甘蔗集约化种植区施肥显著增加入河硝态氮污染：基于氮氧同位素的流域示踪

黎静宜，李 勇，黄智刚，郭 豪，陈婷婷，黄俣晴，戴 谅，刘小梅，王 旭

（广西大学农学院/广西农业环境与农产品安全重点实验室，广西南宁 530004）

水体硝态氮污染是全球性环境污染的重大问题[1]，近几十年来，农业活动(如施肥)产生大量以硝态氮为主的污染物排放到河流和湖泊，导致水体富营养化，加剧水体生态系统的退化，产生农业面源污染等一系列生态环境问题[2-3]。农区水体硝态氮污染物的去向研究引起了众多科学家的关注[4]。因此，定量辨识入河硝态氮的来源贡献及阐明农区施肥与入河硝态氮污染的关系，可为确定防控农业面源污染的有效措施提供理论依据。

水体中硝态氮的主要来源有大气沉降、土壤氮、化肥、动物粪便/有机肥料和生活污水[5-6]。传统辨别硝态氮来源的方法主要是通过调查不同土地利用类型并结合当地水化学特性及多元统计建模方法[7-8]。随着同位素技术的运用与进步，氮、氧稳定同位素已经广泛应用于大型河流中硝态氮来源辨识[9]。氮氧同位素技术是利用不同来源的硝态氮所具有不同的δ15N-NO3-、δ18O-NO3-稳定同位素特征，能够更加科学直观地解析出水体中硝态氮的来源。但是因为不同来源入河硝态氮的氮氧值具有重叠部分，一些学者通过δ15N-NO3-、δ18O-NO3-稳定同位素结合水化学特性、不同土地利用类型或者其他同位素，运用SIAR模型定量辨识入河硝态氮的来源贡献。

甘蔗是全球糖类和燃料重要原料作物，目前，我国是世界第三大甘蔗生产国[10]，产地主要分布在广西、云南、广东等地区，糖产量占国内食糖总产量的90%左右[11]。随着甘蔗产量需求增加氮肥施用量也逐年迅速增加。当前我国甘蔗生产的平均施氮量为360 kg/hm2，氮肥利用率仅有10%，而甘蔗生产先进的澳大利亚甘蔗施氮量和氮肥利用率近年来分别稳定在170 kg/hm2和50%～60%[12]。广西地处南亚热带地区，地形主要以山地丘陵为主，是我国最重要的甘蔗生产基地，种植面积和产糖量均占中国的65%以上[13]。广西的甘蔗种植主要分布在旱坡地(约占70%)[14]，农民一般在雨后撒施肥料，但由于降雨频繁，前次施肥在随后的降雨条件下极易发生径流流失。施肥对水体污染具有重要贡献[15]。但是目前对甘蔗种植坡面施肥与小流域硝态氮入河污染的关系未受到重视，硝态氮入河的主要因素对水体质量的影响缺乏研究，且施肥对面源污染的研究主要集中在田间尺度氮流失与施肥的关系的观测或者超大尺度的河流示踪[16-18]。利用同位素示踪技术研究甘蔗种植坡面施肥与小流域硝态氮入河污染的关系，硝态氮入河对水体质量的影响，阐明农区施肥与入河硝态氮污染的关系，可为确定有效防控农业面源污染的措施提供理论依据。因此，本研究选择了南亚热带典型蔗区流域(那辣流域)，对3个子流域(上游子流域S1、S2和下游子流域S3)的硝态氮来源进行了定量辨识。应用氮氧稳定同位素示踪技术，结合流域施肥格局的调查，定量辨识那辣流域丰水期和枯水期硝态氮来源及贡献，并阐明硝态氮入河污染与施肥的关系，以期为该地区的农业面源污染控制管理及农业可持续发展提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域

研究地区位于广西壮族自治区扶绥县那辣小流域 (107°39′29′～107°40′17′E,22°20′50′～22°20′36′N)，流域面积1.29 km2，平均海拔1200 m左右，平均坡度25°，河谷到山顶高度142～182 m，属亚热带季风气候，年平均气温22℃，年降雨量约1200 mm左右，降雨主要集中在3—9月[19]。土壤类型属赤红壤(表土质地为粉质壤土)，土壤呈酸性，pH 4.7～5.2。该流域流向广西大型水库客兰水库，该水库属于饮用水源保护区。那辣流域耕地以甘蔗种植为主，约占土地利用总面积的80%，其次是桉树。在2020年，那辣流域在丰水期和枯水期降水量分别为500.2、38.8 mm。丰水期(5—9月)正好是甘蔗施肥量最大的时期(伸长期)，在枯水期(10—12月)甘蔗处于成熟期，不需要施肥，但由于部分农民种植甘蔗较晚，在该时期也有给甘蔗追肥。甘蔗施肥为有机肥和化肥，研究区域无养殖业和工业，全部为农业种植区。

1.2 样品采集

采样点根据均匀布点、局部加密的原则布设，覆盖整个那辣流域，每个采样点均用 GPS 定位，记录采样点位置和农田利用信息等，采样点见图1。采样时间为 2020 年6—11月降雨期，流域施肥情况根据实地调查记录收集。水样采集现场采用多参数水质监测仪(YSI6600-V2，YSI-Co，USA)测定水体温度、溶解氧(DO)、pH和电导率(EC)；然后将水样收集在250 mL聚乙烯塑料瓶中，用冰袋保温随即送至实验室进行养分和硝态氮同位素分析。

图1 研究流域采样点(1～10)分布图Fig. 1 Distribution of sampling points (1-10)in the study watershed

1.3 室内分析

样品的前期处理方法参照Jin等[4]。用高效液相色谱(IC)系统90 (Dionex Co.,Sunnyvale,CA,USA)测定水样中的阴离子(Cl-)浓度(精度≤5%)；用iFLA7全自动多参数流动注射分析仪测定水样可溶性总氮(TDN)、NO3--N、NH4+-N的浓度，溶解态有机氮(DON)浓度为溶解态总氮浓度与溶解态无机氮浓度之差，样品中的δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-测定(采用“脱氮菌法”[20])在中国农业科学院农业环境稳定同位素实验室完成。

1.4 硝态氮来源贡献率的计算

用δ表示硝态氮的δ15N-NO3−和δ18O-NO3−同位素，并按下列公式[21]计算：

式中：R样品和 R标准分别表示样品/标准样品的15N/14N或18O/16O值，即δ15N-NO3−和 δ18O-NO3−；N同位素以大气氮(N2)为参考标准；O同位素采用维也纳标准平均海水作为参考标准(V-SMOW)。

应用贝叶斯同位素混合模型(SIAR)，可以量化潜在NO3--N源对地表水的比例贡献。该模型[22]表示为：

为了计算丰水期和枯水期那辣流域硝态氮源的贡献，本研究采用了双同位素(j=2，δ15N-NO3-和δ18O-NO3-)和贝叶斯混合模型计算了4种潜在来源(大气沉降、土壤氮、化肥、畜禽粪便和生活污水)对地表水的硝态氮贡献率。

2 结果与分析

2.1 水化学特征

表1为10个采样点的水化学特征值。那辣流域地表水温度均值在丰水期(28.9℃)明显高于枯水期(13.0℃)。pH为7.08～8.16，均值分别为7.53和7.84，属偏碱性水质。水体溶解氧(DO)浓度介于1.27～10.52 mg/L，均值分别为3.83和7.67 mg/L。电导率(EC)均值为枯水期 (404 μS/cm)>丰水期 (402 μS/cm)。Cl-浓度范围为3.55～53.23 mg/L，均值分别是17.04和20.24 mg/L。

表1 那辣流域地表水水质特征Table 1 Characteristics of surface water quality in Nala watershed

2.2 那辣流域可溶性氮的时空分布特征

由图2可知，可溶性总氮(TDN)、NO3−-N和NH4+-N浓度分别超过我国生态环境部规定的地表水Ⅲ类(1.0 mg/L)、Ⅲ类(1.0 mg/L)、Ⅱ类(0.5 mg/L)环境质量标准(GB 3838—2002)。那辣流域水体NO3--N浓度范围是1.24～27.90 mg/L，丰水期和枯水期均值分别为22.01和5.64 mg/L。在丰水期和枯水期，S1子流域的NH4+-N平均浓度分别为0.92和1.11 mg/L，NO3--N平均浓度分别为24.18和5.12 mg/L，可溶性有机氮(DON)平均浓度分别为0.63和1.17 mg/L，TDN平均浓度分别为25.73和7.40 mg/L；S2子流域的NH4+-N平均浓度分别为0.94和1.78 mg/L，NO3--N平均浓度分别为22.48和6.82 mg/L，DON平均浓度分别为0.57和0.64 mg/L，TDN平均浓度分别为23.98和8.99 mg/L；S3子流域的NH4+-N平均浓度分别为0.81和 0.97mg/L，NO3--N平均浓度分别为16.74和4.34 mg/L，DON平均浓度分别为0.80和1.11 mg/L，TDN平均浓度分别为18.51和6.26 mg/L。那辣流域水体各形态氮浓度具有时空变异性，S1、S2、S3流域丰水期NH4+-N和DON浓度较枯水期低，而NO3--N和TDN浓度则较枯水期高，差别较大。枯水期径流小，水温较低，硝化菌群活性较丰水期小，阻碍水体硝化反应发生，从而使得NH4+-N浓度较丰水期高；丰水期大量施肥且温度较高，土壤微生物活性较枯水期强，从而增强了土壤矿化作用对DON的消耗，使土壤淋溶到流域中的DON的浓度降低，导致丰水期DON浓度较枯水期低；丰水期施肥量较多，化肥在降雨径流的冲刷下大量流失进入水体，致使TDN、NO3--N浓度在丰水期显著高于枯水期。空间上，S1、S2流域在丰水期和枯水期的TDN、NO3--N浓度较S3流域高，从上游向下游呈逐渐下降的趋势，这可能是下游区域做植物河道梯级拦截试验所致。

图2 那辣流域地表径流中溶解态氮浓度时空变化Fig. 2 Spatio-temporal variation of dissolved nitrogen concentration in surface runoff of Nala watershed

2.3 那辣流域地表水δ15N-NO-、δ18O-NO-的时空33变化特征

如图3所示，在丰水期和枯水期，S1流域水体δ15N-NO3-的组成范围分别是3.25‰～4.78‰、6.27‰～9.81‰，均值分别为3.93‰和7.84‰，δ18O-NO3-的组成范围分别是3.27‰～7.02‰、6.07‰～6.99‰，均值分别是5.40‰、6.42‰，丰水期δ15N-NO3-、δ18ONO3-较枯水期低；S2流域水体δ15N-NO3-的组成范围分别是3.96‰～9.42‰、3.75‰～16.47‰，均值分别为6.60‰和8.77‰，δ18O-NO3-的组成范围分别是4.13‰～7.40‰、2.51‰～6.22‰，均值分别是5.41‰和4.33‰，丰水期δ15N-NO3-较枯水期低，δ18O-NO3-则较枯水期高，但差别不大；S3流域水体δ15N-NO3-的组成范围分别是2.79‰～9.35‰、3.42‰～5.71‰，均值分别为6.07‰、4.57‰，δ18ONO3-的组成范围分别是3.42‰～10.17‰、4.65‰～6.90‰，均值分别是6.80‰、5.78‰，丰水期δ15NNO3-和 δ18O-NO3-较枯水期高，但差别不大。在空间上，在丰水期S1流域δ15N-NO3-较S3流域低，S2流域δ15N-NO3-与S3流域相差不大，S1、S2流域δ18O-NO3-和S3流域没有明显差异；在枯水期，S1和S2流域的δ15N-NO3-较S3流域高，δ18O-NO3-则与S3流域差异不明显。总的来说，那辣小流域在丰水期和枯水期δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-组成没有明显差异，不存在δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-值随 NO3--N浓度减少而增加的趋势(图2、图3)，说明大部分地表水样品中δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值基本反映了源的同位素特征。

图3 那辣流域地表水硝态氮氮氧同位素时空变化Fig. 3 Temporal and spatial variations of nitrate nitrogen and oxygen isotopes in surface water of Nala watershed

2.4 地表水硝态氮各来源贡献率

利用贝叶斯混合模型计算了丰水期和枯水期那辣流域地表水各采样点硝态氮污染来源的贡献率。由图4可知，在丰水期和枯水期，S1流域大气沉降贡献率范围分别是8.9%～10.1%、6.9%～7.8%，均值分别为9.5%、7.3%，化肥贡献率范围分别是41.3%～42.5%、37.0%～38.2%，均值分别为41.9%、37.5%，有机肥贡献率范围分别是18.0%～19.2%、14.8%～15.8%，均值分别为18.6%、15.4%，土壤氮贡献率范围分别是28.5%～31.8%、39.1%～40.3%，均值分别为30.0%、39.9%。枯水期大气沉降、化肥、有机肥贡献率较丰水期分别降低23%、10.5%和17.2%，而枯水期土壤氮贡献率较丰水期升高了33%。S2流域大气沉降贡献率范围分别是8.6%～10.2%、6.5%～7.2%，均值分别为9.2%、7.2%，化肥贡献率范围分别是42.2%～44.2%、37.1%～38.3%，均值分别为43.3%、37.6%，有机肥贡献率范围分别是19.3%～20.0%、14.8%～15.7%，均值分别为19.7%、15.3%，土壤氮贡献率范围分别是27.7%～28.5%、39.5%～40.4%，均值分别为28.0%、40.0%。枯水期大气沉降、化肥、有机肥贡献率较丰水期分别降低21.7%、13.2%和22.3%，而枯水期土壤氮贡献率较丰水期升高了42.9%。S3流域大气沉降贡献率范围分别是9.2%～9.6%、8.1%～8.2%，均值分别为9.4%、8.2%，化肥贡献率范围分别是43.5%～44.2%、37.2%～38.5%，均值分别为43.9%、37.9%，有机肥贡献率范围分别是18.9%～20.2%、14.5%～15.9%，均值分别为19.6%、15.2%，土壤氮贡献率范围分别是27.1%～27.2%、37.5%～40.1%，均值分别为27.1%、38.8%。枯水期大气沉降、化肥、有机肥贡献率较丰水期分别降低12.8%、13.7%和22.4%，而枯水期土壤氮贡献率较丰水期升高了43.2%。总体上，大气沉降、化肥、有机肥贡献率从丰水期到枯水期呈下降的趋势，土壤氮贡献率从丰水期到枯水期呈升高的趋势。空间上，丰水期中大气沉降贡献率S1>S3>S2，但各流域贡献率差别不大；化肥贡献率S3>S1>S2，从上游到下游呈增加的趋势；有机肥贡献率S2>S3>S1，各流域贡献率差别不大；土壤氮贡献率S1>S2>S3，从上游到下游呈降低的趋势。在枯水期，大气沉降贡献率S3>S1>S2，但各流域贡献率差别不大；化肥贡献率S3>S2>S1，呈上游低、下游高的特点；有机肥贡献率S1>S2>S3，差别不大；土壤氮贡献率S2>S1>S3，呈上游高、下游低的特点。

图4 那辣流域各采样点硝态氮来源贡献率Fig. 4 Contribution rate of nitrate sources in Nala watershed

3 讨论

3.1 基于水化学特征的那辣流域地表水硝态氮来源的鉴定

Cl-来源包括矿物溶解、化肥、生活污水、工业废水等，NO3−/Cl-为影响流域硝态氮分布的混合或生物过程的重要指标[23-25]。NO3-/Cl-值与Cl-浓度之间的关系可以初步判断硝态氮来源，在NO3-/Cl-值高但Cl-浓度低的情况下，NO3-主要由农业活动贡献，如施肥；NO3-/Cl-值低但Cl-浓度高，NO3-主要来源于生活污水或粪肥；当NO3-和Cl-浓度均较低时，NO3-主要来源于土壤氮；在低Cl-浓度和恒定NO3-/Cl-值情况下，水体经历了混合过程[26-27]。由于有机肥与粪便、污水的氮、氧同位素范围重叠且同位素组成相似，因此将有机肥和粪便、污水视为同一污染源[28]。由图5可知，在丰水期，水体中硝态氮存在低Cl-浓度(范围为0.2～0.9 mmol/L，均值为0.5 mmol/L)和高NO3-/Cl-(范围为0.3～1.7，均值为1.0)值，说明该时期入河硝态氮主要来自农业活动，这是因为蔗地大量施用基肥和追肥所致。在枯水期，地表水中硝态氮部分存在低Cl-(<0.5 mmol/L)浓度和低NO3-/Cl-(<0.5)值，部分存在低Cl-浓度(<0.5 mmol/L)和高NO3-/Cl-(>1)值，说明水体中硝态氮主要来自土壤氮和施肥。因此，水化学特征表明了那辣流域地表水硝态氮来源主要受到人为输入(施肥)的影响。

图5 Cl-和NO3-/Cl-值之间的关系Fig. 5 Relationship between Cl - and NO3-/ Cl- ratio

3.2 基于SIAR模型和氮氧同位素组成对硝态氮来源的定量解析

典型硝态氮来源氮氧同位素范围参照前研究者的研究结果[29-31]。由那辣流域在丰水期和枯水期硝态氮来源同位素变化（图6）可知，那辣流域地表水硝态氮主要污染源来自化肥、有机肥和土壤氮。其中，大部分样品氮氧同位素落在化肥区域内，这表明那辣流域农业化肥的使用是硝态氮污染的一个重要来源。落在土壤氮范围内的点也较多，说明多年的农业施肥导致大量硝态氮积累在土壤中。

图6 典型硝态氮来源氮氧同位素范围以及那辣流域不同时期硝态氮同位素变化Fig. 6 Nitrogen and oxygen isotopic range of typical nitrate nitrogen sources and nitrate nitrogen isotopic changes in different periods in Nala watershed

δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-的值受硝态氮来源的影响，复杂的地球生物化学过程中的同位素分馏(包括矿化、氨挥发、同化、硝化、反硝化和厌氧氨氧化等)可以改变NO3--N来源的原始同位素特征值[32-33]。反硝化过程会影响氮氧同位素值，从而影响溯源结果的准确性。因此，确定水体是否发生反硝化对确定硝态氮来源尤为重要[34-35]。有学者研究表明，微生物的反硝化会增加水体中δ15N-NO3-和δ18O-NO3-的值，从而降低硝态氮含量，并产生1.3∶1～2.1∶1的δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-比值[36-37]。同时，有研究者得出溶解氧(DO)浓度低于2 mg/L时，反硝化速率理想，DO浓度为2～6 mg/L时仍有反硝化作用发生，但速率很小[38]。如图6所示，1.3∶1～2.1∶1只有2个采样点(采样点7和4)，DO值分别为1.27、1.86 mg/L，说明这两个采样点的水体可能发生了反硝化作用。其余地表水样品在丰水期DO范围是2.54～5.60 mg/L (均值为4.11 mg/L)，在枯水期范围是5.89～10.52 mg/L (均值为8.31 mg/L)，总体来看那辣流域水体并没有发生明显的反硝化作用，因此，在此研究过程中反硝化作用可以忽略。

根据SIAR模型所得的入河硝态氮来源贡献率如图7所示，在丰水期，化肥(42.9%) > 土壤氮(28.6%) > 有机肥(19.2%) > 大气沉降(9.3%)。由于该时期是甘蔗整个生长时期的伸长期，对氮素需求量最大，那辣流域农民在施肥时多以撒施的方式为主，且因亚热带地区降雨量大，在降雨发生时极易产生地表径流，因此撒施到地表的肥料极易被冲刷到径流，导致化肥贡献率达到最高。在枯水期，土壤氮(39.7%) > 化肥(37.6%) > 有机肥(15.3%) > 大气沉降(7.4%)。在该时期土壤氮贡献率达到最高，主要由于长期施用肥料导致氮素更多地储存在土壤中。土壤氮的来源较复杂，包括长期施肥(主要来源)、土壤本身、蔗区蔗叶等还田，在本研究中，缺乏对土壤氮不同来源贡献的仔细探究，因此在未来的研究中不容忽视。因蔗区大量施肥导致化肥、有机肥和土壤氮在枯水期和丰水期总平均贡献达到91.7%，约占入河硝态氮贡献总量的9/10。说明施肥对蔗区入河硝态氮的贡献量较大，是影响水体富营养化的重要原因之一。因此，那辣流域应采取合理的施肥方式：丰水期应在雨后施肥，枯水期少施肥或不施肥；根据甘蔗不同生长期需肥量进行增施或减施，合理施肥；在坡高地区施肥时应用穴施，下坡平坦地块使用撒施方式，以达到最优化肥管理的目的，从而有效地控制农业流域硝态氮入河污染。

图7 不同时期入河硝态氮来源贡献率Fig. 7 Source contribution rate of nitrate nitrogen entering the river in different periods

3.3 影响流域硝态氮肥料贡献的主要因素

在丰水期和枯水期，降水入河硝态氮肥料贡献率在时间和空间上随施肥量而变化(图8)。氮肥、有机肥施用量与入河硝态氮中化肥及有机肥贡献率呈显著正相关关系(P< 0.01、P< 0.01)。这与已有研究结果一致[39-41]。有学者对农业喀斯特地表河流系统中降雨驱动的硝态氮运移规律进行了研究，得出农田中直接施用化肥导致化肥直接被冲刷到径流，进而通过地表径流流入河流[42]。

图8 入河硝态氮肥料贡献率与施肥之间的关系Fig. 8 Relationship between input rate of nitrate nitrogen fertilizer and fertilization

4 结论

1)NH4+-N和DON浓度在枯水期高于丰水期，TDN、NO3--N浓度在丰水期显著高于枯水期，空间上，丰水期和枯水期的TDN、NO3--N浓度呈现上游高、下游低的特点。

2)通过水体δ15N-NO3-和 δ18O-NO3-组成可以判定，那辣流域水体NO3--N主要来源于化肥、有机肥及土壤氮。研究区域主要为硝化反应，反硝化不明显。

3)基于SIAR模型计算入河硝态氮来源贡献，在丰水期，化肥(42.9%) > 土壤氮(28.6%) > 有机肥(19.2%) > 大气沉降(9.3%)；在枯水期，土壤氮(39.7%) > 化肥 (37.6%) > 有机肥 (15.3%) > 大气沉降> (7.4%)。在丰水期和枯水期，化肥、有机肥和土壤氮的总平均贡献达到91.7%，约占入河硝态氮贡献总量的9/10。那辣流域丰水期和枯水期入河硝态氮肥料来源贡献与施肥呈显著正相关关系。其坡面施肥是水体硝态氮污染的主要来源，是造成蔗区流域面源污染的主要原因，其中，化肥对那辣流域硝态氮入河污染的贡献率最大，是导致水体富营养化的主要驱动因素之一。那辣流域应采取合理的施肥方式：丰水期应在雨后施肥，枯水期少施肥或不施肥；根据甘蔗不同生长期需肥量进行增施或减施，合理施肥；在坡高地区施肥时应用穴施，下坡平坦地块使用撒施方式。同时土壤氮对入河硝态氮贡献也不容忽视，这是值得今后研究的问题。氮的循环导致同位素发生复杂的分馏作用，影响溯源结果的准确性，因此，在未来的研究中应考虑同位素分馏导致的污染源在河道迁移过程中的变化情况，并进一步对模型进行优化，以提高定量辨识硝态氮来源的精度。