基于氮氧同位素示踪的农业面源氮源解析研究-以巢湖店埠河流域为例

Non-point souce pollution has been identified as the main factors which leads to the eutrificatiuon of the receiving waters, in which the percentage contribution and load of various pollution are one of the difficulty and focus. Nitrogen and oxygen isotopes, an effective tool to identify the sources and transformation mechanisms of nitrogen, can provide an effective origin traceability technology of non-point source nitrogen pollution. This research programe treat the Dianbu River catchmwent in the Chaohu Lake region as a research unit. Nitrogen and oxygen isotopes, modern information technology, traditional water sampling in combination with microbiology incubation would be applied to analyze the nitrogen concentrations and characteristics of nitrogen-15 and oxygen-18 istopic ratios in different sources (breeding wastewater, domestic sewage, farmland drainage, rainwater et al) and their transports and transformations in the source-ditch-river systerm. In the current research, the nitrogen concentrations and characteristics of nitrogen-15 and oxygen-18 istopic ratios of the Dianbu River would also be analyzed to interpret and clarify the different nitrogen sources and it's temporal and spatial variations. SIAR, a load computational model, would also be built to quantify the relative contributions of different nitrogen sources.This research could provide the scientific data for controlling the non-point source pollution and promote the study on the nitrogen biogeochemistry cycle.

面源污染是导致受纳水体水质恶化的重要污染源，各污染源的贡献率以及污染负荷的估算一直是面源污染研究的难点与重点之一。稳定同位素15N和18O联合示踪氮源及氮循环，为面源氮的溯源技术提供了新的思路和手段。本项目拟以巢湖店埠河流域为研究单元，通过氮氧同位素示踪技术、水化学分析、现代信息技术以及微环境培养等方法，分析不同污染源（养殖废水，生活污水，农田排水和雨水等）的各形态氮浓度和同位素（δ15N和δ18O）特征值，研究其在污染源-沟渠-河道迁移过程中与传输介质相互作用所表现出的“源”、“汇”特征，重点探讨氮氧同位素分馏系数在源-汇过程中的变化情况；分析店埠河河水中各形态氮浓度及同位素特征值的时空变化特征，识别店埠河面源氮的来源；构建SIAR混合模型，估算各污染源的贡献率。本申请项目的开展可以为控制农业面源污染提供科学依据，同时也可以丰富流域氮的生物地球化学循环理论。

面源污染是导致受纳水体水质恶化的重要污染源。利用同位素15N和18O示踪技术结合稳定同位素模型（SIAR）识别并定量估算硝酸盐各污染源的贡献率及氮循环过程，为面源氮的溯源技术提供了新的思路和手段。本项目开展的主要工作如下：. （1）基于GIS技术构建了店埠河上游小流域农业面源污染信息数据库。主要包括空间数据库（数字高程模型、土地利用图、土壤图、水系等）和属性数据库（气象数据、土壤数据、农业管理措施等）。. （2）研究了不同污染源水体氮特征及其在污染源-沟渠-河道系统的源-汇特征。分别研究了来源于雨水，粪肥污水，化肥，土壤的硝酸盐污染源氮氧同位素特征值及其各形态氮、氮氧同位素值沿沟渠的迁移转化特征。. （3）基于15N和18O示踪技术解析了店埠河流域面源氮的来源。分析了店埠河水体pH、 DO、TN、NO3--N、NH4+-N、NO2--N、δ15N-NO3-和δ18O-NO3-的时空变化特征，并结合农业面源污染信息数据库，定性解析了店埠河水体硝酸盐的可能来源。结果表明，上游区域水体TN和NO3--N在丰水期的平均浓度显著高于枯水期，NH4+-N则是枯水期较丰水期高；而中下游区域TN、NO3--N和NH4+-N在丰水期的平均浓度显著低于枯水期。水体无机氮主要以NO3--N形态存在，而污水则以NH4+-N为主。通过水体δ15N -NO3-和δ18O -NO3-同位素组成判定，店埠河水体上游水体NO3-主要来源于粪肥污水，化肥以及土壤有机氮，而中下游则主要来自于粪肥污水。另外，丰水期时大气氮沉降的影响不容忽视。. （4）构建优化了SIAR模型，并定量计算了各污染源对硝酸盐的贡献率。计算结果表明，不同类型污染源对水体硝酸盐的贡献率分别为：大气沉降源7%～18%，土壤源24%～29%，化肥源18%～30%，粪肥污水源28%～48%。因此，根据河流流域空间布局，店埠河上游应重点控制面源污染输入的养殖废水、人畜粪便以及农业化肥，中下游则应重点防控城镇生活污水和工业废水，以有效降低入湖河流硝酸盐的污染负荷。. 本项目的开展为控制农业面源污染提供科学依据，同时也丰富了流域氮的生物地球化学循环理论。