基于硝酸鹽氮氧同位素的三門峽黃河濕地硝酸鹽來源分析

官慶松

(1.河南科技大學 應用工程學院，河南 三門峽 472000；2.三門峽市黃河濕地環境過程與生態修復工程技術研究中心，河南 三門峽 472000)

1 引言

目前，國家將黃河流域生態保護和高質量發展定位重大國家戰略，黃河濕地作為“黃河之腎”，具有保持水源、凈化水質、控制土壤侵蝕、調節氣候和維護生物多樣性等重要生態功能[1～3]。黃河三門峽庫區濕地屬于國家級濕地自然保護區，是國家級珍禽白天鵝的棲息地及重要水源涵養地，該區地處冬候鳥遷徙中線，每年有大量冬候鳥經此地往返南北或在此越冬。黃河三門峽流域超標的主要污染物為生物化學需氧量(BOD5)、COD、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)[4]，長期的氮超標勢必會引起水體的富營養化，增加黃河的生態風險。

濕地質量可以表征流域生態健康和污染狀態[5,6]，雖然濕地可通過攔蓄徑流中懸浮物，移出和固定營養物、有毒物質，凈化與過濾濕地水質[2,7]，但三門峽黃河濕地作為白天鵝的重要越冬場所，對環境變化具有高度敏感性和脆弱性。保護區周邊氮的污染源復雜多樣，外源氮輸入持續增強，會導致氮持續積累到濕地沉積物中，而過量的氮會直接影響濕地植物[8,9]、土壤及微生物的新陳代謝[10, 11]，直接或間接的威脅濕地生態的健康發育。同時，濕地沉積物中積累的氮會進一步釋放到水體，造成水體富營養化，濕地水質惡化進一步加劇[12,13]，造成惡性循環。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

樣品采集時間為2020年6月，水庫水位較低，濕地未被淹沒。共設置3個采樣點(圖1)：未長植物的光灘點(GT)，以蘆葦香蒲為主要覆蓋植被樣點YJW(110°43′E, 34°37′N)，以水毛草為主要覆蓋植被樣點CS(110°51′E, 34°38′N)，其中GT和YJW屬于同一區域濕地，水體連通性一致。采樣深度為0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm，在3 m2范圍內用沉積物采樣器采集3份作為平行樣品，樣品采集后，立即裝入自封袋并排盡空氣，同時，采集水樣和植物樣品，并快速轉移至實驗室預處理。

圖1 采樣點位置

2.2 樣品分析

δ15Nsample值以空氣中氮氣作為參考標準，δ15Nsample值按以下公式計算：

(1)

式(1)中，R(15N/14Nair)為空氣中氮氣的氮同位素豐度比值。δ15Nsample值的分析精度為±0.2‰。

δ18O值以SMOW國際標準作為參考標準，δ18O值按以下公式計算：

(2)

式(2)中，R(18O/16OV-SMOW)為國際標準物SMOW的氧同位素豐度比值。δ18O值的分析精度為±0.3 ‰。

2.3 統計分析

3 結果與分析

3.1 水體理化參數

3.2 沉積物理化分析

4 討論

水體總氮含量較高，存在富營養化的風險，過量的氮負荷會加重濕地的凈化效率，進一步影響濕地的健康。沉積物處于還原環境，硝化作用較弱，使得氨氮積累成為無機氮的主要形態。土壤有機碳含量的高低直接反映濕地、草地的貯碳能力，本研究濕地土壤有機碳含量為0.07%～0.24%，遠低于世界土壤有機碳均值2%[22]。

表1 濕地水質理化特征

表2 濕地沉積物理化特征

圖濃度的自然對數與 和 同位素相關性

氮氧同位素特征值對硝酸鹽來源具有較好的指示意義，根據研究區域周圍環境，選取沉積物硝酸鹽潛在來源為大氣降水、化學肥料、人畜糞肥、土壤有機氮礦化、生活污水，不同來源硝酸鹽氮同位素組成情況如圖3所示。沉積物硝酸鹽氮氧同位素特征值一部分位于端元范圍外部，一部分位于硝態氮肥，大氣降雨區域，說明沉積物中硝酸鹽是多種來源混合的結果，其中，硝態氮肥，大氣降雨為主要貢獻源。沉積物中硝酸鹽的遷移轉化復雜，硝化作用，反硝化作用，硝酸鹽異化還原為銨，都會產生動力學分餾效應。

圖3 黃河濕地沉積物硝酸鹽來源分布

5 結語