氮氧同位素在河流硝酸盐研究中的应用

第22卷　第12期2007年12月地球科学进展A DVAN CE S I N E AR T H S C I E N C EV o l.22　N o.12D e c.，2007文章编号：1001-8166（2007）12-1251-07氮氧同位素在河流硝酸盐研究中的应用*陈法锦1，2，李学辉3，贾国东1（1.中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室，广东　广州　510640；2.中国科学院研究生院，北京　100039；3.神华乌海煤焦化有限责任公司项目研发中心，内蒙古　乌海　016000）摘　要：多年来，世界各地河流普遍存在硝酸盐污染问题。

为控制河流的硝酸盐污染，确定河水中硝酸盐的来源以及研究氮的循环过程就显得尤为重要。

由于在不同成因下，硝酸盐的δ15N和δ18O 存在着较大差异，因此利用氮、氧同位素方法研究河流硝酸盐问题正日益受到国内外研究人员的重视。

综述了用硝酸盐中氮、氧同位素来研究河流硝酸盐的不同来源（大气沉降、化肥、牲畜粪、土壤硝酸盐等）和示踪其地球化学循环过程，特别是反硝化过程，这两方面的研究进展，并对我国河流硝酸盐研究现状进行了讨论及提出今后的研究方向。

关　键　词：河流；硝酸盐；氮同位素；氧同位素中图分类号：P332.7 文献标识码：A 随着工农业生产的迅速发展，大江大河的营养元素氮、磷的含量有升高的趋势。

氮、磷的流失，不仅影响河水的水质，而且对河口及近海环境造成很大的影响。

我国长江口及其邻近海域生态环境参数的背景值（20世纪50～60年代）和现状值（1997—2003年）的比较显示，长江向长江口海域输送总氮和总磷通量持续增大［1］；2002年的研究结果显示，珠江口海域的溶解无机氮（D I N）含量普遍超过0.30 m g /L的国家二类海水水质标准，大部分水域D I N＞0.50m g /L的四类海水水质标准［2］。

这些无疑是20世纪80年代以来导致长江口、珠江口海域赤潮频发的重要原因。

美国密西西比河的硝酸盐含量和输入墨西哥湾的通量自1965年以来已经升高3倍，如今每年的输出量达1600万吨氮，从而导致了墨西哥湾的严重富营养化和湾内面积＞10000k m2的季节性水下缺氧层［3，4］。

这些已引起各国政府和学术界的高度重视，积极研究和采取措施控制污染。

为控制河流的硝酸盐污染，确定河水中硝酸盐的来源以及研究氮的循环过程显得尤为重要。

判断硝酸盐污染源的方法中，最简单和传统的方法是通过调查污染区的土地利用类型并结合水化学特征分析辨明污染源。

但硝酸盐来源的多样性，点源和非点源的混合出现以及氮循环中复杂的物理、化学作用、生物转化过程，使得这一传统的方法得到的结果较为粗糙。

为此，国内外研究者相继应用硝酸盐氮氧同位素方法来研究河流中硝酸盐的来源和循环过程。

本文在此就这方面的研究现状和发展方向作一简单介绍。

1　硝酸盐同位素测试预处理方法的发展目前，硝酸盐的氮氧同位素分析，主要以N2和C O2为测定对象进行质谱分析，方法通常包括转化、纯化和质谱测定3个步骤，转化和纯化属于预处理。

由于硝酸盐是有氧环境中最稳定的含氮化合物，传统的预处理方法是通过K j e l d a hl反应将硝酸盐转化为铵盐［5，6］，然后转化为N2进行质谱分析。

曾经使用下列方法将铵转化为N2：①直接燃烧干涸的铵盐［7］；②铵蒸汽与次溴酸盐溶液进行氧化反应［5，6］或沸石与铵盐燃烧［8］，产生的N2通过密封的铜/氧化铜炉进行纯化；③将铵盐慢慢蒸馏到酸*　收稿日期：2007-07-04；修回日期：2007-11-13.*基金项目：广东省自然科学基金项目“珠江水体中硝酸盐的氮氧同位素研究”（编号：04002136）资助.　作者简介：陈法锦（1981-），男，广东湛江人，博士研究生，主要从事生物地球化学研究. E-m a i l：c h e nf j04＠y a h o o. c o m性溶液或蒸馏到酸性滤纸上，然后按上述方法燃烧反应生成N ［9，10］2。

但是，上述方法存在着很多缺点：①需要大量的操作时间，且不能在野外进行；②取样量大；③ K j e l - d a hl 蒸馏设备主要由硼硅酸盐等普通玻璃制成，这些玻璃对N H ＋4有较好的亲和性，蒸馏时容易吸附N H ＋4，因而容易引起交叉污染［11］；④由于样品中含有碱金属，尤其是N a ，在用石英管燃烧样品时，石英管常被炸裂［12］。

A m b e r ge r 等［13］首创了可靠的硝酸盐中氧同位素的测定，将样品中的硝酸盐转化成硝酸钾，然后与H g C N 反应生成C O 2来测定硝酸盐中的氧同位素，但 H g C N 有剧毒且C O 2产量低。

W a ss e n aa r ［14］通过室内试验发现，用A g C N 代替 H g C N 作为还原介质，不仅避免H g 在燃烧时释放进入高度真空的制样系统，而且产生的C O 2转化量提高到90％ ～100％，精确度也提高到±0.3％。

近年， S il v a 发展出一种N O －3中氮氧同位素的新预处理方法及焊封管燃烧法测定氮氧同位素技术，新预处理方法采用阴离子交换树脂取样，将样品中的硝酸盐转化成硝酸银，冷冻干燥之后，将硝酸银与石墨加入到焊封管燃烧制备出N 2，这样制备出的N 2不需纯化，直接在质谱计上进行同位素的测定。

氧同位素在测定前要除掉含氧成分（硫酸根、磷酸根、溶解性 D O C ），然后用焊封管法制备的C O 2进行质谱测定［12］。

S il ve r 的方法主要的优点：①消除了从野外运输大体积水样到实验室处理；②消除了过去对测定氮和氧时的独立处理；③相比与 k j e l d a hl 蒸馏法，这种方法减少了样品的实验室预处理的时间［15］；④相对于以前 A m b e r ge r 用到 H g C N 的方法，这种方法避免了使用毒性高的化学试剂［13］；⑤氮氧同位素测试精度高，氧同位素精确度为±0.5‰，氮同位素精确度为±0.05‰［12］。

另外，有研究者用细菌反硝化作为硝酸盐同位素测定的预处理方法。

它的基本原理是：将缺乏N 2O 活性酶的反硝化细菌加入天然浓度硝酸盐的水样中，反硝化细菌将水中硝酸盐全部转化成N 2O 气体，然后将分离纯化出来的N 2O 气体直接送入气体质谱仪测试氮同位素组成。

该方法优点有：所需水样量小；减小了低浓度硝酸盐水样因富集产生的相应的本底富集增大；水样中硝酸盐的浓度可以很低（1μ m o l / L ）；可以同时测试硝酸盐中氧同位素组成［16，17］。

2　氮循环中的氮氧同位素变化水中的氮主要以N 2、N H ＋4、N O －3、N O －2和有机氮等几种形式存在，这些不同存在形式之间的转化过程就构成了复杂的氮循环过程（图1）。

图1　氮生物地球化学循环F i g.1 T h e b i og e o c h e m i c al c y c l i n g o f n i t r oge n固氮作用（主要是图1中步骤1）包括微生物固氮、闪电作用、人类活动。

固氮作用是所有生物所需氮的最初来源。

研究表明固氮作用引起的氮同位素分馏比较微弱，范围在－3‰～＋1‰［18］。

矿化作用（图1中步骤5）有时也叫氨化作用。

通常只引起土壤有机物和土壤N H ＋4很小的分馏（－1‰）［19］。

同化作用（图1中步骤2、4）过程中由于更倾向于优先利用14N ，从而导致氮同位素的分馏。

实验研究表明水体中藻类的同化作用能引起大范围的氮同位素分馏（－27‰～0‰），同时，同化作用也能导致硝酸盐中氧的分馏，但分馏的程度目前还不能确定［18］。

硝化作用（图1中步骤3）是在氧化条件下（E h＞300 mV ），在硝化细菌的参与下N H ＋4被氧化成N O －3的过程。

硝化作用将铵转化成的硝酸盐氮同位素比剩余的铵的氮同位素轻。

反硝化作用（图1中步骤6）中14N 优先被还原，伴随着系统中硝酸盐含量的降低，残留的N O －3则相对富集15N 。

此外，反硝化作用也能引起剩余N O －3中18O 同位素的富集［5］。

总之，生物体总是倾向于利用较轻的同位素（14N ），所以几乎所有由生物作用生成的物质同位素都比本源的同位素轻。

3　河流中硝酸盐氮、氧同位素研究河流硝酸盐的潜在污染源可分为天然硝酸盐和非天然硝酸盐两种。

前者来源于天然有机氮的降解和硝化作用，后者则与人、畜粪便，人造化肥和污水2521 地球科学进展 第22卷等人类活动密切相关。

3.1　硝酸盐来源的判断运用硝酸盐的δ15N进行氮的来源和转化的研究已经有30多年的历史，最早的文献之一曾运用化肥和土壤δ15N的不同估算出一条流经农业区的河流中的硝酸盐有55％来源于化肥［21］。

但该结果后来受到质疑，因为该工作未考虑氮的转化过程对δ15N的可能影响。

后来研究者发现不同来源硝酸盐的N同位素可能重叠在一起，单独使用氮同位素不容易区分开，并且不能很好的区别反硝化的发生程度。

因此氮、氧同位素方法受到了国内外研究者的重视。

经过大量研究，基本上已经确定硝酸盐的潜在来源的同位素范围（表1）［13，22～25］。

表1　硝酸盐潜在来源的同位素范围T a b l e1　R ang e s o f i s o t o p i c co m p o s i t i o n s ofp o t e n t i al s ou rce s o f n i t r a t e硝酸盐来源硝酸盐δ15O（‰）硝酸盐δ15N（‰）大气硝酸盐23～75－10～9硝酸盐肥料18～24－5～5铵肥－5～7－5～0牲畜粪－5～710～20家禽粪肥－5～77.9～8.6氮素固定者－5～70～2土壤硝酸盐－5～70～17未开垦土壤－5～72～5但由于自然条件、植被和土壤类型、工农业发展状况等在全球范围内存在一定差异，相同成因的硝酸盐中的同位素也会存在地区性差异。

存在最大差异的是不同地区大气硝酸盐的氧同位素，德国B a-v a r i a森林的雨水的硝酸盐氧同位素范围是＋55‰～＋75‰［26，27］，然而美国3个U S G S研究地区雨水、降雪、积雪的硝酸盐氧同位素范围是＋18‰～＋70‰，均值为＋45‰±15‰［28］。

德国西北部森林的62个雨水硝酸盐样品的范围是＋23‰～＋58‰，均值为36‰±9‰，加拿大中东部的范围则是＋28‰±51‰［29］。

目前，由于大气硝酸盐氧同位素的研究还没有广泛开展，研究者还不能解释大气硝酸盐氧同位素的地区性差异及其原因。

另外，不同环境下同一成因的硝酸盐同位素也会存在差异，如一般化肥氮的δ15N值变化范围为－5‰～5‰，平均值为0左右。

长期施用化肥的美国德克萨斯州某冲积扇土壤中N O－3的δ15N值变化范围为＋2‰～＋14‰，平均值为＋8.8‰［30］，这可能与施化肥过程中不同程度地发生氨的挥发有关。