穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)在環(huán)境科學研究中的應用

穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)在環(huán)境科學研究中的應用

濕地是地球上水陸相互作用形成的獨特生態(tài)系統(tǒng)，在維護生物地球化學的平衡和水質(zhì)方面發(fā)揮著重要作用。濕地脫氮是濕地水質(zhì)凈化功能的重要表現(xiàn),目前國內(nèi)外圍繞濕地脫氮對污染水體氮負荷的削減作用已開展了較多地研究。大量研究證明,濕地能有效地去除地表和地下水中的氮,減輕水體的營養(yǎng)污染負荷,但其去除效率存在較強的時空異質(zhì)性。傳統(tǒng)的質(zhì)量平衡方法研究濕地的脫氮作用,只能以黑箱的方法計算濕地對氮素的去除總量,而難以提供脫氮過程的內(nèi)部信息,從而無法有效的研究其內(nèi)部過程。穩(wěn)定氮同位素技術(shù)自20世紀70年代開始應用于環(huán)境污染問題研究,其已經(jīng)在示蹤含氮污染物來源、遷移和轉(zhuǎn)化方面顯示出較強的優(yōu)越性。隨著檢測技術(shù)的進步和穩(wěn)定氮同位素示蹤技術(shù)在農(nóng)業(yè)、生命科學、醫(yī)學、藥學、環(huán)境科學研究中的成功應用,該技術(shù)也被引入到濕地脫氮的研究中,并成為該領(lǐng)域研究的一項新技術(shù)而逐步得到應用。目前以濕地δ15N的時空變化特征指示脫氮作用研究濕地內(nèi)部的脫氮過程已成為新趨勢。本文主要概述穩(wěn)定氮同位素示蹤技術(shù)應用于濕地脫氮研究的理論基礎(chǔ),闡述國內(nèi)外基于穩(wěn)定氮同位素示蹤技術(shù)的濕地脫氮作用研究進展,展望其在未來濕地脫氮研究中的應用前景。1穩(wěn)定氮素表明，濕區(qū)的氮去除過程的理論基礎(chǔ)1.1n16n的稀疏法則穩(wěn)定氮同位素示蹤是指利用15N自然豐度變異對氮元素演變的自然環(huán)境進行反演,或利用其原位標記的特性對含氮物質(zhì)的運動規(guī)律進行示蹤的方法。常用的示蹤方法有15N自然豐度法和15N稀釋法兩種。前者通常以大氣的氮同位素組成為標準,用示蹤原子的變異系數(shù)(δ)來表示:δ15N(‰,air)=(Rp/Ra-1)×1000(1)式(1)中,Rp和Ra分別為樣品和空氣的15N與14N的原子數(shù)之比。15N稀釋法則以15N的原子百分超(A)來表示:A=100(n15n15+n14)=100(RpRp+1)(2)A=100(n15n15+n14)=100(RpRp+1)(2)式(2)中,n14和n15分別代表樣品中14N和15N的原子百分數(shù)。在生物有機體或生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程中,氮同位素組成的變化是由氮的同位素效應引起的。氮的同位素效應是指在氮原子的鍵合和鍵裂過程中發(fā)生的分餾效應和具有不同氮同位素組成的來源物質(zhì)進入同一系統(tǒng)時發(fā)生的混合效應,前者也可以由氣體擴散等諸多因素引起,而混合效應主要用來辨識系統(tǒng)以外氮素的來源。在有大氣CO2參與的情況下,同位素分餾效應常用同位素富集系數(shù)(ε)來描述:ε=1000(α?1)=1000(RaRp?1)=1000(δa?δp1+δp)ε=1000(α-1)=1000(RaRp-1)=1000(δa-δp1+δp)(3)式(3)中,α為同位素分餾系數(shù);δa和δp分別為空氣和樣品中15N的變異系數(shù)。給定條件下,不同的同位素分餾過程各自具有典型的ε值。氮的同位素分餾可以引起自然界含氮物質(zhì)δ15N值的顯著差異,其變化范圍為-40‰～100‰。因此,在濕地脫氮過程中,可利用氮同位素的原位標記及過程標記特性,來表征氮素的遷移和轉(zhuǎn)化。1.2濕地對水體氮污染的凈化方法濕地系統(tǒng)對污染水體氮的去除是外源氮輸入在濕地系統(tǒng)中的分配過程,它由濕地系統(tǒng)各組分(濕地土壤、水文、植物和微生物)通過一系列物理、化學和生物的轉(zhuǎn)化作用來實現(xiàn)(圖1)。水環(huán)境外源氮輸入主要包括NH+4-N、NO-3-N和有機氮3種形態(tài)。濕地對污染水體氮去除的路徑有過濾、截留、氨揮發(fā)和微生物作用下的氨化、硝化/反硝化、氮的吸收同化等。其中,氨揮發(fā)、氨化、硝化/反硝化和氮的吸收同化作用能夠?qū)е碌凰胤逐s,為15N示蹤技術(shù)在濕地脫氮過程中的應用提供了可能性。1.2.1nh3揮發(fā)油和ph的關(guān)系氨揮發(fā)是物理化學過程,水中的氨氮離解平衡方程為:NH3(aq)+H2O→NH+4+OH-(4)淹沒土壤和沉積物中的NH3揮發(fā)和pH密切相關(guān):①pH=9.3,NH3和NH+4的比例為1∶1,氨揮發(fā)顯著;②pH=7.5～8.0,氨揮發(fā)不顯著;③pH<7.5,氨揮發(fā)可忽略。氨揮發(fā)過程中,氮同位素分餾強度較大,且分餾值變化很大,其大小主要取決于NH+4的濃度和揮發(fā)過程的物理條件(pH、濕度、溫度、風速等)。目前,實驗室內(nèi)獲得氮同位素分餾值約為-20‰。1.2.2系統(tǒng)的供氧能力及ph值氨化(礦化)是將有機氮轉(zhuǎn)化為無機氮(尤其是NH+4-N)的過程。氧氣對氨化作用的影響十分顯著,有氧時利于氨化,而厭氧時氨化速度降低,因此系統(tǒng)的供氧能力對NH+4-N的去除的影響較大。濕地中氨化速度與溫度、pH、系統(tǒng)的供氧能力、C/N、系統(tǒng)中的營養(yǎng)物以及土壤的質(zhì)地與結(jié)構(gòu)有關(guān)。溫度升高10℃,氨化速度提高1倍。氨化的最佳pH為6.5～8.5,飽水土壤中由于緩沖作用其pH處于中性范圍;排水良好時,由于礦化過程中硝酸鹽的積累和H+的生成導致pH降低。有機氮的氨化引起的同位素分餾較小,相對富集系數(shù)ε在±1‰間波動。1.2.3硝化作用的影響硝化過程是在好氧條件下氨氮氧化為硝酸鹽的過程,其反應過程為NH+4→NH2OH→[NOH]→NO→NO-2→NO-3。游離氨濃度、C/N、微生物數(shù)量、pH、溶解氧濃度、溫度、無機碳源等均會影響到硝化作用的進行。在NH+4→NO-2→NO-3過程中,總的分餾效應大。但這分餾效應取決于第一階段的亞硝化反應,因為亞硝化反應較慢,其分餾效應較大。第二階段硝化反應屬于快速反應,引起的同位素分餾較小。硝化作用使殘余氨富集15N,其分餾系數(shù)在-29‰～-12‰之間。同時硝化作用引起的氮同位素分餾也受反應條件限制,如過低的溶解氧濃度,過量的有機碳化合物,都會使氮同位素分餾效應增大。在氮限的生態(tài)系統(tǒng)里,由于反應的徹底性,硝化作用引起的氮同位素分餾效應就小些。1.2.4微生物離子和總氮素nh+4的降解反硝化過程是在嫌氣條件下,硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮還原成游離的N2或N2O、NO等氣體而逸入大氣的過程,反應過程為NO-3→NO-2→NO→N2O→N2,其主要是生物化學過程和化學過程。在反硝化過程中,影響各過程的因素主要有土壤質(zhì)地、水分、pH、溫度、有機質(zhì)含量、硝酸鹽、銨濃度以及可被利用的有機碳等。在反硝化條件下,還有一部分NO-3會被異化還原為NH+4(DissimilatoryNitriteReductiontoAmmonium,DNRN),是濕地外源輸入硝酸鹽去除的主要過程之一。在微生物反硝化作用的過程中,由于同位素動力學效應,15N相對富集在未反應的NO-3中,通常分餾系數(shù)在(-40‰～-13‰)范圍內(nèi)。氮同位素分餾強度受微生物還原速率、基質(zhì)初始濃度和有機還原劑的影響。還原速率越慢,則分餾強度越大;基質(zhì)濃度高時,反硝化作用不受氮素限制,分餾效應明顯;環(huán)境中電子供體溶解性有機碳(DOC)含量低時,分餾效應明顯。利用微生物反硝化產(chǎn)生的同位分餾特征可用來探討反硝化程度及混合過程等。1.2.5物同化和同位素分餾在植物、微生物對無機氮的吸收同化過程中,植物的吸收同化不會引起氮同位素的分餾,而微生物同化卻具有較強的同位素分餾效應。大量的微生物培養(yǎng)實驗已經(jīng)證實了上述結(jié)論,而且發(fā)現(xiàn)氮同位素分餾程度受無機氮的基質(zhì)的影響。例如,在不同濃度的NH+4中,同位素分餾值在-28.8‰～-5.8‰范圍內(nèi);在低濃度中,NO-3分餾值在-9.7‰～-4.3‰范圍內(nèi)。215n-指示跟蹤技術(shù)在濕地去除氮研究中的應用2.1植物15n自然豐度法濕地脫氮是在多種機制共同作用下完成的。這些機制的作用強度和相對貢獻直接影響濕地脫氮的能力和效果。在穩(wěn)定氮同位素示蹤濕地脫氮過程常用的兩種方法中,15N同位素稀釋法示蹤的原理是:將具有一定豐度、形態(tài)和數(shù)量的15N標記物質(zhì),如K15NO3、CO(15NH2)2等,模擬外源氮輸入,在濕地內(nèi)人為設(shè)置的且具有一定面積的隔離小區(qū)內(nèi)投放。按一定時間間隔,對小區(qū)內(nèi)各組分進行樣品采集(包括水、土壤、植物、微生物和濕地釋放的氣體等),通過樣品的質(zhì)譜分析,給出15N標記物質(zhì)在小區(qū)內(nèi)各組分中分配及形態(tài)變化的信息。通過這些信息的判讀,可以揭示不同條件下濕地脫氮的驅(qū)動機制。而15N自然豐度法不需要投放標記體,僅通過生長在同一地點的植物δ15N值的差異來辨識脫氮的作用機制并估算不同作用機制的貢獻。植物的δ15N值反映了其所利用氮源的同位素組成特征,因此,利用15N自然豐度法通過分析植物δ15N值的差異可以辨識濕地脫氮的驅(qū)動機制。KohzuA等研究濕地中不同類型植物氮同位素組成特征,發(fā)現(xiàn)不同類型植物的根系長度與其δ15N值間存在正相關(guān),其δ15N值體現(xiàn)了濕地不同層位土壤的氮同位素組成特征。因此,通過分析不同類型植物的δ15N值,可以反映反硝化作用強度在濕地土壤剖面上的垂直變化規(guī)律。JeanCC等認為考察潛水和植物δ15N值沿水流路徑上變化特征,可以識別河濱濕地潛水中的反硝化作用和植物吸收同化作用。他們在對法國西部濕地的研究中發(fā)現(xiàn),濕地植物的δ15N值為1.7‰～14.2‰,大大超過陸生植物的典型值域-5‰～2‰,在豐水期其δ15N值體現(xiàn)了反硝化作用下潛水的同位素富集特征,而在枯水期其δ15N值體現(xiàn)了土壤的同位素組成特征,表明反硝化作用和植物吸收同化作用在豐水期濕地潛水脫氮過程中均起重要作用,而反硝化作用則是枯水期濕地潛水脫氮的主要機制。利用15N示蹤的方法不僅能夠定性區(qū)分濕地脫氮過程的主要驅(qū)動機制,還可以通過定量計算給出不同驅(qū)動機制對濕地脫氮的貢獻,這一觀點已為眾多研究所證實。MathesonFE等采用15N示蹤技術(shù)對新西蘭Hamilton丘陵區(qū)河口濕地中氮的去向研究表明,濕地對外源輸入15N-NO-3的去除作用,有61%～63%是反硝化作用驅(qū)動的,有24%～26%被土壤所固定,有11%～15%被植物吸收,而只有不到1%被還原為NH+4。在兩個生長著植物的微區(qū)中,15N-NO-3的去向并無明顯差異,而在無植物生長的微區(qū)中,標記15N-NO-3中有49%被還原為NH+4,29%用于反硝化作用,22%被土壤固定。FukuharaH等也通過分析水流經(jīng)過蘆葦(Phragmitesaustralis)帶前后水中硝酸鹽15N自然豐度的變化,研究了日本Kamisagata沙丘湖湖濱濕地反硝化作用和植物(以蘆葦為例)吸收對外源硝酸鹽輸入去除的相對貢獻,結(jié)果顯示,含有高濃度NO-3-N的泉水流經(jīng)蘆葦帶后,其NO-3-N濃度都有所下降,而15N-NO-3豐度逐步增加,且不受季節(jié)因素影響。硝酸鹽的去除率在38.4%～73.1%,平均為(56.7±11.6)%。其中,反硝化作用的貢獻為6%～28%,平均為(19.5±7.0)%,而植物吸收占到了72%～94%,平均為(80.5±7.0)%,表明植物吸收是沙丘湖湖濱濕地硝酸鹽去除的主要機制。研究還指出,在濕地植被不被收獲的條件下,利用15N自然豐度技術(shù)能夠為人工濕地或天然濕地硝酸鹽動態(tài)過程研究提供有用信息。2.2不同季節(jié)鹽對濕地15n的生長和去除過程中5e5e的響應環(huán)境因子強烈制約著濕地脫氮作用的發(fā)揮,對于同一作用過程而言,其表征作用發(fā)生前后δ15N值差異的同位素富集系數(shù)ε并不是一個恒定值,它會因環(huán)境因子(如溫度等)的影響而發(fā)生改變。因此,根據(jù)給定條件下同位素分餾過程ε的典型值,結(jié)合濕地氮素轉(zhuǎn)化過程中δ15N值的變化,可以判別對濕地脫氮起關(guān)鍵作用的限制因子。反硝化作用和植物的吸收同化作用是濕地脫氮的主要過程,其作用強度及相對重要性受植物類型、水文條件、溫度等多種因素影響。KarelD等研究河濱濕地δ15N的年內(nèi)變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)反硝化作用導致了ε隨著溫度的升高而增大,冬季濕地的氮輸入(δ15N=-9.2‰～4.2‰)與氮輸出(δ15N=2.6‰～17.0‰)間變化最小,夏季濕地輸入(δ15N=-1.3‰～5.7‰)與輸出(δ15N=16.8‰～26.7‰)間的δ15N值變化最大,說明濕地的反硝化脫氮作用受溫度的影響較大。然而,這一結(jié)論未考慮不同季節(jié)淹水條件及植物生長狀況對反硝化作用的影響,其結(jié)論尚待進一步考證。MathesonFE等研究發(fā)現(xiàn)反硝化作用和DNRA作為15N-NO-3的兩條去除途徑,其相對重要性受濕地植物Glyceriadeclinata的影響。在無G.declinata生長的河口濕地土壤中,DNRA是主要去除途徑;而在生長著G.declinata的河口濕地土壤中,反硝化作用是其主要去除途徑。因此,G.declinata對于15N-NO-3在反硝化作用和DNRA兩條去除途徑之間的區(qū)分有著重要作用。研究還發(fā)現(xiàn),提高G.declinata的植被覆蓋度能夠促進反硝化作用所導致氮損失的進行,進而有利于河岸濕地水質(zhì)凈化功能的提高。此外,某些環(huán)境因子(如氧氣供應等)還通過限制濕地脫氮的途徑來決定哪些形態(tài)的氮被去除,因此利用外源氮輸入經(jīng)過濕地轉(zhuǎn)化后不同形態(tài)含氮物質(zhì)濃度及δ15N值的變化可以指示脫氮途徑,從而反演脫氮作用發(fā)生的自然環(huán)境,識別限制濕地脫氮的關(guān)鍵因子。ReinhardtM等在瑞士中部小型人工濕地氮轉(zhuǎn)化過程的研究中,通過對人工濕地中NO-3-N、NH+4-N和顆粒有機氮15N自然豐度的質(zhì)譜分析,并結(jié)合同位素平衡方程計算濕地脫氮速率時發(fā)現(xiàn),在人為向濕地虧氧沉積物上層水層通入充足氧氣的情況下,反硝化作用是脫氮的主要機制,其貢獻率為94%,其余的6%為沉積作用的貢獻。然而,當維持濕地水層虧氧氣狀態(tài)時,外源輸入的NH+4主要滯留在水層中,被浮萍吸收同化而進入濕地內(nèi)循環(huán),表明濕地系統(tǒng)的供氧能力是決定濕地脫氮途徑的關(guān)鍵因子。HinkleSR等則利用水化學特征及氫氧同位素技術(shù)研究了濕地水文循環(huán)過程及其氮元素來源,在此基礎(chǔ)上利用氮同位素技術(shù)識別氮元素在濕地中的轉(zhuǎn)化過程,并通過生物地球化學信息進行印證,結(jié)果發(fā)現(xiàn)地下水—地表水的相互作用關(guān)系是決定濕地脫氮的關(guān)鍵因素。KadlecRH等利用15N稀釋技術(shù)研究了新西蘭亞表面流人工濕地對肉類加工廢水中15N-NH+4的去除過程。該研究在證明硝化/反硝化和植物吸收為該人工濕地去除外源輸入NH+4主要機制的同時,發(fā)現(xiàn)植物生長需要是影響植物吸收脫氮的關(guān)鍵因素,而非外源氮輸入的數(shù)量。此外研究還發(fā)現(xiàn),外源輸入15N-NH+4沿水流路徑存在一個植物吸收和釋放的往復過程,這一過程增加了15N-NH+4在濕地中滯留時間,從而提高了濕地對15N-NH+4的去除效果。2.3利用同位素技術(shù)進行濕地反硝化能力定量評價濕地脫氮能力是濕地水質(zhì)凈化功能的重要參數(shù)指標,定量評估濕地的脫氮能力能夠為基于水質(zhì)凈化目標的濕地構(gòu)建提供科學依據(jù)。濕地的脫氮能力通常用濕地對外源氮輸入的轉(zhuǎn)化速率來表示,目前穩(wěn)定氮同位素示蹤技術(shù)已經(jīng)日益成為定量評價濕地脫氮能力的重要手段,評價過程中主要采用混合比例模型和Rayleigh方程。OstromNE等利用上述方法計算得出,密西根Smith河濕地緩沖帶反硝化作用對氮的去除能力在0～123μmol/(L·m2·d)間,大大超出Lowrance研究所得的范圍2.6～10.1μmol/(L·m2·d)。該研究結(jié)果是在假設(shè)沒有其他影響15N分餾的因素存在的前提下得到的,因此可能與實際的反硝化脫氮能力存在較大差異。LundLJ等利用氮同位素技術(shù)評價分布有大量大型植物濕地的反硝化脫氮能力,發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果與質(zhì)量平衡方法相悖,而在無大型植物的大面積淺水湖沼中,該方法計算結(jié)果與質(zhì)量平衡法所得結(jié)論相印證;分析認為選取合適的同位素富集系數(shù)是準確估算濕地反硝化脫氮能力的關(guān)鍵,實驗室內(nèi)測定的氮同位素富集系數(shù)不能準確反映自然濕地中的氮轉(zhuǎn)化過程,利用同位素技術(shù)估算濕地反硝化能力必須充分考慮植物對氮素的生長吸收-分解回歸這一完整循環(huán)過程。S?vikAK等利用自然豐度的15N對不同類型的小型人工濕地的反硝化脫氮進行了定量,研究得到比實驗室模擬結(jié)果要低的15N富集系數(shù)。這是由于濕地系統(tǒng)中的植物能夠通過硝化作用和吸收作用使系統(tǒng)的15N富集系數(shù)ε趨于0,因此在定量評價反硝化作用對系統(tǒng)NO-3-N總損失的貢獻時,需要對植物的吸收作用和硝化作用對δ15N所產(chǎn)生的影響做出相應的假設(shè)。YuKY等在去除了地表植被后,利用標記15N-NO-3研究淡水濕地土壤的反硝化脫氮能力時,排除了植物吸收對氮素去除的干擾,并結(jié)合Michaelis-Menten方程通過計算得出濕地反硝化作用的最大速率和最大脫氮潛力分別為12.6mg/(m2·h)和110g/(m2·a)的準確結(jié)果。模型是研究濕地脫氮過程的定量工具,利用氮同位素技術(shù)結(jié)合相關(guān)的水文地球化學信息、生物地球化學信息,能準確地構(gòu)建濕地氮素遷移轉(zhuǎn)化的概念模型。根據(jù)硝氮、銨氮δ15N值空間變化特征,OstromNE等把密歇根州一河濱濕地分為硝化帶、氨化帶(DNRA)和反硝化帶,并結(jié)合濕地水文補給特征,構(gòu)建了濕地氮素循環(huán)模式。并認為淺層水的硝化過程主要發(fā)生在飽和帶—非飽和帶界面上,反硝化帶的空間位置和作用強度均隨水文情勢的改變而發(fā)生變化。在淺層水占優(yōu)勢的條件下,反硝化作用和硝化作用均較強;在深層水占優(yōu)勢和高流量條件下,反硝化作用和硝化作用均較弱。ChenDJZ等通過測定δ15N值和相關(guān)化學參數(shù)發(fā)現(xiàn)濕地發(fā)生反硝化作用,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合水動力方程、溶質(zhì)運移方程及化學反應動力學方程,構(gòu)建了反映有機碳、氮和15N反應—傳輸過程的動力學模型,對氮同位素的空間動力數(shù)值模擬進行了有益的探討,通過對模型靈敏度的分析,定量得出了DOC濃度、含水層厚度、彌散系