基于氮氧同位素的喀斯特水库水体硝酸盐来源与估算研究 ——以平寨水库为例

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硝酸盐作为含氮污染物的主要形式,其来源及浓度对于水体质量的好坏具有极其重要的影响。平寨水库为黔中水利枢纽工程唯一源头水库,其水质安全对于促进经济社会可持续发展具有重要作用,探明其水体氮素间的迁移转化规律、硝酸盐来源及各来源的贡献率具有重要的现实意义。研究以黔中水利枢纽工程水源区的平寨水库作为研究区,采集2020年11月(秋季)、2021年1月(冬季)、2021年4月(春季)和2021年7月(夏季)的水样数据,测定水体主要理化因子、各氮素形态浓度、硝酸盐氮氧同位素等指标。利用空间插值方法探明平寨水库水体不同氮素形态时空变化特征,运用相关性分析探明氮素形态及其与环境因子的相互影响和制约关系,利用氮氧双同位素溯源技术,识别平寨水库水体潜在的主要硝酸盐来源,然后结合稳定同位素混合模型(SIAR),计算出平寨水库水体中各硝酸盐来源端元的贡献率。主要结论如下:(1)平寨水库水体理化因子具有明显的分异特征,WT表现为夏高冬低;DO浓度较高,总体上处于好氧环境;p H值在春季和夏季较高,冬季和春季较低,水体总体呈弱碱性;水体EC浓度在春季最高、夏季最低。氮素浓度方面,TN浓度偏高;DTN的浓度与TN相差不大,季节上夏季最高、春季和冬季次之、秋季最低。DON浓度总体上表现为夏季>冬季>春季>秋季。NO3--N是平寨水库中溶解无机氮的主要存在形态,NH3-N和NO2--N浓度均较低。(2)氮素形态与环境因子的相关分析结果显示,冬季p H与NO3--N呈显著性负相关,p H一定程度的降低有利于硝化作用,此时有机质不断分解并且藻类细胞自溶会使DON以NH3-N的形式释放到水中,内源释放形式对冬季期间水体氮素形态和浓度产生了一定影响。夏季期间WT和DO状况处于硝化细菌和氨化细菌生长的适宜条件,硝化过程需要消耗DO,因此TN浓度的升高会使得水体中DO浓度下降,但是平寨水库DO与TN、DTN浓度呈正相关关系,说明夏季期间降水量产生的地表径流携带了大量营养物质进入水体,使得外源输入占据主要地位。(3)入库河流以及库区水δ15N-NO3-值为春季>冬季>夏季>秋季,δ18O-NO3-值为夏季>秋季>春季>冬季。硝酸盐浓度及氮氧同位素值域范围变化较大表明硝酸盐很可能有多种来源,在秋季,土壤有机氮和铵态氮肥料是水体中硝酸盐的主要来源。在冬季和春季,水体硝酸盐主要来源为生活污水和牲畜粪便。夏季水体硝酸盐氮氧同位素多分布在硝态氮肥端元,指示了这种来源的可能性。(4)水体各项理化指标特征均指示氮的迁移转化过程主要受硝化作用的影响。SIAR计算结果表明,秋季,化学肥料占53%,土壤有机氮以及生活污水和牲畜粪便分别为31%和16%。冬季和春季,生活污水和牲畜粪便分别为48%和46%,土壤有机氮分别为29%和33%,化学肥料分别为23%和21%。夏季,化学肥料为35%,生活污水和牲畜粪便为33%,土壤有机氮是32%。
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