城市水体氮污染类型及同位素溯源研究_孙婷婷.pdf

第52卷 第1期2 0 2 3年 2月Vol.52，No.1Feb.，2 0 2 3上海师范大学学报（自然科学版）Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）城市水体氮污染类型及同位素溯源研究孙婷婷1，涂耀仁1，2*，罗鹏程1，高佳欣1，刘生辉1，寇佳怡1，顾心彤1，段艳平1，2（1.上海师范大学 环境与地理科学学院，上海 200234；2.上海师范大学 上海长三角城市湿地生态系统国家野外科学观测研究站，上海 200234）摘 要：城市中各类含氮污染物的排放对环境产生了各种危害，明确氮污染的来源及循环规律可为环境治理提供一系列的专业依据.文章阐述了氮污染的机理、产生的危害、城市水体氮污染现状及污染类型，综述了城市水体氮污染溯源研究的最新进展.地表水主要受总氮、硝态氮和铵态氮污染影响，大部分水体仅满足类水质标准，人为活动是城市水体氮污染的主要贡献者.此外，更进一步对水体氮污染来源示踪技术（水化学分析法、同位素示踪法、微生物源追踪技术（MST）及同位素源解析模型等）和端元物质中硝酸盐氮氧同位素特征值进行汇总，为氮污染溯源和明确氮污染迁移规律提供了可靠的依据.本综述对城市水体的氮污染溯源及氮污染防治工作具有重要意义.关键词：城市水体；氮污染；同位素示踪；硝酸盐氮同位素；同位素分馏中图分类号：X-1 文献标志码：A 文章编号：1000-5137（2023）01-0146-09Study on nitrogen pollution types and isotopic tracing of urban water bodiesSUN Tingting1，TU Yaoren1，2*，LUO Pengcheng1，GAO Jiaxin1，LIU Shenghui1，KOU Jiayi1，GU Xintong1，DUAN Yanping1，2（1.School of Environmental and Geographical Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China；2.Yangtze River Delta Urban Wetland Ecosystem National Field Observation and Research Station，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）Abstract：The emission of various nitrogen-containing pollutants in cities causes various hazards in the environment.Clarifying the source and circulation law of nitrogen pollution can provide a series of supports for environmental governance.In this paper，not only DOI：10.3969/J.ISSN.1000-5137.2023.01.020收稿日期：2022-05-13基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（XDB40020105）；上海市自然科学基金（20ZR1441100）；国家自然科学基金（41730642）；国家社科基金重大项目（17ZDA058）作者简介：孙婷婷（1997），女，硕士研究生，主要从事氮污染溯源方面的研究.E-mail：*通信作者：涂耀仁（1978），男，副研究员，主要从事重金属源解析方面的研究.E-mail：引用格式：孙婷婷，涂耀仁，罗鹏程，等.城市水体氮污染类型及同位素溯源研究 J.上海师范大学学报（自然科学版），2023，52（1）：146154.Citation format：SUN T T，TU Y R，LUO P C，et al.Study on nitrogen pollution types and isotopic tracing of urban water bodies J.Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2023，52（1）：146154.第1期孙婷婷，涂耀仁，罗鹏程，等：城市水体氮污染类型及同位素溯源研究the mechanism and harm of nitrogen pollution but also the status and types of nitrogen pollution in urban water environment were described.The latest progress in the research on the traceability of nitrogen pollution in urban water was reviewed.The surface waters were mainly affected by total nitrogen，nitrate nitrogen，and ammonia nitrogen pollutions.Most of the water environment only met the class-water quality standards，and human activities were the main contributor to the nitrogen pollution in urban water environment.In addition，the source tracing technology of nitrogen pollution in water（hydrochemistry analysis，isotope tracing，microbial source tracing，isotope source analytical model，etc.）and the characteristic values of nitrate-nitrogen and oxygen isotopes in end-member substances were further summarized，which provided a reliable way to trace the source of nitrogen pollution and clarify the migration law of nitrogen pollution.This review is of great significance for the traceability and prevention of nitrogen pollution in urban water environment.Key words：urban water environment；nitrogen pollution；isotopic tracing；nitrate nitrogen isotope；isotopic fractionation0 引 言 根据 2021中国生态环境状况公报 1 显示，我国地表水监测断面中类水质断面占84.9%，整体来看水质逐年向好；其中，河流、湖泊和水库监测断面水质以类为主，但仍有10%25%的水体仅达到类标准，湖泊和水库劣类监测断面数量高于河流，且均存在有机质和营养盐污染现象，部分水体处于中度富营养水平.城市生态系统代谢严重依赖外部物质和能量，其所需的物质和能量为其他自然生态系统的10100倍，故其高氮输入导致城市成为全球氮研究的热点 2-3.水环境中氮的主要来源包括自然和人为来源，如大气氮沉降、土壤有机氮的硝化作用、工业废水和生活污水以及农业化肥的使用等 4，其中工业废水和生活污水对地表水中氮污染的影响尤为突出，而农业中氮的过度利用、高强度施氮与漫灌甚至造成了地下水硝态氮的淋失，也极大地加剧了地下水污染 5.过多的硝酸盐会对水生生态系统造成严重的影响，如水体富营养化、藻华以及缺氧现象等 6，从而对水生生物的生存造成威胁.地下水中硝酸盐氮若被还原为亚硝态氮，可能会引起婴儿高铁血红蛋白症，也可能会引发胃癌、肝癌以及高血压等疾病 7.因此，水体氮污染的治理刻不容缓，在控制水体硝酸盐污染的前提下，需要准确识别其污染来源.目前，城市水体中含氮污染物的来源仍众说纷纭，故对城市水体氮污染的来源进行准确鉴定，有助于为环保部门氮污染的治理提供科学依据.1 城市水体的氮污染类型 表1为我国城市各类水体中氮的污染类型8-25，近年来我国城市水体仍普遍存在氮污染问题，当水体某种氮的含量超标或占总氮（TN）的比例较高时，认为TN是水体的主要氮污染类型，其中河流和湖泊均以 TN和氨氮（NH4+-N）污染为主，水质分别呈劣 V类和劣 V类水平；水库以 TN和硝态氮（NO3-N）污染为主，水质呈劣V类水平.虽城市管控日趋严格，但不可避免存在偷排、漏排及垃圾渗滤液渗漏等现象，使地表水系统中氮失去平衡.总体来说，水库及河流的水质略优于湖泊，这与水库的地理位置位于城市边缘及政府对水库、河流等水源地水质的重视程度有关.2 水体氮污染来源的鉴别技术 氮污染来源的鉴别技术主要有水化学分析法、同位素示踪法以及多种方法相结合的溯源方式26.由于水体中硝酸盐来源多样且易发生生物地球化学效应，单纯依靠水化学分析法不能识别水体硝酸盐来源27.同位素技术在硝酸盐污染源识别研究方面已有40多年的历史，初期研究者只能通过确定硝酸盐1472023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）氮同位素（15N-NO3-）值来识别硝酸盐主要来源，但部分来源的15N-NO3-值范围较广，存在重叠部分，因此单一同位素往往很难准确地识别污染物来源.随着研究的进步，硝酸盐氧同位素（18O-NO3-）开始应用于水体硝酸盐溯源研究，多种同位素示踪法不仅弥补了单一同位素示踪的缺陷，结合同位素模型可较为准确地辨别氮污染来源与各污染源的贡献率.2.1不同来源15N-NO3-和18O-NO3-值的范围20世纪70年代，自KOHL等28使用15N-NO3-研究了美国伊利诺伊州Sangamon河中肥料对NO3-的贡献后，即开启了利用15N-NO3-来识别水体NO3-来源的先河.不同污染来源中硝酸盐的15N-NO3-和18O-NO3-值，如表2所示29-43.各类氮肥15N-NO3-差别较小，硝态氮肥和铵态氮肥15N-NO3-值分别为-24 和-42.大气沉降受大气中各类化学反应及人为来源影响，国外研究中大气氮沉降15N-NO3-值为-131336，国内相较于国外15N-NO3-值范围窄.人畜粪便和生活污水易受到氨挥发以及硝化作用的影响，15N值较高，为425.土壤中矿化作用和硝化作用的相对速率、土壤深度、植被种类等因素都会影响土壤的15N-NO3-值30，其典型值域范围为09.除 15N-NO3-外，越来越多的学者将 18O-NO3-用作识别水体中 NO3-来源的附加手段44.例如，DURKA等45发现由于大气中的 NO3-与微生物产生的土壤中 NO3-的 18O-NO3-特征值有显著差异，故18O-NO3-能很好地分离这2个来源的污染物.WASSENAAR46也通过研究发现18O-NO3-能区分合成肥料与其他污染源.硝化作用产生的NO3-的18O值为214；大气沉降18O-NO3-值域较广，为1875；硝态氮肥料则较铵态氮肥料18O-NO3-值偏重，分别为1725和-515.表1我国城市各类水体中氮的污染类型城市水体类型河流水库湖泊时间2009年20012013年20082018年2018年2018年20142019年2019年2021年20062016年2018年201