝酸盐三氧同位素的叠氮化物-N2O热解法和AgNO3热解法，以及同时测定硝酸盐氮、氧同位素的TC/EA-IRMS在线连续流法，为示踪硝酸盐来源及其在自然界中的迁移转化过程提供了新的方法与技术。叠氮化物-N2O热解法测定Δ17O值的分析精度为0.5‰，AgNO3热解法测定Δ17O值的分析精度为0.1‰，而TC/EA-IRMS在线连续流法测定δ15N和δ18O的分析精度分别为0.25‰和0.6‰。三种不同测试方法的建立，为硝酸盐污染的有效研究提供了强有力的技术支撑。应用研究以典型研究区豫北平原食管癌高发区安阳地区为例，揭示了地下水中硝酸盐的氮和氧同位素组成的分布特征，探讨了地下水中硝酸盐的来源及其形成机理，得出了以下几点新认识：①研究区食管癌具有明显的地理分布特征，高发区分布在地下水的补给区而低发区分布在地下水的承压区，且其发病率和死亡率与饮用水中硝酸盐的浓度呈正相关关系；②地下水中硝酸盐的来源以化肥为主，其次为土壤有机质和粪肥；③土壤有机质主要来自C3植物，δ13CDOC与δ18ONO呈现出较好的正相关关系，可作为识别地下水硝酸盐来源的重要指标；④地下水中NO3-的Δ17O值都接近零，表明没有显著的大气成因硝酸盐的输入；⑤地下水补给区存在着矿化作用、硝化作用和混合作用，而在地下水承压区存在着明显的反硝化作用。因此，多元素同位素的综合特征的应用可为有效识别地下水中硝酸盐的来源及其迁移转化过程提供重要的信息，为地下水硝酸盐的污染防治提供科学依据。