论文部分内容阅读
城市化是人类文明发展的终极目标，城市化通常是在河流流域内向前推进的。由于城市化程度的提高，河流硝态氮的来源可能增加，浓度可能升高。高的硝态氮含量增加了水体富营养化的风险、污染地下水系统、提升反硝化作用过程中产生的一种重要温室气体N2O的排放通量及高致癌性的亚硝酸盐的产量。但城市化程度与流经城市的河流中硝态氮的浓度和来源到底是一种怎样的定性或定量关系、城市化程度到底如何影响河流中硝态氮的浓度和来源，目前尚不得而知。
另一方面，硝态氮的氮、氧同位素测定技术日臻成熟，水化学组成的分析配合双同位素示踪与传统单一的同位素示踪相比对于硝态氮来源的确定具有更高的可靠性和确定性。在很多实验室，这些分析方法可以轻易实现。这给城市化程度如何影响河流硝态氮浓度和来源关系的研究提供了技术和理论基础。
研究城市化程度对河流硝态氮浓度和来源的影响可以在两个尺度，即时间尺度和空间尺度上进行。由于城市化的强度随时间的改变非常缓慢，在时间尺度上进行该项研究至少需要长达10年左右的监测，很显然，这项工作过于复杂而漫长。但是，在河流流域的不同空间区域呈现的城市化强度却往往差别很大，这给我们从空间尺度探讨该主题提供了绝佳机会。
基于以上考虑，我们以流经中国西南贵州省贵阳市城区的河流--南明河作为窗口，从空间尺度上探讨城市化强度和河流硝态氮浓度和来源的关系。于南明河在小河区的三江口到乌当区的新庄河段设立14个采样点，包括截污沟样点1个、支流样点5个、干流样点8个。采样时间为2009年10月到2010年9月，为期一年，每月中旬取样。采样河段在空间尺度上按照城市化程度的强弱可以分为3个区域，即南明河流过主城区之前的城市化程度低的边缘城区(小河区，对应于干流上的采样点2＃、4＃)、流过贵阳市城市化程度高的主城区(南明区、云岩区，对应于干流上的采样点5＃、7＃、9＃、11＃)、流过主城区之后的城市化程度低的边缘城区(乌当区，对应于干流上的采样点13＃、14＃)。测定的参数主要为硝态氮的氮(δ15NAir)、氧(δ18OVSMOW)同位素组成、水化学组成(主要阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+；主要阴离子：Cl-、NO3-、SO42-、HCO3-)。得到如下结果或结论：
1.水化学组成：受碳酸盐岩化学风化作用控制，河水阳离子主要以Ca2+，Mg2+为主，阴离子以HCO3-为主，由于煤的燃烧，河水SO42-离子含量也很高，通常>100 mg·L-1，河水水化学类型为Ca-HCO3型。
2.硝态氮的氮、氧同位素组成为：δ15N和δ18O的变化范围分别是4.7‰～22.0‰和8.5‰～24.0‰，平均值则分别为12.7±3.0‰(n=149)和14.9±3.4‰(n=134)。干流的氮、氧同位素比值高于支流。
3.硝态氮浓度与城市化强度的关系：硝态氮含量变化情况是干流>支流>截污沟。主城区河段硝态氮含量明显升高，是三江口地区的2-3倍，最高可达7.3mol·L-1。从取样河段的上游到中游再到下游，城市化强度由弱到强到弱变化，这导致河水硝态氮含量呈现从低到高又到低的变化，在空间上很好地说明了城市化强度对河水硝态氮浓度的影响。与人类活动密切相关的离子如Na+、Cl-、SO42-也呈现类似的变化。
4.硝态氮来源与城市化强度的关系：取样河段的上游水体中硝态氮的同位素比值较低，氮、氧同位素指示多种来源，如农业施肥、大气沉降、生活污水的排入等；而下游河段(流出主城区后的部分)，也有同样的变化特征。流经主城区的取样河段的中游，水体中的氮、氧同位素比值相对较高，氮、氧同位素比值指示水体硝态氮以生活污水的来源为主，从空间上说明了城市化强度对河水硝态氮来源的控制。
5.月际气候条件的改变对城市化强度与河流硝态氮浓度和来源关系的放大或缩小效应：春夏相对秋冬季寓集了更多的15N和18O。硝态氮的氮、氧同位素组成的数据揭示如下信息：虽然冬季降雨量低，生活污水在河水中所占比例升高，但由于冬季气温低，氨化作用和硝化作用的进行受到抑制，河水硝态氮浓度低；夏季则相反，尽管受到夏季高降雨量对河水稀释效应的影响，但由于夏季氨化作用和硝化作用活跃，城市中与人类活动相关的可产生废弃物的任何场所均可进行这两种作用，雨水降落地而沿途携带这些硝态氮进入河流，反而使得夏季城市化强度对河水硝态氮浓度的影响被放大，河水硝态氮浓度很高。