氮素循环是湿地生态系统中重要的生源要素循环之一。河流是湿地生态系统重要的组成部分,也是地球表层各个圈层的纽带。作为全球生源要素循环中陆地生态系统向海洋生态系统输送物质的一个重要通道,河流在很大程度上影响了河口及近海海域的初级生产力以及氮负荷程度。氮素是河流重要的初级生产力限制性营养元素,随着工业文明的深入,人类活动造成的外源氮输入显著增加导致了水生生态系统富营养化进程的加剧。氮素在河流生态系统内部的迁移转化是整个生态系统物质循环的重要过程,有一部分以有机氮的形式保存成为河流生态系统的氮源或汇。本文在借鉴前人研究的基础上,试图借助氮稳定同位素技术研究天津海河流域的环境变化及其影响因素,探讨天津海河流域环境变化过程和有机氮同位素特征值之间的关系,从而揭示本流域中短时间尺度上的氮素迁移过程以及环境演变规律,为区域内河流湿地环境的保护与治理提供科学依据。由于河流悬浮物、表层沉积物、典型植物的氮同位素组成及其特征差异包含着流域重要的环境变化信息,所以揭示氮素生物地球化学循环的过程并在区域尺度上阐明其分布特征及环境意义具有重要的科学价值和现实意义。氮同位素组成不仅反映了不同物源的贡献,而且无机氮在吸收过程中的同位素分馏也会反馈到有机质的同位素组成中,体现的是物源信息和生物地球化学过程的综合。河流颗粒有机氮研究不但提供了氮循环的重要信息,也提供了流域内自然及人类活动的记录。河流颗粒有机质以及表层沉积物、植物的有机氮含量与河流氮稳定同位素分布特征可以揭示流域内环境现状与未来的变化趋势。本论文以稳定有机氮同位素(δ15N)技术为基础,对天津海河流域有机氮的同位素特征及其环境意义进行了研究。确立了一套完整的有机氮稳定同位素预处理与分析方法,运用该方法对2011年夏季天津地表水体表层悬浮颗粒物的δ15N特征、表层沉积物与植物的δ15N特征进行分析,根据不同采样区域内其δ15N值的变化研究河流生态系统中氮的迁移、转化等生物地球化学过程,阐明氮同位素分布特征所指示的氮素循环机制及环境意义。本次研究工作分析了天津地表水体59个悬浮颗粒物样品、44个植物样品和41个表层沉积物样品的有机氮稳定同位素组成及C/N比值的分布特征。研究发现样品有机质稳定氮同位素组成受一系列复杂的生物地球化学过程影响,并不能直接指示有机氮素的来源与组成,δ15N值的特征分布体现的是物源信息和生物地球化学过程的综合。从天津地表水体有机氮同位素分布特征来看,离散程度很高,该流域内δ15NPON与C/N的相关性不高(R2=0.016),这说明河流湿地水体有机氮的多源性明显,可能受到人为扰动的强烈作用。湿地的表层沉积物中含有大量的有机质,有机氮素是该部分有机质的重要组成成分。研究表明,表层沉积物中的有机氮主要受外源输入影响。水体中颗粒有机氮与浮水植物、表层沉积物中有机氮同位素相结合考虑将更加有效的反映水体中有机物质来源、迁移和变化的信息。植物体中的有机氮则受到水体、沉积物的叠加影响。以下列出本论文主要的研究结论：(1)天津地表水颗粒态有机质氮同位素均值较高：受外源人为活动产生的污水影响较为明显。天津地表水体δ15NPON值与C/N比值具有低度相关性(R2=0.016)。说明δ15PON受到强烈微生物活动的影响发生改变。河流有机C/N比值特征范围(C/N：3.7～10.2)基本介于微生物与浮游植物特征范围内,说明浮游生物有机体是悬浮颗粒有机氮主要组成成分,河流湿地有机氮素循环过程受生物活动影响深刻。(2)市区样品δ15NPON多数大于20‰,受城市生活污水排放的影响深刻；大部分农业区样品δ15NPON较低,δ15NPON均值低于10‰,此类低δ15NPON样品可能受农业活动影响,主要受外源输入和硝化作用影响；水库δ15NPON值均低于15‰,体现了一定的内源性特征,即藻类、浮游生物、微生物的贡献明显。(3)有机颗粒物进行硝化反应引起的δ15N降低比矿化作用引起的δ15N升高作用下更加明显,因此表现为δ15NPON降低,但并不影响C/N值。本次研究中农业区域水体有机颗粒氮样品低δ15NPON值的主要原因可能由于硝化作用与外源输入造成δ15NPON值较低的重要原因。(4)有机氮主要来源于水体自身的浮游植物和城市污水排放有机颗粒物,流域内土壤侵蚀释放的有机氮贡献比例较小。天津地表水端元大致分为污水端元和富营养静水水体两大类。(5)天津地表水体δ15NPON值与TN含量相关性极低(R2=0.0073);δ15NPON与NO3-含量具有一定弱正相关关系(R2=0.077),说明有机体的δ15N值倾向于水体中无机氮的同位素值。δ15NPON与δ13POC含量间具有低度的正相关关系,说明悬浮颗粒有机质受微生物活动转化的影响显著。(6)天津河流湿地挺水植物(主要为芦苇)有机氮δ15N值介于3.32‰～19.89‰之间,平均11.03‰；挺水植物C/N比值范围为：5.55～23.06,平均为14.93。挺水植物有机质高δ15N值主要原因可能为挺水植物对DIN的同化吸收作用,与水体环境中高δ15N值的本底浓度关系密切,外源氮输入的贡献占优势且主要受物源影响。(7)天津河流湿地浮水植物(主要为水草)有机氮δ15N值介于4.77‰～22.55‰之间,平均14.2‰；浮水植物C/N比值范围为：5.60～14.54,平均为9.45。浮水植物δ15N值与δ15NPON值高度正相关,R2=0.54。浮水植物具有较高的δ15N值原因是来自水体的高δ15N值,通过植物体的同化吸收作用在有机体中积累。(8)天津地表水体表层沉积物有机氮δ15N值介于2.25‰～12.92‰之间,平均7.42‰。表层沉积物有机C/N比值：6.43～22.04。天津河流表层沉积物基本上是保守的土壤有机质与陆源有机质二元混合过程的结果,区域内植物的贡献较小。天津河流表层沉积物有机氮同位素分布特征具有与太湖表层沉积物有机氮同位素分布相类似的特征,即天津河流湿地具有“半湖泊”特性。δ15Np与表层沉积物δ155N,两者具有一定的正相关关系,R2=0.0598。沉积物有机质的矿化分解过程和反硝化过程分馏作用引起δ15N值的升高。