氮氧同位素示踪河北平原包气带和地下水中氮的来源与迁移转化机制

As the rapid development of the industrial and agricultural production, pollution of nitrate nitrogen, nitrite nitrogen and ammonia nitrogen in groundwater of countryside and city is aggravating , shallow groundwater has gradually become the nitrogen storage. The nitrogen pollution of shallow groundwater is serious, its using function had been loss in Hebei plain. In a nitrogen environment behavior and toxicity studies, vadose zone is one of the most important research object, so this research will study the nitrogen source and transfer and transformation of vadose zone - shallow groundwater system in Hebei plain. This project will use the nitrogen and oxygen isotope technology, environmental microbial technology, the indoor dynamic and static simulation experiment, and establish( use ) mathematical model methods, We can identify and track the sources of nitrogen pollution in vadose - groundwater system, identify the characteristics of the nitrogen content, and explore the mechanism of the conversion in migration process in vadose zone - shallow groundwater system, nitrogen and oxygen isotope fractionation mechanism and pollution control mechanism; identify the factors of the nitrogen in the migration and transformation process; applicating groundwater transport model (MT3D), simulating and predicting the migration and transformation of nitrogen in vadose zone - shallow groundwater system; monitoring the nitrogen migration and transformation in vadose zone - shallow groundwater system ,and inspecting control measures. The research of the subject will has important theoretical and practical significance for clarifying the migration and transformation of nitrogen in vadose zone - shallow grounderwater system of the Hebei Plain.

随着工农业生产的快速发展，农村、城市的地下水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮污染不断加剧，浅层地下水逐渐成为氮元素的贮存库。河北平原浅层地下水氮素污染严重，已丧失使用功能。在氮环境行为和毒性研究中，包气带是最重要的研究对象，故本课题将以河北平原包气带-浅层地下水系统中氮来源与迁移转化为研究内容，采用氮氧双同位素技术、环境微生物技术、室内动静态模拟实验并建立（应用）数学模型等方法，识别和追踪包气带-地下水系统中氮的污染来源，查明氮的含量特征，探索氮在包气带-浅层地下水系统迁移过程中的转化机理、氮氧同位素分馏机制和污染控制机理；查明氮在迁移转化过程中的影响因素；应用地下水运移模型（MT3D），模拟预测氮在包气带-浅层地下水系统中的迁移转化规律；监测氮在包气带-浅层地下水系统中迁移转化及检验防治措施。本课题的研究，对于阐明氮素在河北平原包气带-浅层地下水系统中的迁移转化规律，具有重要的理论和现实意义。

随着工农业生产的快速发展，地下水中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮污染不断加剧，浅层地下水逐渐成为氮元素的贮存库。本课题以河北平原为研究区，运用氮氧双同位素示踪技术和磷脂脂肪酸生物标记法及高通量测序技术，将野外调查与室内实验研究相结合，系统研究了包气带和浅层地下水中氮的污染来源，探索了氮在包气带-浅层地下水中迁移机理，并应用Visual MODFLOW和Hydrus-1D软件进行模拟和预测。结果表明：（1）山前、中部及东部平原区浅层地下水中，2009-2015年硝态氮平均浓度分别是14.92 mg•L-1、4.44 mg•L-1及31.52 mg•L-1。氮氧双同位素示踪表明东部滨海平原区和中部平原区硝态氮主要来自化粪池废弃物，而山前平原区除了这一来源，还有可能来自于化肥中的NH4+。山前和中部平原区浅层地下水中，氨氮平均浓度分别是13.56 mg•L-1和13.95 mg•L-1，亚硝酸盐氮平均浓度分别是0.23 mg•L-1和0.11 mg•L-1。氮氧双同位素技术可作为日常监测地下水中氮来源的手段。（2）Visual MODFLOW软件很好地模拟了浅层地下水氮迁移过程，Hydrus-1D软件预测了最不利条件下100 d和1000 d后氮运移的最大距离和最大影响面积。（3）从土壤提取了参与氮转化的高效菌株，经16r DNA鉴定，分别为淀粉芽孢杆菌（Bacillus），稳杆菌属（Empedobacter），金黄杆菌属（Chryseobacterium），卓贝尔氏菌属（Zobellella），节杆菌属（Arthrobacter）和剑菌属（Ensifer）。将其制成菌剂并应用于灌溉用水，可促进土壤中氮素迁移转化。（4）通过小白菜土培实验得出，加入所提取菌剂，无论潮土或褐土土壤，采用地表水和地下水灌溉，总氮降解效率平均提高了约26.8%和13.9%，硝态氮降解效率平均提高了约9.1%和5.3%，氨氮降解效率平均提高了约41.7.8%和46.2%，亚硝态氮含量整体变化无显著差别。（5）土壤中细菌变形菌门、放线菌门、酸杆菌门为优势菌门；古菌中古菌门为优势菌门，平均比例为54.99%；真菌中子囊菌门的相对丰度最大，为80.60%。（6）按照“生态优先，绿色发展”的总体要求，提出着力发展精准农业、合理利用水资源、加大治理农业面源污染及全社会节水观念与法制建设的措施与对策。