氮氧同位素示踪赣江南昌段水体硝酸盐来源

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随着人口数量的增加及工农业和经济的快速发展,含有高浓度氮的生活污水和工农业废水被大量排入河流生态系统中,造成一系列生态和环境问题,如水体富营养化、水质恶化、生物多样性锐减、表层水及土壤的酸化等。氮过量目前已经成为我国乃至全世界的河流水体污染面临的主要问题,严重影响河流的水环境质量。因此,识别河流中氮来源,控制氮排放,成为目前尤为重要的环境问题之一。赣江作为江西省最大河流,鄱阳湖最大支流,赣江水体中硝酸盐的浓度在鄱阳湖的5大支流中最高,是鄱阳湖水体中硝酸盐的主要贡献者,其水质状况一直备受关注。同时赣江作为赣江流域许多城市的生活用水和农业灌溉用水水源,赣江水体中硝酸盐的浓度也影响着整个赣江流域的用水安全。本研究针对赣江水体氮污染问题,选取赣江南昌段为研究对象,于2017年112月分别采集了赣江南昌段上、中、下游以及南昌市内河抚河水样,分析对比了赣江南昌段水溶性离子的时空分布特征,结合水溶性离子和硝酸盐氮氧同位素技术,对赣江南昌段水体硝酸盐来源进行了解析,基于同位素质量平衡模型估算出赣江南昌段水体硝酸盐各来源的占比。通过本研究得到以下几点认识:(1)赣江南昌段河水阳离子枯、平、丰水期都以Ca2+为主,平均(以当量为单位计算)占总阳离子的54%,所测阴离子主要以SO42–和Cl-为主,各占所测总阴离子量的42%左右,主要阳离子浓度顺序为Ca2+>Na+>Mg2+>K+>NH4+,所测阴离子浓度顺序为SO42->Cl->NO3-。(2)赣江南昌段水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、NH4+之间均存在着较为显著的相关性,表明它们之间可能存在相似的来源或类似的化学反应。赣江南昌段水体中离子主要来源于生活污水、工业废水、农业污水和岩石风化,其中岩石风化作用主要是硅酸盐岩和碳酸盐岩的化学风化。(3)赣江南昌段主要离子浓度的时空特征较为明显。时间上,赣江南昌段主要离子浓度均呈现枯水期>平水期>丰水期,这主要是由于降水的稀释作用;空间上,赣江南昌段中游的离子浓度较高,受人为活动的影响较大。(4)NO3--N是赣江南昌段水体中氮的主要存在形式,且水体氮浓度变化受到硝化反应的影响。赣江南昌段河水δ15N-NO3-在枯水期、平水期和丰水期平均值依次为+7.78‰、+6.26‰和+6.07‰。基于氮氧同位素示踪,赣江南昌段水体枯水期、平水期和丰水期的NO3-主要有3个来源:铵态氮肥、土壤有机氮和粪便等生活污水。(5)基于质量平衡模型,赣江南昌段枯水期硝酸盐主要污染来源为粪便等生活污水,约占总硝酸盐污染源的50%;其次是铵态氮肥,约占36%左右,最后是土壤有机氮,约占14%。平水期硝酸盐主要来源为铵态氮肥,约占总硝酸盐污染源的42%;粪便等生活污水源和土壤有机氮源所占比差异不大,分别为28%和30%。丰水期主要硝酸盐来源为铵态氮肥,约占总硝酸盐污染源的46%;其次是粪便等生活污水,约占31%,最低是土壤有机氮,约占23%。
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