基于13C和15N同位素示踪技术的生物滞留系统中碳氮多介质归趋解析及其环境意义

本研究针对生物滞留系统（Bioretention）中碳氮迁移转化路径不明的科学问题，采用13C和15N同位素示踪技术，揭示了碳以CO2排放（36-46%）为主、氮以土壤保留（25-67%）和微生物吸附（31-54%）为主导的多介质归趋规律，为优化海绵城市雨水净化效能提供了理论依据。

　　

论文解读：

随着城市化进程加速，不透水地表扩张导致雨水径流污染加剧，其中总氮（TN）和总磷（TP）等非点源污染占比超50%，成为水体恶化的主要推手。生物滞留系统作为海绵城市的核心设施，虽能有效截留污染物，但其内部碳氮的迁移转化机制长期存在"黑箱"。传统研究多聚焦去除率，却忽视多介质层（植物-土壤-微生物）的协同作用，制约了系统优化设计。为此，北京自然科学基金支持的研究团队在《Environmental Research》发表成果，首次通过¹³C和¹⁵N同位素示踪技术，绘制出生物滞留系统中碳氮的"命运地图"。

研究采用24组PVC柱模拟生物滞留系统，以¹³C₆H₁₂O₆和K¹⁵NO₃为示踪剂，结合同位素质谱分析技术，量化了植物（马兰Kalimeris indica）、土壤、微生物、渗出水及气体中的同位素分布。

Experimental setup
标准化设计的PVC柱实验体系确保数据可比性，马兰作为模式植物因其强抗逆性和污染物吸收能力被选用。

The multimedia fate of ¹³C in bioretention
发现叶片δ¹³C值始终高于根系（最大差异3.77‰），证实光合产物优先滞留叶片；CO₂排放贡献率达36-46%，揭示碳矿化为主要流失途径。土壤层固定13-28%的碳，而微生物转化与植物吸收分别占9-21%和8-19%。

The multimedia fate of ¹⁵N in bioretention
¹⁵NH₄⁺-N在土壤中的截留量高达25-67%，而¹⁵NO₃^--N主要通过微生物吸附（31-54%）去除，反硝化作用贡献12-29%。渗透出水携带的氮仅占7-18%，表明系统对溶解态氮的高效截留。

Conclusions
研究首次量化了生物滞留系统中碳氮的多介质分配：碳以气态损失为主，氮以土壤固定和微生物转化为主导。这一发现为优化介质层配比（如增强微生物层厚度）提供靶点，同时证实同位素示踪技术在环境过程解析中的独特优势。

讨论
该成果突破传统去除率研究的局限，从物质流视角揭示了"植物-土壤-微生物"三位一体的协同净化机制。特别是发现微生物吸附对硝态氮（NO₃^--N）的关键作用，为控制农业面源污染中难处理的硝态氮提供了新思路。研究建立的同位素质量平衡模型，可推广至人工湿地、雨花园等绿色基础设施的效能评估。