地下水硝酸盐反硝化过程的氮氧同位素示踪研究

Nitrate is one of the important pollutants to cause water eutrophication and affect the quality of drinking water. It has been becoming a more serious environmental problem worldwide, because of the increase of population and food demand. However, with the development of stable isotope approach, the nitrate pollution issue is more easily solved than before. This study is focusing on groundwater in Tianjin. A combination of nitrogen and oxygen isotopes with physico-chemical parameters and trace metals in groundwater is applied to study the denitrification mechanism and fraction factor to establish a better system for identifying nitrate sources and fate. The results of this research will provide a good evidence for solving nitrate sources and sinks.

硝酸盐是引起水体富营养化和影响饮用水质的重要水体污染指标之一,由于人口增长和粮食需求的增加,水体中的硝酸盐污染已成为全球范围内日益严重的问题。稳定同位素的技术日渐成熟推动了对硝酸盐污染研究的快速发展。本项目拟定以天津市地下水为研究对象，结合稳定氮氧同位素，水体的相关物理化学指标和微量金属元素，分析地下水中反硝化作用机制以及反硝化进行程度，进而建立有效的反硝化方法体系和示踪理论体系，为正确评估天津地下水硝酸盐污染的源与汇问题提供可靠的理论依据。

本项目以天津市地下水为研究对象，结合地下水相关资料分析，将采样区域集中在林地，畜禽养殖地以及农业化肥施用地。将水体的相关物理化学指标，微量金属元素以及硝酸盐中稳定氮氧同位素相结合来分析地下水中反硝化作用机制以及反硝化进行程度。研究结果表明，不同土地利用类型影响下的地下水以及土壤纵剖面提取液的物理化学数据差异较为显著。Cl-，SO42-以及NO3-N的含量趋势为化肥施用地>畜禽养殖地>林地。Cr、Ni、Cu、Co四种重金属元素之间具有极显著的相关性，说明天津地区Cr、Ni、Cu和Co的来源可能相同或相关。通过硝酸盐中氮氧同位素数据的分析发现化肥施用地的同位素素数值始于铵类化肥源区，林地和地下水则始于土壤区域，畜禽养殖地的采样点的同位素数据则主要集中在动物排泄物区域，并且δ15N与δ18O都呈现增高并延伸到其他来源域内或者源外区域。这种分散趋势有可能来自于多重硝酸盐源的影响，但主要原因可能来自于反硝化作用。因为本项目的同位素数据显示样品中NO3-的δ15N和δ18O以2:1的比值富集升高，指示了反硝化作用的发生。部分采样区域据简化的瑞利方程计算的分馏常数ε15N在-1.2 到-3.5‰之间变化，分馏程度较小，属于“水底”反硝化过程。硝酸盐是从表层耗氧区扩散到地下水中的厌氧区，由于硝酸盐在水-沉积物界面扩散决定着硝化反应速率，进而引起较小程度的分馏。相对而言，部分采样区域分馏程度较大，分馏常数ε15N在-9.4 到-29.6‰之间变化，属于“水边”反硝化过程,因这一过程中有部分硝酸盐直接在厌氧区的地下水中发生转换。另外研究区域内显示了不同的反硝化特征：部分采样点随着NO3-浓度的降低，δ15N和δ18O增加，同时出现SO42-含量以及Co，Ni，Cu，Cr和As等重金属含量的升高，即呈现了自养反硝化特征；而部分采样点随着NO3-浓度的降低，δ15N和δ18O增加，同时出现了较高的可溶性有机碳含量，即NO3-含量的降低主要与异养反硝化过程相关。最后将采样区域的理化性质，重金属含量与富集系数做相关，发现反硝化过程中同位素的分馏程度与NO3-,SO42-,水分含量，TOC/TN以及重金属含量都相关。综合来看，反硝化过程引起了硝酸盐中氮氧同位素的分馏，而分馏程度的不同，反应机制的不同，对正确评估天津地下水硝酸盐污染的源与汇的准确性起到了重要的决定作用。