不同水文条件下流域硝酸盐来源及迁移过程研究

Nitrate contamination in rivers is a worldwide environmental problem. In order to ensure water environment benign evolution, it is of great importance to effectively identify the nitrate pollution sources of river water body and transport processes. Stable nitrogen(15N) and oxygen(18O) isotope data can provide meaningful insight for tracing sources of nitrate and transport processes, and have been frequently used to identify nitrate sources in surface water. But major uncertainties remain in our understanding of how nitrate from various sources moves through landscapes to rivers during storm periods. Water quality factors and the isotope values of nitrate and water(δ15N-NO3-, δ18O-NO3- and δ18O-H2O) along river will be analyzed and stream nitrate sources and transport processes will be identified in different hydrological conditions on different typical watersheds, Nitrate(δ15N), oxygen(δ18O) stable isotopes tracer technique will be used , combining with different environmental factors such as land-use, topography features, farming methods, vegetation coverage and climatic factors. This study examine major hydrological and environmental factors that influence transport processes. This study should can offer important information for controlling the eutrophication and managing pollution.

河流水体硝酸盐污染已成为全球面临的主要水环境问题之一。为了保证水环境的良性演化，有效识别河流水体中硝酸盐的来源和迁移过程就显得尤为重要。目前硝酸盐的稳定氮（δ15N）、氧（δ18O）同位素技术已广泛应用于地表水体硝酸盐来源及迁移转化过程的研究中。但降雨期间不同来源的硝酸盐如何通过不同地表景观进入河流仍是研究的难点。因此，本项目拟以太子河不同典型流域为研究对象，利用氮（15N）、氧（18O）稳定同位素示踪技术，分析不同水文条件下河流水体理化参数和稳定同位素特征值（δ15N-NO3-、δ18O-NO3-和δ18O-H2O）沿河流变化特征及规律。结合流域环境要素特征（气象、土地利用状况、土壤、地形地貌、耕作方式、植被覆盖度等），阐明不同水文条件下河流水体硝酸盐来源及迁移过程。识别影响硝酸盐来源及迁移过程的主要水文环境要素。为治理太子河水污染，控制水体富营养化提供有效的科学依据。

本项目根据太子河流域用地类型的不同，将其划分为三个典型区域：上游以林地为主的区域（包括太子河南支、北支和小汤河）、中游丘陵区域（细河、兰河、二道河及下达河）和下游城镇及农业区域（海城河、南沙河、北沙河、五道河及柳豪河）。联合NO3-、氯离子（Cl-）、硝酸盐氮、氧同位素（δ15N-NO3-、δ18O-NO3-）和水的氧同位素（δ18O-H2O）识别不同季节（5月和8月，分别对应枯水期和丰水期）地表水NO3-来源及迁移转化过程，取得如下成果：.（1）枯水期ρ（Cl-）、ρ（NO3-）、ρ（NH4+-N）和δ18O-NO3-显著高于丰水期，δ15N-NO3-无显著时间差异。中游和下游区域ρ（Cl-）、ρ（NO3-）、ρ（NH4+-N）和硝酸盐同位素值均高于上游区域，充分说明用地类型及人类活动对这些参数的影响。.（2）丰水期，上游和中游区域中，河流大多数样品NO3-/ Cl-值大于1，而Cl-摩尔浓度低于0.1，δ15N-NO3-值低于5‰，说明河流NO3-主要来源于土壤有机氮（SON）和化学肥料（SF），硝化过程可能增加了NO3-浓度，降低了δ15N-NO3-，而稀释效应可能对Cl-浓度产生极大影响。下游流域河流的δ15N-NO3-值高于4‰，说明下游流域NO3-可能主要来自于生活污水和畜禽粪便。.（3）枯水期，下游的南沙河NO3-/ Cl-值均低于0.1，而Cl-摩尔浓度高于3，海城河和北沙河具有中等大小的Cl-摩尔浓度（大于0.5）和相对低的NO3-/ Cl-值（低于1），说明海城河和北沙河NO3-主要来自化学肥料、土壤有机氮、畜禽粪便和生活污水的混合源，南沙河NO3-主要来自于畜禽粪便和生活污水。上游和中游大部分河流都具有中等大小的Cl-摩尔浓度（0.2~0.5）和相对低的NO3-/ Cl-值（低于1），且δ15N-NO3-值低于4‰，说明SON和SF是其主要的NO3-来源。.（4）根据贝叶斯模型结果显示，枯水期，上游和中游河流SON分别占18%和25.3%，SF分别占59.7%和51.5%。丰水期，上游、中游和下游NSF分别占38.7%，30.2%和27.5%，SON分别占20.9%，33.6%和32.4%。上游和中游区域，硝化过程对河流硝酸盐有显著影响，没有反硝化过程发生。本研究的结果可为不同类型典型流域的硝酸盐污染来源的季节差异研究提供参考。