地表水硝酸盐污染影响因素的研究进展

李发东，冷佩芳，张秋英，李艳红，何新林

（1中国科学院地理科学与资源研究所/生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101；2新疆师范大学地理科学与旅游学院/新疆维吾尔自治区重点实验室/新疆干旱区湖泊环境与资源实验室,新疆 乌鲁木齐830054；3石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子，832003；4中国科学院大学资源与环境学院,北京 100190）

地表水硝酸盐污染影响因素的研究进展

李发东1,2,4，冷佩芳1,4，张秋英2，李艳红2，何新林3

（1中国科学院地理科学与资源研究所/生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101；2新疆师范大学地理科学与旅游学院/新疆维吾尔自治区重点实验室/新疆干旱区湖泊环境与资源实验室,新疆 乌鲁木齐830054；3石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子，832003；4中国科学院大学资源与环境学院,北京 100190）

地表水的硝酸盐污染已成为全球备受关注的环境问题。本文系统总结了地表水硝酸盐污染的主要来源，影响硝酸盐迁移转化的气候、水文过程及土地利用等主要因素，阐述了硝酸盐污染研究的最新进展，如高频采样测试技术，稳定同位素分析方法等，最后提出了时间和空间尺度化、模型模拟、基于过程的管理等方面是今后硝酸盐污染研究的发展方向。

硝酸盐；地表水；来源；同位素；进展

水体中硝酸盐污染是全球性的环境问题[1]。世界范围内的河流中接近70%的氮是溶解性有机氮(DON)[2]，但实验显示其生物可利用度只有 2%-16%[3]，硝酸盐是进入水环境中无机氮的主要成分，它来源于硝化作用及化肥，可通过反硝化作用成为气态氮，也可被生物迅速利用[4]，在少数情况下，还可在还原环境通过氨化作用形成铵盐[5]。

过量的硝酸盐不仅使人体健康受到威胁，还会使水生态系统退化并导致水体富营养化[6]。在饮用水中，硝酸盐的浓度过高会致使婴儿患高铁血红蛋白症[7]，并增加人体包括胃、结肠、膀胱、淋巴、造血系统等器官系统癌变的可能[8]，增加自然流产、糖尿病、甲状腺疾病的风险[9]。鉴于硝酸盐对人体健康造成的影响，世界卫生组织 (World Health Organization, WHO)于1970年推荐饮用水中硝酸盐浓度的上限为50 mg/L(11.3 mg/L NO3--N)，欧盟也于1998年颁布标准规定供人类使用的水中硝酸盐浓度上限为 50 mg/L，目前美国标准和WHO的硝酸盐“指导值”为45 mg/L(10 mg/L NO3--N)，我国在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002） 和《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中同时规定硝酸盐（以N计）的限值为10 mg/L。

地表水是大陆和海洋氮库连接的重要通道，通过河流向海洋系统输入营养物质的不断增加是影响全球水质变化和生物多样性的关键因素（图1）。与工业革命前相比，人类活动所导致的全球陆地氮负荷显著增加。人为固氮量翻了一个数量级，而自然固氮量明显下降。大量氮素进入水体将对河流、湖泊、近海环境产生巨大影响，如藻类与水生植物的大量生长、鱼类及其栖息地的减少、臭味的产生、溶解氧的消耗等，使这些水体被人类利用的处理成本增加。

为有效控制地表水体中硝酸盐污染，正确识别硝酸盐来源，把握其迁移转化机理将对水环境规划管理及近海污染的控制具有重要作用。

图1 全球活性氮传输变化[10])Fig.1 Global active nitrogen transfer

1 地表水中硝酸盐的主要来源

地表水中硝酸盐来源复杂多样，根据Novotny和Olem[11]的划分，可分为点源和非点源二大类，也有学者建议再分为连续性与非连续性的来源[12]。

1.1 点源污染

1.1.1 连续性的点源污染

连续的点源污染包括水产养殖[13]、禽畜集中养殖、以及污水处理厂正常情况(即无降水情况)下的排放。中国是全世界最大的渔业国家，而氨氮是水产养殖生物产生的最基本的含氮废物。Ackefors和Enell[14]估算生产 1 t鱼类每年将有9.5 kg P及78 kg N被释放到水体中。由图2可知：我国的水产品产量从1980年开始不断上升，由此产生的含氮物质的量不容忽视。而随着人口剧增，人类对禽畜的需求量也不断增加。集中养殖的禽畜场地在遇暴雨冲刷时，大量的氮素会随着径流直接进入土壤以及水体。我国全年禽畜粪便的氮素总量约为16亿 t，还田利用氮素量占50%，15%的氮素通过挥发作用进入大气，13%的氮素堆置废弃，流失总量高达7.8×105万t[15]。在城市地区，市政污水与工业废水对受纳水体贡献了主要的营养物负荷。污水处理厂有着相对恒定的流量与总氮浓度。有研究者认为，污水处理厂出水所造成的营养物负荷通常强于非点源来源[16]。

图2 我国1980年以来水产品产量、化肥施用量、城镇污水排放量、城镇污水处理率、当量猪年出栏量变化Fig.2 Variation of aquacultural yield,fertilize application,drainage from city,Urban sewage treatment,and equivalent annual pig slaughter in China since 1980

1.1.2 非连续性的点源污染

非连续性的点源污染包括在降水事件发生时或污水处理厂发生故障时的越流排水、动物在横跨溪流或河流的过程中偶然的排泄[17]。有研究[17]表明：使用粪便指标细菌Escherichia coli指示水体当中营养物质的含量，当牛群集中过溪时水体中污染物浓度有瞬间的上升。在降水事件发生时，污水的排放量超过了污水处理厂的处理能力，就会将被雨水稀释的溢出污水直接排放[18-19]。在Brombach等[20]的研究中，现场采集到的雨水样品的污染程度与污水并无差异，这意味着雨水受到的污染也相当严重，也需要处理。

1.2 非点源污染

1.2.1 连续性的非点源污染

连续性的非点源污染包括大气干沉降、市政处理设施与管道渗漏、垃圾填埋场渗漏以及再生水使用等。

（1）大气沉降是源于人类活动的无机氮累积进入陆地生态系统的主要途径[21]，也是地表水中有机氮与无机氮重要的非点源来源[22]。氨的排放主要源于动物废物与合成化肥的挥发，生物质的燃烧(包括森林火灾)、自然植物与农业作物生长时的土壤损失、人类排泄物与化石燃料的燃烧[23]。大气干沉降在没有降水事件时都在持续发生，并储存于土壤与河流当中。

（2）市政处理设施包括化粪池、坑厕等，这些设施所容纳的污水与管道渗漏的液体会携带大量营养物质渗入土壤甚至进入地下水中。Bernhardt等[18]发现，在干旱情况下这些系统的N负荷会被储存积累在土壤剖面。在潮湿及流道水力连通性较好的条件下，这些污染物将被释放到地下水中。

（3）硝酸盐由于具有很高的迁移率，很容易从土壤中淋溶渗出，而垃圾填埋场的渗滤与市政处理设施的渗漏机理相似，垃圾填埋场的防渗工程衬垫的完整性会随着使用时间的增加而下降，最直接的影响就是令周围地表水环境中的溶解氧浓度下降。

在我国用水紧张的大环境下，自2000年开始，大批城市开始发展建设市政污水的再生水系统来解决城市用水紧张的问题。根据建设部的报告，2008年，我国用于农业灌溉的再生水量为4.8×108m3，用于景观环境用水的量为5.6×108m3。再生水本身包含的氮、磷含量较高，农业灌溉、景观环境用水、地下水回灌等方式将使得大量营养盐重新进入环境当中，给生态环境造成影响[24]。

1.2.2 非连续性的非点源污染

非连续性的非点源污染包括化肥的使用、大气湿沉降等。

（1）我国自改革开放以来化肥的使用量不断增长，农作物化肥用量为330 kg/ha，远高于世界平均水平120 kg/ha，是美国的2.6倍，欧盟的2.5倍。化肥施用对粮食增产有着重大作用，但我国化肥的当季作物利用率却只有35%。在化肥投入量过度的情况下，养分的吸收效率下降、农田生态环境退化，未被吸收利用的化肥通过淋洗、反硝化、氨挥发等物理生物化学过程被释放到环境中。

（2）大气湿沉降的过程复杂，涉及雨滴、气体与气溶胶之间的相互作用。Liu等[25]发现，北京地区施肥后雨季的N沉降量占总量的80%。

图3 地表水硝酸盐主要来源Figure 3 Main sources of nitrate in surface water

点源、非点源和连续、非连续都是一个相对的概念，将N的来源进行区分的目的是根据其污染的特性解析其进入地表水的过程，并对污染源进行合理的管控。

虽然以硝酸盐为主要存在形式的来源较少，但大量的其他形态的氮 (特别是颗粒态有机氮以及溶解态的有机/无机氮)在径流中将通过矿化与硝化作用最终转化为易溶于水的硝酸盐存在于地表水当中（图3）。

2 造成地表水硝酸盐污染的主要因素

不同用地类型有着不同程度的人类活动、水文过程和污染物迁移转化机理。农业用地扩张、城市化等进程改变了土地利用进而影响水文过程。硝酸盐污染的主要来源通常取决于流域的地理位置、尺度大小、土地利用与水文。本文利用不同的影响因素对地表水硝酸盐污染进行划分，阐述不同影响条件下的污染特征。

表1 不同影响因素下的硝酸盐污染机制Tab.1 Mechanism of nitrate pollution influenced by multi-factors

2.1 气候因素

（1）降雨与流域的排水量有显著的相关关系[26]。暴雨冲刷会造成对土壤含硝酸盐颗粒物的侵蚀，这种侵蚀情况往往在土壤含水量较高、蒸发量小的情况下发生[26]，这与气候条件紧密相关。有数据显示湿润年份有更高的营养负荷[43]，因为营养负荷很大程度上取决于流域的排水量。在一些气候干旱的城郊，由于土壤中缺乏水力传输条件减少了植物对硝酸盐的吸收，加之土壤有机质(SOM)通过矿化作用使得土壤中残余无机氮的量上升年度硝酸盐滞留率可以达到年输入量的35%到85%[28-29]。而在有降雨发生时，土壤被重新润湿，降雨将土壤中的滞留氮淋洗出来进入径流[26]。而经历连续降水过程会使得土壤剖面的水分饱和，裸露的土壤蒸发量较小，溶解态与颗粒态硝酸盐损失的风险增高[27]。

（2）温度会影响控制硝化、反硝化、矿化作用的生物过程，还会影响蒸发。在寒冷的冬季，由于表层土壤的温度过低影响微生物活动，土壤中的硝化作用就会发生在更深层的土壤当中[30]。在气温较高的情况下，微生物活动强烈，在土壤溶液中硝酸盐的浓度就比较高。在旱季，高温会使得土壤有机氮的矿化速率增高，硝酸盐可利用程度提高。

2.2 水文过程

水文过程，包括流域的地表结构、地形与水文途径，是污染物迁移转化中重要的影响因素。有同位素研究结果表明[44]：降雨-径流事件中驱动硝酸盐滞留的机理主要是水力作用，而非生物地球化学作用。Legout等[45]的研究表明：地下水中溶质的输运并不是均匀的，不同的孔隙率使得溶质在传输的过程中存在不同的移动性，进而表现出地下水污染物的时空变化多样性[31]。

（1）流域的地形决定了地表径流的流速与汇聚。坡度越陡，溶解态与颗粒态硝酸盐的损失越多，土壤侵蚀也越严重[35]。而在流域中地形平坦的地方，径流的路线则由微地貌决定，这会影响影响物质在径流中的停留时间，而在地表径流中停留时间的增加会使得蒸发、渗透、微生物作用增多。

（2）土壤的结构也会影响水力特性。水流优先选择粘性土壤及粗颗粒土壤通过，粘性土壤能够传输90%以上的水分与硝酸盐进入深层，而粗颗粒土壤由于其孔隙率较大，硝酸盐的截留率低而更容易被浸出[46]。

2.3 土地利用

（1）在一些人类活动较少的源头与森林覆盖的流域，人类活动影响较小，硝酸盐输入主要来源于大气的沉降以及流域中氮转化。Curtis等[37]指出，森林覆盖的流域在高流量及融雪期间，水流中的硝酸盐几乎全部由大气沉降构成。

（2）在主要农区，硝酸盐的污染与化肥使用、耕地类型、种植制度、水管理结构等有关。

Qiu等[38]对美国的Yahara流域研究结果显示：地表水水质与耕地面积占比呈负相关，与森林、湿地与草地面积的占比呈正相关，这表明自然生长植物能够减轻营养物质带来的影响。

耕作方式会影响土壤的物理与生物特性[48]。耕地会改变土壤中空隙的连接，重组土壤基质，从而减少水分下渗，而汇入地表的径流则带走了农田当中的营养物质[41]。保护性耕作的方式是通过在土壤表面留下作物秸秆的方式减少雨水对土壤表面的侵蚀，地表径流速度的减慢，能够最低限度地减少对土壤结构与孔隙度的影响[40]，也具有更高的反硝化速率。

化肥的施用能增加土壤养分供应能力，但在降雨和灌溉时易产生流失，氮及其它无机盐类可随地表径流进入地面水或下渗，通过地表侧向运动排入水体。

农田中灌溉的合理性也会影响水体中营养物的控制，地表粗糙度的增加会使得水分下渗增多，与此同时减少灌溉水的水量与流速，将会减少土壤表层硝酸盐的损失[27]。

（3）在城市与乡镇地区，庭院种植与农田的污染机理类似。城市中不透水表面面积增多使得暴雨来临期间城市的地表径流骤增，减少了硝酸盐的滞留量[29]。研究[42，49]表明，在半湿润气候的城市中大气硝酸盐沉降、污水及感染性废物是城市地表水中的支配性来源[42]。研究表明[44]，雨洪期间通过径流作用，城市水域是重要的氮汇。

3 硝酸盐污染研究的最新进展

3.1 短时间尺度的研究——高频采样监测

（1）低频采样可以提供在营养物浓度空间分布上的时间积分信息，高频采样则为时间尺度的水文响应上的营养动力学提供依据。但低采样频率(每周或更长时间采样)不能捕捉到河流的生物地球化作用相联系的营养物质的骤然变化[50]。在降雨发生时，由于错过了其中间歇的最高与最低浓度，而导致污染物负荷估算存在很大的误差[50]。自动分析仪器的发展使得长期高采样频率获取河流的营养物浓度得以实现[51]，进一步解析地表水中溶解质浓度小尺度变化[52]。

（2）营养物浓度与流量的关系可以用来推断营养物质的来源是恒定污染源还与降水相关的污染源，并探讨其对河流的贡献[53]。若是恒定营养物输入占主导来源，河流将形成稀释曲线，即随着流量的增加浓度梯度为负；相反，如果河流中降水输入为主要来源，营养负荷与浓度将随着流量的增加而增加[54]。

低频采样可能只反应季节性污染物输入的特征，但高频采样所能观测到的时间尺度更小。高频的营养物浓度与流量关系在独立降水事件发生期间能观测到迟滞效应，即在暴雨水文曲线中涨水段与退水段营养物质浓度不同而围绕形成的环线。如果在涨水段营养物质浓度更高，在浓度/流量关系中就会出现顺时针环线，表明营养物质负荷被迅速转移至监测点；相反，如果退水段营养物质浓度更高则形成逆时针环线，表示河流中营养物质的传输过程较为缓慢[43]。这种方法有助于识别潜在污染源对河流的输入和河流营养物质传递对降水的响应，判断污染来源及其与监测点之间的距离[50]。

（3）Bowes等[54]从 2010年 1月到 2011年 12月对英格兰的River Enborne进行了以小时为采样间隔为期2年的监测活动，通过“浓度-流量”关系发现硝酸盐的负荷在绝大多数情况下主要由恒定污染源提供，主要来源于地下水和污水处理厂。冬季首次降水输入的污染来源是面源污染，之后冬季与春季降水的硝酸盐输入减少，表明流域中硝酸盐来源。在相对干燥的5-12月为顺时针环线，表明硝酸盐污染来源对降水事件的响应积极，污染源很快被转入水体中(图4)。而在11-1月，强降雨事件产生逆时针环线，显示转移缓慢、分散分布型的硝酸盐是主要污染来源。

Outram等[55]同样使用了迟滞环线方法发现，硝酸盐的迟滞回线通常都是逆时针环线，在退水段硝酸盐浓度的顶峰都大于降雨前的浓度。

图4 高频采样监测与逆时针迟滞环线Fig.4 High frequency sampling observation and anticlockwise hysteresis loop

3.2 来源解析与过程追踪研究——双同位素分析法

（1）硝酸盐的同位素组成是辨别地表水及地下水硝酸盐来源与硝酸盐循环过程的重要工具[56]。河流中硝酸盐的δ15N升高的原因主要是反硝化作用以及市政污水及动物粪便的输入[57]。合成化肥与氨肥都来自于大气中的 N2[58]，对 δ15N升高无贡献[59]，故降雨与化肥间的δ15N-NO3-无明显区别。土壤水中的δ15N通常与降水的δ15N相似[6]。

δ15N-NO3-对于辨别铵态氮肥、土壤有机氮和动物粪便来源的硝酸盐具有重要作用，δ18O-NO3-对于区别大气硝酸盐沉降来源的辨别更加有用。降水中的δ18O值通常较高，在+20‰-+80‰之间。双同位素的结合能够提供硝酸盐来源与潜在转化方面更加详细的信息[6]。

（2）为了辨别硝酸盐的具体来源，还可借助其他的方法与双同位素进行结合来判断硝酸盐的来源及其迁移转化过程。

在硝酸盐双同位素Kendall图中[56]，如果图中的δ15N-NO3-与δ18O-NO3-有显著相关关系，则表明可能有消耗硝酸盐的反应在发生，例如反硝化作用或是藻类和水生植物对硝酸盐的同化作用。这时硝酸盐作为反应物被消耗利用，在此过程中会发生同位素的分馏，引起剩余反应物中重同位素的增加，轻同位素就会在生成物中累积。反硝化过程会引起硝酸盐浓度的下降，同时伴随δ15N-NO3-和δ18O-NO3-的上升[6，60]。反硝化反应大都在溶解氧浓度较低（DO在0.1～2 mg/L之间）的情况下发生[61]。研究结果表明[62]：反硝化作为硝酸盐转化过程中的支配作用时，δ15N-NO3-与δ18O-NO3-之间呈正相关关系，且两者的比例关系一般在1.3∶1-2.1∶1。反硝化作用对δ15N-NO3-的富集作用很明显，但对δ18O-NO3-的改变不是很清晰，表明伴随反硝化作用发生时有一些与NO3-有关的其他反应发生。Osaka等[60]研究发现，在反硝化期间通过硝化反应新生成的NO3-具有很低的δ18O-NO3-值，将会影响相对应的整个体系中硝酸盐的δ18O值。

在各形态氮浓度与同位素值的关系中，反硝化反应则会令δ15N-NO3-值与硝酸盐浓度之间呈负相关的关系。根据瑞利等式

式（1）中：δs(t)、δs(0)是指底物在0和t时刻的同位素组成；δ0、δs是指底物在0和t时刻的浓度；ε 是富集因子。

式（1）适用于封闭系统中。

分馏系数

式（2）中：Rp是产物中重同位素与轻同位素的比值；Rs是底物中重同位素与轻同位素的比值。

硝酸盐的对数值应分别与δ15N-NO3-值和δ18ONO3-值呈线性相关。若与 δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-之间有显著的负线性相关,则表明反硝化在硝酸盐迁移转化过程中具有支配作用[63]。

（3）硝化反应是指NH4+被氧化为NO3-的过程。硝化反应的发生将会使氨氮的浓度下降，硝酸盐浓度随之上升。通常，硝化反应的速率与反硝化反应的速率相同或者较后者更高。新生成的NO3-中有1/3的氧来自大气的溶解氧，2/3的氧来自周围的水环境[59]，在氧合并的过程中则没有同位素的分馏。硝化生成的δ18O-NO3-则可以通过已知的大气δ18O-O2与水环境中的δ18O-H2O计算得知。硝化反应产生的δ18O

NO3-则的范围一般在-10‰-10‰之间[6]。如果测得的δ18O-NO3-值正好在计算得出的δ18O-NO3-范围内，则硝酸盐受硝化作用影响较大，如果不在计算范围之内，一种可能是硝化作用产生的硝酸盐与同位素组分受硝化作用影响的程度较小[63]，还有可能是由于土壤水的蒸发作用以及空气中氧气的呼吸作用致使δ18O值上升，此时相对应的情况为测得的δ18O-NO3-范围较计算值偏高[56]。特别是在夏天，高温会促进微生物的呼吸使得δ18O-O2富集。

（4）在硝化和反硝化过程中，都有N2O参与反应过程。N2O是反硝化作用的产物，也是整个硝化过程中的中间产物。有研究表明[64]，水中溶解性N2O中的2个N有很广泛的同位素范围，主要和生成途径不同有关。Koba等[65]研究了硝化反应和反硝化反应对N2O的贡献发现：δ15N-NO3-和δ15N-N2O有明显不同，在地下水中硝化反应是生成大量的N2O的主要过程。

（5）能够利用氨氮与硝酸盐之间的转化关系来确定氮的生物地球化学循环。δ15N-NH4+值与ln[c (NH4+)]之间的负相关关系说明，可能有硝化作用与生物同化作用在进行。为确定同化作用的强弱，可以借助颗粒有机物（POM）来进一步讨论植物对N的同化吸收作用。δ15N-POM与δ15N-NO3-之间的线性正相关关系表明，NO3-被植物同化吸收；δ15N-POM与δ15N-NH4+之间的线性正相关关系表明，NH4+的浓度减少，被植物同化吸收。在氨氮浓度较低时，浮游植物会优先利用氨氮，而在冬天氨氮浓度较高时，浮游植物的增殖会受到抑制，这时会利用硝酸盐来进行同化吸收[66]。

图5 基于氮氧双同位素法的硝酸盐来源与迁移转化识别Fig.5 Tracing the nitrate sources and transfering based on nitrogen and oxygen isotopes

（6）在双同位素法识别硝酸盐来源的基础上，还可将17O与双同位素法结合使用。氧的稳定同位素1 8 O和17O因大气沉降存在于硝酸盐中，是评估内部氮循环的天然示踪剂，这些同位素与土壤和水体中存在的微生物产生的氧有明显区别[67]。在本世纪初δ17O-NO3-的测量方法得到了发展，其特点在于δ17O值在运输过程、生化反应中都不会发生变化，但δ18O却会发生变化。因此 δ17O相较于正常的δ18O用于探测大气沉降来源的硝酸盐更加敏感可信。Costa等[68]使用δ17O-NO3-计算了大气沉降对土壤溶液中NO3-的直接贡献。Tsunogai等[69]利用δ17O量化大气沉降进入湖泊的沉降速率，湖水中的硝酸盐总量在观测期间下降，表明夏季大气沉降来源的硝酸盐迅速被同化吸收，而90%以上被同化的硝酸盐又会通过氮循环重新矿化形成硝酸盐。

在Kendall图中，市政污水与动物排泄物来源之间的双同位素划分是比较模糊的[56]，辅助的地理信息可以来帮助区分具体的来源，例如目标区域当中的土地利用特征[32]。Jin等[70]用双同位素法研究西湖流域得出：地表水硝酸盐主要来源于土壤N和化肥，其次来源于粪便；土壤N主要来源于森林，化肥与粪便来自附近茶园，与土地利用存在密切联系。Xing等[63]对黄土高原河流的研究发现，硝酸盐是流域中N最主要的存在形式。土地利用类型对N浓度有明显的影响，受煤矿影响的河流硝酸盐浓度较森林与农业为主采样区的浓度高一个数量级。在不同土地利用下，由于原始的 δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-值不同，最好将不同土地利用情况下的δ15N-NO3-与δ18O-NO3-的相关性分析分别。

（7）土壤有机质与动物排泄物存在的重叠区域可以通过微生物技术与δ13C区分。微生物技术主要是利用E.coli细菌检测数量来判断水体是否受到了动物排泄物的污染。土壤有机质是地下水与地表水中有机碳的主要来源之一，C3与C4植物由于不同的光合作用途径导致产生的有机碳的δ13C也不同。C3植物产生的δ13C-DOC在-24.2‰至-29.1‰之间，C4植物产生的δ13C-DOC在-9.3‰至-15.2‰之间[71]。

（8）水质的物理化学参数也会对反硝化、同化、稀释作用的效果及污染来源的判别有贡献。Cl-是理想的污水与粪肥输入和稀释作用的指示物质，其浓度只会随流量的变化而发生变化。通过NO3-与Cl-的比值可以辨别反硝化作用及同化作用在N去除过程中的效果。两者之间若存在正相关关系，表明稀释作用是硝酸盐浓度变化的主因，这样的情况常出现于丰水季及灌溉期，在此期间降雨与灌溉的稀释作用较强。化肥为主要来源的水体中NO3-/Cl-值很高，而污水中 Cl-浓度很高，所对应的 NO3-/Cl-比值较低。反硝化作用与同化作用发生时，NO3-/Cl-将随着NO3-浓度的升高而降低。水化学指标中，Na+主要来源于斜长石的溶解与市政污水的排放；K+来源于正长石的溶解与市政污水的排放；Cl-主要来源于工业废水与市政污水的输出、粪肥以及含氯矿物；SO42-的来源为降水、化肥与含硫矿物；NH4+有土壤氮、化肥、粪肥、降水、市政污水等多种来源。水体中Na+与Cl-之间呈显著正相关，则表明含氯矿物与市政污水是水体污染的主要来源。NO3-与SO42-表现出的相关性可能与(NH4)2SO4化肥的施用有关等。

（9）其他的同位素也能够帮助判定硝酸盐的来源，如δ11B等。B通常来源于化肥、粪肥及家用产品等[56]。B的同位素不会随着物理、化学、生物过程而变化，将δ11B与δ15N-NO3-和δ18O-NO3-相结合，可对NO3-来源的解析更加清晰[67]。

4 总结与展望

（1）硝酸盐污染在全球范围内引起了很大的关注，对其污染源进行识别，明确其在不同影响因素下的变化，借助先进的科学手段确定其污染机理，将会对科学有效地治理淡水系统中的硝酸盐污染提供很大支撑。

（2）本文概括阐述了全球氮循环的变化并对地表水中硝酸盐来源进行了划分；探讨了不同影响因素下硝酸盐污染的过程与机理；阐述了地表水硝酸盐污染研究的最新进展，包括提高采样时间精度高频采样以及双同位素法与其他方法联合解析硝酸盐来源与迁移转化过程的方法。

（3）硝酸盐的时间与空间尺度解析，结合水文学与地理学模型模拟与精度提升，以及基于硝酸盐过程的地表水精细化管理将是今后硝酸盐污染深入研究的重要方向。

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A review on the influence factors of Nitrate pollution in surface-water

Li Fadong1,2,4,Leng Peifang1,4,Zhang Qiuying2,Li Yanhong2,He Xinlin3
(1 Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling/Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China；2 College of Geographic Science and Tourism,Xinjiang Normal University/Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region/ Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Area,Urumqi Xinjiang,830054,China; 3 College of Water Conservancy＆ Architectural Engineering/Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation of Xinjiang Production＆ Construction Group Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China；4 College of Resources and Environment,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Nitrate contamination in surface water has aroused world wide attention.This paper summaried the main contaiminated sources of nitrate in surface water,including climate,hydrological processes,land use etc.which can affect nitrate transfer processes.It also presented the latest advances in nitrate contamination such as high frequency sampling and testing techniques,stable isotope methods.It proposed the future research direction such as temporal and spatial scalization,processes simulation by model,processes-based management,and so on.

Nitrate;surface water;sources;isotopes;review

P641.3；X52

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.01.001

1007-7383(2017)01-0001-11

2016-03-24

国家自然科学基金资助项目（41271047），新疆维吾尔自治区重点实验室资助项目。

李发东（1972-），男，研究员，教授，博士生导师，主要从事生态水文和水环境研究，e-mail：lifadong@igsnrr.ac.cn。