氮是重要的生态系统生源要素之一，不但关系着人类粮食的供给，而且与地表环境和生态热点问题密切相关。由于活性氮在环境中的累积不断增加，使得生态系统面临着诸多环境问题，而河流氮迁移和转化是流域氮循环重要环节。河流是连接陆地和水生生态系统间物质输送的重要纽带，陆地向水体输送氮等营养盐，不仅与流域生态功能维持、水质管理、农业优化管理、其它生源要素循环(如C，S和P等)，而且可能使水质恶化，导致水体富营养化和生境恶化，以及同时与温室气体排放等密切相关。　　稳定同位素技术被认为是研究元素来源及其转化的有效手段，本研究在国内实验室率先成功实现了反硝化细菌法测试水体硝酸盐氮氧同位素，该方法具有需要水样量少，前处理化学试剂消耗少等优点。国内前期利用双同位素法研究硝酸盐来源主要集中在我国南方的部分河流，本研究在前人的研究基础上选取了不同尺度河流为对象展开对硝酸盐的来源及转化进行相关研究，包括我国北方的松花江，辽河，黄河三大河流，同时选取西南典型农业区小流域(普定后寨河流域)对氮的季节转化过程及反硝化做了相关研究，并采集了雨水进行测试来辅助判断其硝酸盐同位素与地表水体中硝酸盐同位素差别。通过对流域水溶性含氮化合物浓度及同位素分析，水体氢氧同位素分析，探讨了流域内主要河流氮的来源及转化过程，并估算流域氮输出通量，得到以下主要认识。　　1、利用我们建立的实验流程和Trace Gas Pre-concentrator-Isoprime系统可以满足对地表大多数水样的测试。如利用致金色假单胞菌(P.aureofaciens ATCC13985)反硝化作用富集N2O、分离等前处理。通过对不同样品用量进行测试分析，样品浓度大小仪器信号及测试稳定性等方面的综合考虑，50 nmol NO3-样品较利于操作和计算。经5-10天培养后的反硝化细菌离心浓缩5倍，吸取入3mL菌液于顶空瓶内，密封后利用高纯氮气吹扫3h以上，通过对样品及标准的测试结果表明标准偏差大多数好于0.3‰，与国际类似研究结果相近，可满足地表水体样品分析要求。　　2、松花江流域内各主要河流间水溶性含氮化合物浓度及其同位素组成存在较为明显的空间差异，其中嫩江及其支流含氮化合物浓度较低且主要以溶解性有机氮为主。松花江及第二松花江流域内植被覆盖，土地利用及人为活动可能是影响硝酸盐浓度存在空间差异的主要因素，河流中含氮化合物主要以硝酸根和溶解性有机氮为主。河流中硝酸盐同位素组成受到硝化作用，混合作用及一定程度反硝化作用的影响。丰水期土壤有机氮是流域硝酸根主要的来源，特别是在嫩江流域。化肥和污水是松花江和第二松花江硝酸根另外的两个主要贡献者。枯水期硝酸根主要来源于土壤有机氮和污水的混入。辽河流域内主要河流含氮化合物浓度存在明显的差异，其中丰水期含氮化合物浓度较高，枯水期NH4+浓度及NH4+/DIN值明显升高，表明流域水质已经受到来了氮污染的影响，其氮氧同位素特征与松花江类似，硝酸盐主要来源于污水和有机质。海河流域天津段地表水体水样中无机氮形态以硝氮为主要的无机氮形态;部分水样以铵氮为主要形态，其中靠近市区周边的河流、以及市区排污河的铵氮污染较重，通过对市区周边河流及市区排污河水样同位素值分析表明，污水的排放是影响水质的重要因素。　　3、黄河流域内主要河流丰水期硝酸根浓度在上游相对较低，沿途受人为活动的影响浓度不断升高，中游受不同支流影响波动较大，下游支流较少硝酸盐波动较小。枯水期干流及支流水体硝酸盐浓度较丰水期略高，且中游浓度较下游略高。丰水期δ15N-NO3-值集中在+6‰-+8‰，枯水期δ15N-NO3-值较丰水期有较高值范围，90％样品主要集中在+6‰-+10‰的范围内。由同位素取值可判断水体硝酸盐主要来自硝化作用，干流除M15受水利设施的影响表现出较为明显反硝化作用外，其它水样无明显反硝化作用发生的同位素证据。上游农业活动较弱，河流硝酸盐以土壤有机氮来源为主，中游灌溉区化肥经硝化作用形成的硝酸盐影响了干流硝酸盐同位素组成，该段硝酸盐同位素组成是土壤有机氮和化肥混合作用的结果。中游峡谷区，支流多且流经地区水土流失严重，土壤有机氮的输入对水体硝酸盐的贡献较大且干流沿程受人为活动的影响较大，硝酸盐主要来源于土壤有机氮和污水。下游城镇生活生产废水的输入，可能是下游水体硝酸根主要来源。枯水期化肥来源和土壤有机氮的来源对河水中硝酸盐的贡献相对较少。　　4、综合流量和流域内降水里的季节变化规律对流域氮输出通量进行估算，不考虑河流氮浓度和流量年季变化的不确定性，由计算得出黄河氮输出通量为23.33×104T/yr;辽河氮输出总量约为6.99×104T/yr;松花江氮输出总量约为11.67×104T/yr;海河氮输出总量约为7.00×104T/yr。七大河流每年氮输出通量约占化肥使用量的比例呈现明显的南北差异，平均值为6.8％。对流域内陆地氮通量的认识有助于对流域内氮素进行科学管理，据估算我国长江流域、黄河、珠江、松花江、辽河、海河、淮河七大流域陆地氮通量分别为85.45 kg/(hm2*yr)、59.76kg/(hm2*yr)、88.63 kg/(hm2*yr)、52.54kg/(hm2*yr)、115.07kg/(hm2*yr)、157.32kg/(hm2*yr)、218.41 kg/(hm2*yr)，淮河水体中有较高的氮负荷，当然这主要受土地利用和人口分布等影响。　　5、已有的研究表明降雨在局部地区有可能是地表水体中硝酸盐重要来源，本研究选取贵阳对雨水进行了不同月份采样，分析降水中硝酸盐的同位素组成。降水中δ15N-NO3-值范围为-6.8‰-+3.3‰，均值-2.2‰(n=32)，δ18O-NO3-值在+27.9‰-+81.7‰，均值+61.1‰(n=32)。降水中δ15N-NH4+值范围为-17.9‰-+6.0‰，均值-8.3‰(n=46)，δ15N-NH4+可能受到降雨量的影响，降雨量较大的降水事件中铵根同位素明显偏低，同位素组成较正的铵根降雨量较小。其降雨中氮形态同位素取值与前人研究类似，同时与本研究中的河水和地表水进行比较表明，由于受光化学过程的影响降雨硝酸盐氮同位素均低于地表水体，而氧同位素值大多远远高于地表水体，同位素证据直观表明降雨中的氮对地表水体的直接贡献较小。　　6、针对大尺度流域的研究工作很重要，然而氮源的复杂性使得难以准确识别河流/流域中的氮生物地球化学循环过程，因此本研究同时选取了普定后寨河小流域为研究对象，进行了面上和断面月度采样分析，结果表明地表地下系统总出口硝酸根浓度在丰水期6月份出现峰值，原因与肥料的使用及降水的影响相关。所有样品中δ15N值未有低于2.0‰，表明化肥从土壤到水体传输过程中受生物地球化学作用的影响。枯水期硝酸盐氮同位素与挥发作用和硝化作用有关，管道流中反硝化作用不明显。流域内多洼地，硝酸盐在土壤中存留时间相对管道较长，且土壤中有机质含量较高，土壤可能是流域反硝化作用的主要场所。在较小流域其氮源相对单一，总出口硝酸盐浓度和同位素都有较强的月度变化，挥发作用及反硝化是重要的影响因素。运用同位素方法估算因反硝化作用损失的硝酸盐在0％-46.7％范围内，枯水期和丰水期反硝化平均比率分别为21.5％和20.2％。流域硝酸盐总输出约为2.17×105 kg-N/yr(2.68×103 kg-N/km2/yr)，约占化肥总量的32.3％，流域硝酸盐输出通量存在季节差异，丰水期输出通量约是枯水期输出通量的5.5倍，这说明丰水期氮的流失显著，这应与雨季不恰当农业施肥时间和降雨事件有关，在农业实践管理中应当考虑这一问题从而减少经济损失和降低环境压力。　　总的而言，北方河流丰水期硝酸盐氮氧同位素分布范围广，硝酸盐主要来源于土壤氮硝化和其它来源的多种混合，枯水期氮氧同位素分布范围窄，污水贡献较大，同时同位素证据表明反硝化作用在河流水体中表现不强烈。小流域氮季节变化明显，喀斯特小流域氮流失较严重，氮随水体输出达到流域内化肥施用量的1/3左右。综合对大流域和小流域中氮循环可以看出，氮的来源主要受到施肥和污水排放等人为活动的控制，自然因素诸如降雨的季节差异，土地利用方式等对氮的迁移转化起到制约作用。