农业非点源污染正在成为水体污染的主要原因，特别是随着对点源污染控制的逐步加强，在水体污染中农业非点源所占的比重不断增加^{[1, 2]}。在种植业集约化地区，农村地表水和地下水硝态氮的超标率正在上升^{[3, 4]}，以山东省为例，全省地下水硝酸盐含量均值为10.43 mg·L^-1，超标率达到14.15%^[5]，这与化学氮肥的大量投入紧密相关。我国种植业面积广，种植业造成的非点源污染占了农业非点源污染的很大一部分，对于不同来源的农业非点源污染有着不同的治理方式，为了进行有效的农业非点源污染控制，选取适宜的污染控制方式，识别主要农业非点源污染源是技术的关键。

同位素示踪监测技术对流域非点源污染来源可进行较直接的研究^{[6, 7]}。以氮同位素示踪监测技术为例，自然界中氮原子主要有¹⁴N和¹⁵N两种氮稳定同位素，不同物质的氮同位素组成不同。自然条件下水环境中NO₃^-背景值通常不高，人为活动常常导致水环境中NO₃^-浓度激增^[8]。已有研究表明，不同来源的硝态氮具有不同的同位素组成，人工合成化肥δ¹⁵N-NO₃^-值大多在0%±0.4%^[9]，土壤有机氮的δ¹⁵N-NO₃^-值在0.4%～0.9%范围内变化^[10]，人畜排泄物的δ¹⁵N-NO₃^-值范围为0.8%～2%^{[10, 11]}，大气沉降的δ¹⁵N-NO₃^-值在0.2%～0.8%^[12]，城市生活污水δ¹⁵N-NO₃^-值高于1%^[8]，工业来源废水δ¹⁵N-NO₃^-值小于1%^[12]。因此，通过河水及地下水氮同位素研究可以较好地示踪水中氮素的来源^{[13, 14]}，以弥补传统方法的不足，从而提供一种直接识别污染源的手段。

松花江流域是我国重要的粮食生产基地之一，集约化、机械化、规模化的农业活动增大了农用化学品的投入。在本研究中，选取松花江一级支流阿什河流域作为研究对象，该流域是典型的以农业为主的区域，农业又以种植业为主，种植业氮径流流失量是最大的潜在非点源污染源。本文采用δ¹⁵N同位素示踪技术，结合传统监测技术，主要研究以下几个问题：（1）分析识别阿什河流域平-丰-枯不同水期氮污染物特征，分析氮在水体中的迁移、转化及来源分配进行解析；（2）研究阿什河流域种植业造成的非点源氮污染分布；（3）种植业土壤氮和进入水体氮的相关性。这些问题的研究将为减少阿什河流域的氮污染量提出针对性的建议，为水环境管理部门分类、分段、分区治理提供重要参考。

阿什河位于黑龙江省南部，属于松花江干流南岸一级支流，全长257 km，阿什河流域处于东经126°40′~127°42′、北纬45°05′~45°49′之间，流域面积3545 km2。阿什河两岸农业生产大量施用化肥、农药所造成的非点源污染，导致阿什河阿城以下河段水质污染严重，水质长期为劣V类。阿什河中下游干流丰水期水面宽238～360 m，水深4～4.7 m；枯水期水面宽10～23.5 m，水深0.2～0.25 m。阿什河水量季节性特征明显，枯水期与丰水期、平水期河道水量差异较大，丰水期为每年的7月、8月；平水期为每年的4月、5月、6月、9月和10月；枯水期为每年的1月、2月、3月、11月和12月，每年11月中旬至次年4月上旬为结冰期。阿什河流域上游为林区，植被覆盖良好，中下游为城市区和农业区。种植业是阿什河流域最大的土地利用类型，占流域面积的46.25%。主要的农作物为水稻、玉米和大豆，每年5月中下旬和8月上中旬为稻田退水期。

分别于2011年阿什河流域平水期（5月）、丰水期（8月）、枯水期（11月）进行样品的采集。水体采样点共22个，平均分布在阿什河流域的源头-上游-中游-下游-流域出口。为了反映流域污染特征，本研究根据流域土地利用类型的不同，以及各小支流的源汇状况，基本保证了各二级支流在入河前后均设置监测点，全流域不同土地利用类型上下游设置监测点，所有监测河流能控制阿什河80%以上的进出水量。采样点A01~A12属于上游、A13~A19属于中游、A20~A22属于下游。平水期A15点缺失，其余21个采样点均采到水样；丰水期22个采样点均采集到水样；枯水期采样点A15、A18处干涸，没有采集到水样，其余20个采样点均采集到水样。通过土地利用分析，点位A08、A10、A12、A13、A15、A16、A18、A20、A21所代表的区域主要土地利用类型为耕地，点位A01-A07所代表的区域主要土地利用类型为林地，点位A09、A11、A14、A17、A19、A22所代表的区域主要土地利用类型为建设用地。每个采样点的汇水区域代表范围见图 1。

图 1 采样点的汇水区域 Figure 1 Distribution of water sampling points in catchment area

图选项

对阿什河流域种植区进行土壤监测，监测点位分布在流域水位采样点附近50 m范围内的典型种植区。共布设12个采样点，选取在种植区平均坡度，采集0～15 cm的表层土壤。采样点T01、T03、T12种植类型为水稻，采样点T02、T04、T07、T09种植类型为玉米，采样点T05、T06、T08、T10、T11种植类型为大豆。阿什河流域土地利用类型及土壤采样点位置分布见图 2。

图 2 流域种植区土壤采样点位分布 Figure 2 Soil sampling points in Ashi River basin

图选项

每个样点的水样取3个平行样品，采集后储藏在干净的聚乙烯瓶中，保存于4 ℃冰箱中，并在24 h内完成TN、NH+4-N、NO₃^--N的测定以及δ¹⁵N同位素前处理。土壤样品采集后放入密封塑料袋中，带回实验室将新鲜土壤过筛进行NO₃^--N的测定。TN、NH+4-N、NO₃^--N采用国家标准方法测定。

δ¹⁵N-NO₃^-同位素采用阴离子交换硝酸银法，具体步骤如下：将水样经0.45 μm滤膜过滤后，通过设计的树脂柱和组合的成套离子交换仪器进行阴离子交换，用盐酸（3 mol·L^-1）洗脱吸附在树脂柱上的NO₃^-，向洗脱液中逐次加入Ag2O，反应进行至pH达到5.5～6.0之间；过滤掉AgCl沉淀，将含有AgNO3的滤液进行冷冻干燥，将得到的AgNO3样品晶体送往中国科学院地球环境研究所同位素实验室进行测定。

测试采用Delta Plus 稳定同位素气体质谱仪（美国Thermo公司）方法的标准偏差为±0.02%，δ¹⁵N 值用如下公式计算^[15]：

数据用Origin 8、SPSS 16.0软件进行统计分析，不同采样点水样指标变化显著性检验采用单因子方差分析（ANOVA）处理，监测点土壤氮含量和小流域水体氮含量之间的相关性用Pearson相关系数评价。

阿什河流域总氮污染情况如图 3（a）所示，位于源头的采样点水质较好，逐渐到下游水质恶化。按照水期分布分析，总体呈现枯水期>丰水期>平水期的趋势特征，流域枯水期总氮的平均浓度为3.67 mg·L^-1，丰水期平均浓度为3.01 mg·L^-1，平水期平均浓度为2.36 mg·L^-1，总氮浓度最大值出现在枯水期A14采样点，浓度值高达19.40 mg·L^-1，主要是由于流域附近工业排污影响。阿什河水质氨氮指标如图 3（b）所示，位于源头的采样点水质较好，到下游水质逐渐恶化。按照水期分布分析，流域氨氮的浓度变化为枯水期>平水期>丰水期。流域枯水期氨氮的平均浓度为2.09 mg·L^-1，平水期平均浓度为0.79 mg·L^-1，丰水期平均浓度为0.34 mg·L^-1。阿什河流域硝态氮含量分布如图 3（c）所示，总体呈现枯水期>丰水期>平水期的趋势特征，流域枯水期硝氮的平均浓度为1.64 mg·L^-1，丰水期平均浓度为1.49 mg·L^-1，平水期平均浓度为1.06 mg·L^-1。方差分析表明，不同采样点水样指标以及同一采样点不同水期之间差异均显著（P < 0.05）。

图 3 阿什河流域水体氮浓度变化 Figure 3 Variation of nitrogen concentrations in river water

图选项

总体来讲，阿什河水质总氮年平均浓度处于劣V类水平^[16]，而氨氮除受工业点源影响的河段外，大部分区域保持在Ⅲ类水平。通过对阿什河从源头到下游常规指标值分析可以看出，位于上游的采样点水质较好，中游开始到下游水质逐渐恶化。采样点A01、A04、A06、A07、A10、A17、A19在枯水期的总氮浓度均小于丰、平水期，说明这些点位主要污染源为种植业非点源污染。A11采样点的总氮浓度随着丰-平-枯水期水量的减少而升高，分析主要污染源可能为生活污水或畜禽养殖。枯水期A14总氮和氨氮浓度均较高，受点源影响较大。下游采样点A22经过哈尔滨市区，上游有工业污水经污水处理厂出水，因此总氮和氨氮浓度均增加。

阿什河流域种植区土壤NO₃^--N 含量浓度变化见图 4。平水期监测的时期正处于种植业的播种期，因播种期会大量地使用化肥^[17]，从而造成土壤中NO₃^--N的浓度相对较高，采样点平均值为18.45 mg·kg^-1。丰水期处于种植业的生长期，枯水期处于收割期后，这两个时期的土壤NO₃^--N 浓度含量相对低，平均值分别为9.89、13.07 mg·kg^-1。

图 4 阿什河流域种植区土壤硝态氮含量 Figure 4 Variation of nitrogen concentrations in soils

图选项

流域δ¹⁵N-NO₃^-源解析值见图 5所示。平水期阿什河流域的采样点位A04、A12、A13、A14、A21和A22的δ¹⁵N-NO₃^-值为0.33%～0.40%，氮污染主要受化肥施用影响。中下游采样点A05、A07、A08、A09、A10、A18、A19和A20的δ¹⁵N-NO₃^-值为0.46%～0.77%，主要受稻田插秧后退水和农家肥的影响。源头区采样点A01、A03、A06的δ¹⁵N-NO₃^-值为0.51%～0.66%，主要受自然原因土壤侵蚀造成的土壤有机氮污染影响。采样点A02、A11、A16和A17的δ¹⁵N-NO₃^-值为0.85%～1.19%，说明其主要氮污染来源为分散式畜禽养殖和生活污水。丰水期阿什河氮污染主要受种植区化肥施用影响的采样点有A01、A04、A06、A10、A15、A18，δ¹⁵N-NO₃^-值为0.19%～0.4%。枯水期阿什河氮污染主要受种植区化肥影响的采样点有A01、A03、A04、A06、A10、A14、A19，δ¹⁵N-NO₃^-值为0.11%～0.39%。

图 5 阿什河流域δ15N-NO3-来源分析 Figure 5 Source analysis of δ15N-NO3- in Ashi River water

图选项

将土壤采样点的NO₃^--N浓度与其所在汇水区的水样NO₃^--N浓度做Pearson相关性分析及其显著性检验，结果见表 1。结果显示在平水期土壤中NO₃^--N浓度和水体呈显著正相关（Sig. < 0.01），在丰水期土壤与水体中NO₃^--N浓度也呈现显著正相关（Sig. < 0.05），在枯水期其相关性不明显。

表 1 流域土壤与水体中NO₃^--N 含量相关性分析（N=12） Table 1 Correlation coefficients of NO₃^--N concentration between soil and water（N=12）

表选项

平水期正值种植业的播种期，这个期间化肥使用量大，土壤耕作对土壤造成的扰动大，造成部分土壤中的氮随着降雨以及灌溉等方式扩散到水体中，造成土壤水体NO₃^--N含量增加。这与δ¹⁵N-NO₃^-监测平水期显示的结果相符。δ¹⁵N-NO₃^-监测结果显示流域平水期63.6%的监测点主要氮污染来源为土壤有机氮。

丰水期处于作物生长期，其间会根据生长需要进行化肥的补充施加^[17]，同时还会有大量的稻田退水排入流域中，造成了土壤与水体NO₃^--N含量呈正相关。这与δ¹⁵N-NO₃^-监测平水期显示的结果相符。δ¹⁵N-NO₃^-监测结果显示流域丰水期27.3%的监测点主要氮污染来源为化肥。

枯水期处于作物收割后期，这个时期土壤中氮含量相对较低^[18]，并且农田土壤没有农耕行为的扰动，所以土壤与水体的相关性不明显。这与δ¹⁵N-NO₃^-监测平水期显示的结果相符，枯水期流域氮污染来源呈分散性，以土壤有机氮为主要氮来源的点位仅占22.7%。

根据对22个汇水区δ¹⁵N-NO₃^-监测结果，流域丰-平-枯水期主要氮污染来源分布见图 6。通过对各个水样采样点所代表的小流域土地利用类型分析，将采样点位分为林地、耕地、建设用地三类，点位A8、A10、A12、A13、A15、A16、A18、A20、A21所代表的区域主要土地利用类型为耕地，点位A1-A7所代表的区域主要土地利用类型为林地，点位A9、A11、A14、A17、A19、A22所代表的区域主要土地利用类型为建设用地。

图 6 阿什河不同水期主要非点源氮污染来源分布 Figure 6 Source distribution of major non-point nitrogen pollution in Ashi River basin during different seasonal periods

图选项

采样点不同水期的δ¹⁵N-NO₃^-特征值箱线图见图 7（a），不同土地利用类型的δ¹⁵N-NO₃^-特征值箱线图见图 7（b）。从图 7（b）可以看出林地的δ¹⁵N值比耕地和建设用地低，建设用地的δ¹⁵N值分布范围比耕地和林地的要广，δ¹⁵N值范围广说明氮污染的来源多，以建设用地为主的地区的氮污染来源主要为工业废水和生活污水，多半可视作稳定的氮污染来源。林地的δ¹⁵N 值范围在0.13%～0.96%，平均值0.54%，比耕地的值域要大。这是由于阿什河流域林场中存在一些居民住户以及小型畜禽养殖等，而林地的氮输出系数较小，以林地为主要土地利用类型的水域受其他污染源影响较大。耕地δ¹⁵N值分布相对集中，范围在0.46%～0.88%，平均值0.7%。这说明主要的氮来源为土壤有机氮，分析原因是施用的化肥进入土壤转化成土壤有机氮，伴随着降雨或者农业灌溉进入流域中^[19]。

图 7 阿什河流域δ15N分布箱线图 Figure 7 Box plots of δ15N value distribution in Ashi River Basin

图选项

通过这两图比较可以看出，平水期的δ¹⁵N分布总体比耕地δ¹⁵N分布要低，分析原因是由于平水期处于种植业的播种期，大量的化肥开始投入到农田系统中，部分化肥则随着排水直接进入到了河流中。

耕地的δ¹⁵N分布与丰水期流域δ¹⁵N分布较为类似，说明丰水期时种植业是流域氮污染的主要来源，并且污染方式主要为土壤有机氮，由于耕作对于土壤造成的扰度较大，伴随着丰水期的降雨，种植区土壤中有机氮大量流失，成为丰水期流域主要的氮污染来源。

建设用地的δ¹⁵N分布与枯水期流域δ¹⁵N分布较为类似，但总体分布要低一些，由于农业活动基本停止进行，再加上降雨的减少，种植业污染不再是流域主要污染源，建设用地稳定的氮污染输出凸显，成为枯水期的主要污染源。但是枯水期中有6个点位的δ¹⁵N值处于0.11%～0.21%之间，属于人工化肥来源，可能是由于雨季人工化肥中的氮转化为硝态氮而下渗到土壤下层，当枯水期时，土壤下层径流补给河流，其中滞留的硝态氮对河水造成污染^[20]。

通过对阿什河流域种植业氮污染特征的分析，论证了以种植业为主要生产类型的流域，其氮污染往往是很严重的，主要的氮污染来源是种植业造成的，但是在不同的时期污染的影响方式不同。

平水期种植区土壤氮含量和入水体中的氮相关性高度显著，以种植业非点源氮污染为主要污染源的区域主要分布在中下游处，主要表现为人工合成化肥和农田退水造成的土壤有机氮污染，基于此阿什河流域在平水期主要的氮污染防控目标应放在高效施肥、农田排水节水利用上，防止化肥的过量施用及流失。

丰水期种植区土壤氮含量和入水体中的氮相关性显著，以种植业非点源氮污染为主要污染源的区域较多，来源以土壤有机氮为主。从播种期到生长期土壤内氮素含量有了一定的积累，另外丰水期时雨水量丰沛，以及坡耕地频繁耕作均使土壤侵蚀量增大，在此期间流域氮污染防治重点为种植区土壤流失防治，加强灌溉排水高效利用以及农田堤堰的建设。

枯水期种植区土壤氮含量和入水体中的氮相关性不明显，主要氮污染来源为非农业，但也有部分地区由于雨季化肥中的硝态氮下渗滞留，当枯水期时，地下径流补给河流，其中滞留的硝态氮对河水造成污染。因此，农田灌溉及地下水下渗等问题也应纳入流域种植业非点源氮污染防治的范畴内。