甘蔗集約化種植區施肥顯著增加入河硝態氮污染：基于氮氧同位素的流域示蹤

黎靜宜，李 勇，黃智剛，郭 豪，陳婷婷，黃俁晴，戴 諒，劉小梅，王 旭

（廣西大學農學院/廣西農業環境與農產品安全重點實驗室，廣西南寧 530004）

水體硝態氮污染是全球性環境污染的重大問題[1]，近幾十年來，農業活動(如施肥)產生大量以硝態氮為主的污染物排放到河流和湖泊，導致水體富營養化，加劇水體生態系統的退化，產生農業面源污染等一系列生態環境問題[2-3]。農區水體硝態氮污染物的去向研究引起了眾多科學家的關注[4]。因此，定量辨識入河硝態氮的來源貢獻及闡明農區施肥與入河硝態氮污染的關系，可為確定防控農業面源污染的有效措施提供理論依據。

水體中硝態氮的主要來源有大氣沉降、土壤氮、化肥、動物糞便/有機肥料和生活污水[5-6]。傳統辨別硝態氮來源的方法主要是通過調查不同土地利用類型并結合當地水化學特性及多元統計建模方法[7-8]。隨著同位素技術的運用與進步，氮、氧穩定同位素已經廣泛應用于大型河流中硝態氮來源辨識[9]。氮氧同位素技術是利用不同來源的硝態氮所具有不同的δ15N-NO3-、δ18O-NO3-穩定同位素特征，能夠更加科學直觀地解析出水體中硝態氮的來源。但是因為不同來源入河硝態氮的氮氧值具有重疊部分，一些學者通過δ15N-NO3-、δ18O-NO3-穩定同位素結合水化學特性、不同土地利用類型或者其他同位素，運用SIAR模型定量辨識入河硝態氮的來源貢獻。

甘蔗是全球糖類和燃料重要原料作物，目前，我國是世界第三大甘蔗生產國[10]，產地主要分布在廣西、云南、廣東等地區，糖產量占國內食糖總產量的90%左右[11]。隨著甘蔗產量需求增加氮肥施用量也逐年迅速增加。當前我國甘蔗生產的平均施氮量為360 kg/hm2，氮肥利用率僅有10%，而甘蔗生產先進的澳大利亞甘蔗施氮量和氮肥利用率近年來分別穩定在170 kg/hm2和50%～60%[12]。廣西地處南亞熱帶地區，地形主要以山地丘陵為主，是我國最重要的甘蔗生產基地，種植面積和產糖量均占中國的65%以上[13]。廣西的甘蔗種植主要分布在旱坡地(約占70%)[14]，農民一般在雨后撒施肥料，但由于降雨頻繁，前次施肥在隨后的降雨條件下極易發生徑流流失。施肥對水體污染具有重要貢獻[15]。但是目前對甘蔗種植坡面施肥與小流域硝態氮入河污染的關系未受到重視，硝態氮入河的主要因素對水體質量的影響缺乏研究，且施肥對面源污染的研究主要集中在田間尺度氮流失與施肥的關系的觀測或者超大尺度的河流示蹤[16-18]。利用同位素示蹤技術研究甘蔗種植坡面施肥與小流域硝態氮入河污染的關系，硝態氮入河對水體質量的影響，闡明農區施肥與入河硝態氮污染的關系，可為確定有效防控農業面源污染的措施提供理論依據。因此，本研究選擇了南亞熱帶典型蔗區流域(那辣流域)，對3個子流域(上游子流域S1、S2和下游子流域S3)的硝態氮來源進行了定量辨識。應用氮氧穩定同位素示蹤技術，結合流域施肥格局的調查，定量辨識那辣流域豐水期和枯水期硝態氮來源及貢獻，并闡明硝態氮入河污染與施肥的關系，以期為該地區的農業面源污染控制管理及農業可持續發展提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域

研究地區位于廣西壯族自治區扶綏縣那辣小流域 (107°39′29′～107°40′17′E,22°20′50′～22°20′36′N)，流域面積1.29 km2，平均海拔1200 m左右，平均坡度25°，河谷到山頂高度142～182 m，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫22℃，年降雨量約1200 mm左右，降雨主要集中在3—9月[19]。土壤類型屬赤紅壤(表土質地為粉質壤土)，土壤呈酸性，pH 4.7～5.2。該流域流向廣西大型水庫客蘭水庫，該水庫屬于飲用水源保護區。那辣流域耕地以甘蔗種植為主，約占土地利用總面積的80%，其次是桉樹。在2020年，那辣流域在豐水期和枯水期降水量分別為500.2、38.8 mm。豐水期(5—9月)正好是甘蔗施肥量最大的時期(伸長期)，在枯水期(10—12月)甘蔗處于成熟期，不需要施肥，但由于部分農民種植甘蔗較晚，在該時期也有給甘蔗追肥。甘蔗施肥為有機肥和化肥，研究區域無養殖業和工業，全部為農業種植區。

1.2 樣品采集

采樣點根據均勻布點、局部加密的原則布設，覆蓋整個那辣流域，每個采樣點均用 GPS 定位，記錄采樣點位置和農田利用信息等，采樣點見圖1。采樣時間為 2020 年6—11月降雨期，流域施肥情況根據實地調查記錄收集。水樣采集現場采用多參數水質監測儀(YSI6600-V2，YSI-Co，USA)測定水體溫度、溶解氧(DO)、pH和電導率(EC)；然后將水樣收集在250 mL聚乙烯塑料瓶中，用冰袋保溫隨即送至實驗室進行養分和硝態氮同位素分析。

圖1 研究流域采樣點(1～10)分布圖Fig. 1 Distribution of sampling points (1-10)in the study watershed

1.3 室內分析

樣品的前期處理方法參照Jin等[4]。用高效液相色譜(IC)系統90 (Dionex Co.,Sunnyvale,CA,USA)測定水樣中的陰離子(Cl-)濃度(精度≤5%)；用iFLA7全自動多參數流動注射分析儀測定水樣可溶性總氮(TDN)、NO3--N、NH4+-N的濃度，溶解態有機氮(DON)濃度為溶解態總氮濃度與溶解態無機氮濃度之差，樣品中的δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-測定(采用“脫氮菌法”[20])在中國農業科學院農業環境穩定同位素實驗室完成。

1.4 硝態氮來源貢獻率的計算

用δ表示硝態氮的δ15N-NO3?和δ18O-NO3?同位素，并按下列公式[21]計算：

式中：R樣品和 R標準分別表示樣品/標準樣品的15N/14N或18O/16O值，即δ15N-NO3?和 δ18O-NO3?；N同位素以大氣氮(N2)為參考標準；O同位素采用維也納標準平均海水作為參考標準(V-SMOW)。

應用貝葉斯同位素混合模型(SIAR)，可以量化潛在NO3--N源對地表水的比例貢獻。該模型[22]表示為：

為了計算豐水期和枯水期那辣流域硝態氮源的貢獻，本研究采用了雙同位素(j=2，δ15N-NO3-和δ18O-NO3-)和貝葉斯混合模型計算了4種潛在來源(大氣沉降、土壤氮、化肥、畜禽糞便和生活污水)對地表水的硝態氮貢獻率。

2 結果與分析

2.1 水化學特征

表1為10個采樣點的水化學特征值。那辣流域地表水溫度均值在豐水期(28.9℃)明顯高于枯水期(13.0℃)。pH為7.08～8.16，均值分別為7.53和7.84，屬偏堿性水質。水體溶解氧(DO)濃度介于1.27～10.52 mg/L，均值分別為3.83和7.67 mg/L。電導率(EC)均值為枯水期 (404 μS/cm)>豐水期 (402 μS/cm)。Cl-濃度范圍為3.55～53.23 mg/L，均值分別是17.04和20.24 mg/L。

表1 那辣流域地表水水質特征Table 1 Characteristics of surface water quality in Nala watershed

2.2 那辣流域可溶性氮的時空分布特征

由圖2可知，可溶性總氮(TDN)、NO3?-N和NH4+-N濃度分別超過我國生態環境部規定的地表水Ⅲ類(1.0 mg/L)、Ⅲ類(1.0 mg/L)、Ⅱ類(0.5 mg/L)環境質量標準(GB 3838—2002)。那辣流域水體NO3--N濃度范圍是1.24～27.90 mg/L，豐水期和枯水期均值分別為22.01和5.64 mg/L。在豐水期和枯水期，S1子流域的NH4+-N平均濃度分別為0.92和1.11 mg/L，NO3--N平均濃度分別為24.18和5.12 mg/L，可溶性有機氮(DON)平均濃度分別為0.63和1.17 mg/L，TDN平均濃度分別為25.73和7.40 mg/L；S2子流域的NH4+-N平均濃度分別為0.94和1.78 mg/L，NO3--N平均濃度分別為22.48和6.82 mg/L，DON平均濃度分別為0.57和0.64 mg/L，TDN平均濃度分別為23.98和8.99 mg/L；S3子流域的NH4+-N平均濃度分別為0.81和 0.97mg/L，NO3--N平均濃度分別為16.74和4.34 mg/L，DON平均濃度分別為0.80和1.11 mg/L，TDN平均濃度分別為18.51和6.26 mg/L。那辣流域水體各形態氮濃度具有時空變異性，S1、S2、S3流域豐水期NH4+-N和DON濃度較枯水期低，而NO3--N和TDN濃度則較枯水期高，差別較大。枯水期徑流小，水溫較低，硝化菌群活性較豐水期小，阻礙水體硝化反應發生，從而使得NH4+-N濃度較豐水期高；豐水期大量施肥且溫度較高，土壤微生物活性較枯水期強，從而增強了土壤礦化作用對DON的消耗，使土壤淋溶到流域中的DON的濃度降低，導致豐水期DON濃度較枯水期低；豐水期施肥量較多，化肥在降雨徑流的沖刷下大量流失進入水體，致使TDN、NO3--N濃度在豐水期顯著高于枯水期。空間上，S1、S2流域在豐水期和枯水期的TDN、NO3--N濃度較S3流域高，從上游向下游呈逐漸下降的趨勢，這可能是下游區域做植物河道梯級攔截試驗所致。

圖2 那辣流域地表徑流中溶解態氮濃度時空變化Fig. 2 Spatio-temporal variation of dissolved nitrogen concentration in surface runoff of Nala watershed

2.3 那辣流域地表水δ15N-NO-、δ18O-NO-的時空33變化特征

如圖3所示，在豐水期和枯水期，S1流域水體δ15N-NO3-的組成范圍分別是3.25‰～4.78‰、6.27‰～9.81‰，均值分別為3.93‰和7.84‰，δ18O-NO3-的組成范圍分別是3.27‰～7.02‰、6.07‰～6.99‰，均值分別是5.40‰、6.42‰，豐水期δ15N-NO3-、δ18ONO3-較枯水期低；S2流域水體δ15N-NO3-的組成范圍分別是3.96‰～9.42‰、3.75‰～16.47‰，均值分別為6.60‰和8.77‰，δ18O-NO3-的組成范圍分別是4.13‰～7.40‰、2.51‰～6.22‰，均值分別是5.41‰和4.33‰，豐水期δ15N-NO3-較枯水期低，δ18O-NO3-則較枯水期高，但差別不大；S3流域水體δ15N-NO3-的組成范圍分別是2.79‰～9.35‰、3.42‰～5.71‰，均值分別為6.07‰、4.57‰，δ18ONO3-的組成范圍分別是3.42‰～10.17‰、4.65‰～6.90‰，均值分別是6.80‰、5.78‰，豐水期δ15NNO3-和 δ18O-NO3-較枯水期高，但差別不大。在空間上，在豐水期S1流域δ15N-NO3-較S3流域低，S2流域δ15N-NO3-與S3流域相差不大，S1、S2流域δ18O-NO3-和S3流域沒有明顯差異；在枯水期，S1和S2流域的δ15N-NO3-較S3流域高，δ18O-NO3-則與S3流域差異不明顯。總的來說，那辣小流域在豐水期和枯水期δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-組成沒有明顯差異，不存在δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-值隨 NO3--N濃度減少而增加的趨勢(圖2、圖3)，說明大部分地表水樣品中δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值基本反映了源的同位素特征。

圖3 那辣流域地表水硝態氮氮氧同位素時空變化Fig. 3 Temporal and spatial variations of nitrate nitrogen and oxygen isotopes in surface water of Nala watershed

2.4 地表水硝態氮各來源貢獻率

利用貝葉斯混合模型計算了豐水期和枯水期那辣流域地表水各采樣點硝態氮污染來源的貢獻率。由圖4可知，在豐水期和枯水期，S1流域大氣沉降貢獻率范圍分別是8.9%～10.1%、6.9%～7.8%，均值分別為9.5%、7.3%，化肥貢獻率范圍分別是41.3%～42.5%、37.0%～38.2%，均值分別為41.9%、37.5%，有機肥貢獻率范圍分別是18.0%～19.2%、14.8%～15.8%，均值分別為18.6%、15.4%，土壤氮貢獻率范圍分別是28.5%～31.8%、39.1%～40.3%，均值分別為30.0%、39.9%。枯水期大氣沉降、化肥、有機肥貢獻率較豐水期分別降低23%、10.5%和17.2%，而枯水期土壤氮貢獻率較豐水期升高了33%。S2流域大氣沉降貢獻率范圍分別是8.6%～10.2%、6.5%～7.2%，均值分別為9.2%、7.2%，化肥貢獻率范圍分別是42.2%～44.2%、37.1%～38.3%，均值分別為43.3%、37.6%，有機肥貢獻率范圍分別是19.3%～20.0%、14.8%～15.7%，均值分別為19.7%、15.3%，土壤氮貢獻率范圍分別是27.7%～28.5%、39.5%～40.4%，均值分別為28.0%、40.0%。枯水期大氣沉降、化肥、有機肥貢獻率較豐水期分別降低21.7%、13.2%和22.3%，而枯水期土壤氮貢獻率較豐水期升高了42.9%。S3流域大氣沉降貢獻率范圍分別是9.2%～9.6%、8.1%～8.2%，均值分別為9.4%、8.2%，化肥貢獻率范圍分別是43.5%～44.2%、37.2%～38.5%，均值分別為43.9%、37.9%，有機肥貢獻率范圍分別是18.9%～20.2%、14.5%～15.9%，均值分別為19.6%、15.2%，土壤氮貢獻率范圍分別是27.1%～27.2%、37.5%～40.1%，均值分別為27.1%、38.8%。枯水期大氣沉降、化肥、有機肥貢獻率較豐水期分別降低12.8%、13.7%和22.4%，而枯水期土壤氮貢獻率較豐水期升高了43.2%。總體上，大氣沉降、化肥、有機肥貢獻率從豐水期到枯水期呈下降的趨勢，土壤氮貢獻率從豐水期到枯水期呈升高的趨勢。空間上，豐水期中大氣沉降貢獻率S1>S3>S2，但各流域貢獻率差別不大；化肥貢獻率S3>S1>S2，從上游到下游呈增加的趨勢；有機肥貢獻率S2>S3>S1，各流域貢獻率差別不大；土壤氮貢獻率S1>S2>S3，從上游到下游呈降低的趨勢。在枯水期，大氣沉降貢獻率S3>S1>S2，但各流域貢獻率差別不大；化肥貢獻率S3>S2>S1，呈上游低、下游高的特點；有機肥貢獻率S1>S2>S3，差別不大；土壤氮貢獻率S2>S1>S3，呈上游高、下游低的特點。

圖4 那辣流域各采樣點硝態氮來源貢獻率Fig. 4 Contribution rate of nitrate sources in Nala watershed

3 討論

3.1 基于水化學特征的那辣流域地表水硝態氮來源的鑒定

Cl-來源包括礦物溶解、化肥、生活污水、工業廢水等，NO3?/Cl-為影響流域硝態氮分布的混合或生物過程的重要指標[23-25]。NO3-/Cl-值與Cl-濃度之間的關系可以初步判斷硝態氮來源，在NO3-/Cl-值高但Cl-濃度低的情況下，NO3-主要由農業活動貢獻，如施肥；NO3-/Cl-值低但Cl-濃度高，NO3-主要來源于生活污水或糞肥；當NO3-和Cl-濃度均較低時，NO3-主要來源于土壤氮；在低Cl-濃度和恒定NO3-/Cl-值情況下，水體經歷了混合過程[26-27]。由于有機肥與糞便、污水的氮、氧同位素范圍重疊且同位素組成相似，因此將有機肥和糞便、污水視為同一污染源[28]。由圖5可知，在豐水期，水體中硝態氮存在低Cl-濃度(范圍為0.2～0.9 mmol/L，均值為0.5 mmol/L)和高NO3-/Cl-(范圍為0.3～1.7，均值為1.0)值，說明該時期入河硝態氮主要來自農業活動，這是因為蔗地大量施用基肥和追肥所致。在枯水期，地表水中硝態氮部分存在低Cl-(<0.5 mmol/L)濃度和低NO3-/Cl-(<0.5)值，部分存在低Cl-濃度(<0.5 mmol/L)和高NO3-/Cl-(>1)值，說明水體中硝態氮主要來自土壤氮和施肥。因此，水化學特征表明了那辣流域地表水硝態氮來源主要受到人為輸入(施肥)的影響。

圖5 Cl-和NO3-/Cl-值之間的關系Fig. 5 Relationship between Cl - and NO3-/ Cl- ratio

3.2 基于SIAR模型和氮氧同位素組成對硝態氮來源的定量解析

典型硝態氮來源氮氧同位素范圍參照前研究者的研究結果[29-31]。由那辣流域在豐水期和枯水期硝態氮來源同位素變化（圖6）可知，那辣流域地表水硝態氮主要污染源來自化肥、有機肥和土壤氮。其中，大部分樣品氮氧同位素落在化肥區域內，這表明那辣流域農業化肥的使用是硝態氮污染的一個重要來源。落在土壤氮范圍內的點也較多，說明多年的農業施肥導致大量硝態氮積累在土壤中。

圖6 典型硝態氮來源氮氧同位素范圍以及那辣流域不同時期硝態氮同位素變化Fig. 6 Nitrogen and oxygen isotopic range of typical nitrate nitrogen sources and nitrate nitrogen isotopic changes in different periods in Nala watershed

δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-的值受硝態氮來源的影響，復雜的地球生物化學過程中的同位素分餾(包括礦化、氨揮發、同化、硝化、反硝化和厭氧氨氧化等)可以改變NO3--N來源的原始同位素特征值[32-33]。反硝化過程會影響氮氧同位素值，從而影響溯源結果的準確性。因此，確定水體是否發生反硝化對確定硝態氮來源尤為重要[34-35]。有學者研究表明，微生物的反硝化會增加水體中δ15N-NO3-和δ18O-NO3-的值，從而降低硝態氮含量，并產生1.3∶1～2.1∶1的δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-比值[36-37]。同時，有研究者得出溶解氧(DO)濃度低于2 mg/L時，反硝化速率理想，DO濃度為2～6 mg/L時仍有反硝化作用發生，但速率很小[38]。如圖6所示，1.3∶1～2.1∶1只有2個采樣點(采樣點7和4)，DO值分別為1.27、1.86 mg/L，說明這兩個采樣點的水體可能發生了反硝化作用。其余地表水樣品在豐水期DO范圍是2.54～5.60 mg/L (均值為4.11 mg/L)，在枯水期范圍是5.89～10.52 mg/L (均值為8.31 mg/L)，總體來看那辣流域水體并沒有發生明顯的反硝化作用，因此，在此研究過程中反硝化作用可以忽略。

根據SIAR模型所得的入河硝態氮來源貢獻率如圖7所示，在豐水期，化肥(42.9%) > 土壤氮(28.6%) > 有機肥(19.2%) > 大氣沉降(9.3%)。由于該時期是甘蔗整個生長時期的伸長期，對氮素需求量最大，那辣流域農民在施肥時多以撒施的方式為主，且因亞熱帶地區降雨量大，在降雨發生時極易產生地表徑流，因此撒施到地表的肥料極易被沖刷到徑流，導致化肥貢獻率達到最高。在枯水期，土壤氮(39.7%) > 化肥(37.6%) > 有機肥(15.3%) > 大氣沉降(7.4%)。在該時期土壤氮貢獻率達到最高，主要由于長期施用肥料導致氮素更多地儲存在土壤中。土壤氮的來源較復雜，包括長期施肥(主要來源)、土壤本身、蔗區蔗葉等還田，在本研究中，缺乏對土壤氮不同來源貢獻的仔細探究，因此在未來的研究中不容忽視。因蔗區大量施肥導致化肥、有機肥和土壤氮在枯水期和豐水期總平均貢獻達到91.7%，約占入河硝態氮貢獻總量的9/10。說明施肥對蔗區入河硝態氮的貢獻量較大，是影響水體富營養化的重要原因之一。因此，那辣流域應采取合理的施肥方式：豐水期應在雨后施肥，枯水期少施肥或不施肥；根據甘蔗不同生長期需肥量進行增施或減施，合理施肥；在坡高地區施肥時應用穴施，下坡平坦地塊使用撒施方式，以達到最優化肥管理的目的，從而有效地控制農業流域硝態氮入河污染。

圖7 不同時期入河硝態氮來源貢獻率Fig. 7 Source contribution rate of nitrate nitrogen entering the river in different periods

3.3 影響流域硝態氮肥料貢獻的主要因素

在豐水期和枯水期，降水入河硝態氮肥料貢獻率在時間和空間上隨施肥量而變化(圖8)。氮肥、有機肥施用量與入河硝態氮中化肥及有機肥貢獻率呈顯著正相關關系(P< 0.01、P< 0.01)。這與已有研究結果一致[39-41]。有學者對農業喀斯特地表河流系統中降雨驅動的硝態氮運移規律進行了研究，得出農田中直接施用化肥導致化肥直接被沖刷到徑流，進而通過地表徑流流入河流[42]。

圖8 入河硝態氮肥料貢獻率與施肥之間的關系Fig. 8 Relationship between input rate of nitrate nitrogen fertilizer and fertilization

4 結論

1)NH4+-N和DON濃度在枯水期高于豐水期，TDN、NO3--N濃度在豐水期顯著高于枯水期，空間上，豐水期和枯水期的TDN、NO3--N濃度呈現上游高、下游低的特點。

2)通過水體δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-組成可以判定，那辣流域水體NO3--N主要來源于化肥、有機肥及土壤氮。研究區域主要為硝化反應，反硝化不明顯。

3)基于SIAR模型計算入河硝態氮來源貢獻，在豐水期，化肥(42.9%) > 土壤氮(28.6%) > 有機肥(19.2%) > 大氣沉降(9.3%)；在枯水期，土壤氮(39.7%) > 化肥 (37.6%) > 有機肥 (15.3%) > 大氣沉降> (7.4%)。在豐水期和枯水期，化肥、有機肥和土壤氮的總平均貢獻達到91.7%，約占入河硝態氮貢獻總量的9/10。那辣流域豐水期和枯水期入河硝態氮肥料來源貢獻與施肥呈顯著正相關關系。其坡面施肥是水體硝態氮污染的主要來源，是造成蔗區流域面源污染的主要原因，其中，化肥對那辣流域硝態氮入河污染的貢獻率最大，是導致水體富營養化的主要驅動因素之一。那辣流域應采取合理的施肥方式：豐水期應在雨后施肥，枯水期少施肥或不施肥；根據甘蔗不同生長期需肥量進行增施或減施，合理施肥；在坡高地區施肥時應用穴施，下坡平坦地塊使用撒施方式。同時土壤氮對入河硝態氮貢獻也不容忽視，這是值得今后研究的問題。氮的循環導致同位素發生復雜的分餾作用，影響溯源結果的準確性，因此，在未來的研究中應考慮同位素分餾導致的污染源在河道遷移過程中的變化情況，并進一步對模型進行優化，以提高定量辨識硝態氮來源的精度。