氮氧同位素在鐵嶺市河流氮來源解析中的應(yīng)用研究

白偉鋒

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

從鐵嶺市歷年水功能區(qū)監(jiān)測情況可以看出，鐵嶺市河流水質(zhì)狀況表現(xiàn)為逐年改善趨勢。主要水功能區(qū)監(jiān)測斷面在2008年以前水質(zhì)類別多為Ⅳ～劣Ⅴ類，主要超標項目為COD和氨氮[1-3]。2008年以后，超標因子主要是氨氮。其中污染最為嚴重的是招蘇臺河和其支流條子河，這2條河流的水功能區(qū)水質(zhì)均不達標[4]，不能滿足水功能區(qū)對水質(zhì)的要求。

通過對近些年鐵嶺市不達標水功能區(qū)的評價發(fā)現(xiàn)，氨氮是現(xiàn)在主要的污染指標，不論是超標倍數(shù)，還是超標頻次。

1 研究范圍

本次研究選用了鐵嶺市22條河流及其支流上的52個水質(zhì)監(jiān)測斷面，分析評價鐵嶺市的河流水質(zhì)現(xiàn)狀。根據(jù)鐵嶺市河流分布情況，共劃分為招蘇臺河、亮子河、清河、中固河、柴河、凡河和長溝河7個流域[5]，7條河流為遼河的一級支流。

研究區(qū)域涵蓋鐵嶺市區(qū)、調(diào)兵山市、昌圖縣、開原市、西豐縣、清河縣等地區(qū)。斷面根據(jù)研究需要，在河流典型河段或者依據(jù)上下游位置、跨境情況等進行設(shè)置。研究河流及監(jiān)測斷面的空間位置如圖1所示。

圖1 鐵嶺市河流及水質(zhì)監(jiān)測斷面情況

2 河流氨氮污染現(xiàn)狀評價與分析

2.1 河流氨氮污染現(xiàn)狀評價

通過對鐵嶺市22條河流52個斷面的水質(zhì)評價，氨氮單因子污染指數(shù)在0.1～10.5之間，超過42%的斷面氨氮單因子污染指數(shù)大于1。結(jié)合各監(jiān)測斷面所在河流的水功能區(qū)水質(zhì)目標，柴河、凡河、中固河、清河及其支流寇河、碾盤河3個水期(豐、枯、平)水質(zhì)均滿足各自水功能區(qū)水質(zhì)要求。條子河、萬泉河、小河子河、小清河上布設(shè)的水質(zhì)監(jiān)測斷面全年水質(zhì)類別均為Ⅴ或劣Ⅴ類，氨氮超標嚴重。其它一些河流，3個水期(豐、枯、平)水質(zhì)變化較大：枯水期氨氮超標較為嚴重，如遼河干流、東遼河、西遼河、二道河、亮子河，豐水期水質(zhì)為Ⅱ或Ⅲ類水，枯水期水質(zhì)類別為Ⅳ～劣Ⅴ類詳見表1。統(tǒng)計表明，枯水期水質(zhì)類別為Ⅴ及劣Ⅴ類的河流數(shù)量明顯高于豐水期未超Ⅲ類水質(zhì)的河流數(shù)量。

注：表中進行超標評價時采用的是斷面所在河段的水功能區(qū)劃水質(zhì)目標。

2.2 河流氨氮污染分析

經(jīng)過上面的評價可以看出，水質(zhì)污染較為嚴重的河段主要分布在農(nóng)業(yè)種植區(qū)和城鎮(zhèn)居住區(qū)，比較符合鐵嶺市土地利用情況。例如，受開原市慶云堡鎮(zhèn)生活和工業(yè)污水影響的亮子河下游河段水質(zhì)較差。同時可以看出，河流氮來源與河段所處的地理位置也有很大的相關(guān)性，例如，王河、中固河和萬泉河這幾條河的河段主要流經(jīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村，流經(jīng)的區(qū)域受人類活動影響較大。在城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村的部分河段，氮的主要來源是畜牧養(yǎng)殖和生活污水。但也存在一些水質(zhì)監(jiān)測斷面與氮來源不對應(yīng)的情況，例如凡河和清河的河段上游主要是林地和農(nóng)業(yè)種植區(qū)，分析表明其氮的來源受生活污水和養(yǎng)殖影響較大。通過以上分析可以看出，人類活動對鐵嶺市河流氮污染影響較大。

3 鐵嶺河流氮來源解析

3.1 氮氧同位素氮來源解析原理

氮的2種穩(wěn)定同位素由14N和15N組成，在氮原子中占的比例分別為99.64%和0.36%。15N在空氣中的平均豐度一般是恒定的，15N/14N值為1/272。常以相對于大氣氮(N2)的千分偏差來表示含氮物質(zhì)的N同位素組成：

δ15N=[(15N/14N)樣品/(15N/14N)N2-1]×1000

(1)

氧的3種穩(wěn)定同位素由16O、17O和18O組成，其對應(yīng)的豐度分別是99.76%，0.04%和0.20%。穩(wěn)定氧同位素組成分別以18O/16O和17O/16O的形式表示，用δ表示[6]。

工業(yè)和生活污水、生活垃圾、牲畜排泄物、化學肥料、大氣沉降和降水等是河流水體中的主要氮來源[7]。水中不同來源的氮，其穩(wěn)定同位素組成表現(xiàn)出特定的范圍見表2，因此成為判識氮素來源的有效指標。目前國內(nèi)外多采用硝酸鹽中氮、氧雙同位素示蹤法確定水體中氮的來源[8-10]。

表2 δ15N、δ18O在不同來源氮中的分布范圍

3.2 鐵嶺市河流主要氮源解析

鐵嶺市河流水體中硝態(tài)氮δ15N最小值為+8‰，最大值為+20‰，均值+9.7‰，δ18O最小值為-10‰，最大值為+10‰，均值+1.8‰。硝酸鹽氮氧同位素δ值在鐵嶺市河流上分布情況如圖2所示。

圖2 硝酸鹽氮氧同位素δ值在鐵嶺市河流上分布情況

根據(jù)圖2，對各個水期氮源進行了分析研究，見表3。人畜排泄物、工業(yè)和生活污水是鐵嶺市河流水體中氮的主要來源。其中，亮子河和前馬河等11條河流硝酸鹽氮δ15N分布區(qū)間為+10.1‰～+23.8‰，δ18O分布區(qū)間為-9.9‰～17.2‰。主要污染源為人畜排泄物；東遼河、清河和柴河等8條河流硝酸鹽氮δ15N分布區(qū)間為+5.2‰～+13.0‰，δ18O分布區(qū)間為-9.7‰～15.1‰，主要污染源為工業(yè)和生活污水。通過研究還發(fā)現(xiàn)，同一條河流不同水期氮的主要來源也不完全相同，如王河在枯水期氮源主要為人畜排泄物點源排放，平水期氮源主要為尿素和土壤氮等面源排放，而豐水期氮源主要為人畜排泄物點源排放和土壤氮面源排放。

表3 河流硝酸鹽氮氮源解析一覽表

注：RCP表示人畜排泄物，GSW表示工業(yè)和生活污水，TRD表示土壤氮，NS表示尿素。

從上面的分析能夠看出：豐水期，氮污染來源在土壤氮、人畜排泄物、工業(yè)和生活污水中所占的比重分別為19%、40%和41%，點源排放和面源排放基本相當；平水期，氮污染來源在土壤氮、工業(yè)和生活污水、人畜排泄物中所占的比重分別為15%、40%和45%，點源排放比面源排放略小大；枯水期，氮污染來源在土壤氮、工業(yè)和生活污水、人畜排泄物中所占的比重分別為5%、32%和63%，點源排放小于面源排放。綜上，鐵嶺市的點源面排放，在豐水期大致相當，平水期面源排放略大，枯水期點源排放略大。

4 結(jié)論

鐵嶺市河流水體中硝態(tài)氮δ15N均值+9.7‰，δ18O均值+1.8‰。通過本文的分析結(jié)果，將為鐵嶺市河流生態(tài)環(huán)境治理和保護提供技術(shù)支撐，也將為各級河長做好污染源控制和治理措施提供技術(shù)指導，逐步實現(xiàn)水功能區(qū)水質(zhì)達標。但由于豐枯年份地表水徑流變化對面源排放的影響，以及隨時間和空間同位素值有變化性，有必要做進一步的研究。