基于稳定同位素技术的加拿大阿尔伯塔省南部灌溉水营养源与汇识别

《Agricultural Water Management》：Identification of nutrient sources and sinks in irrigation water in southern Alberta using stable isotope techniques

　　

灌溉渠道中水生植被的过度生长会对灌溉水的及时输送产生负面影响，进而影响作物的产量和品质。这种植被生长通常由灌溉水中溶解营养盐浓度升高引起。研究人员采用含碳和氮化合物的稳定同位素测定技术，包括硝酸盐氧同位素比值（δ¹⁸O_NO3），在加拿大阿尔伯塔省南部四个灌溉区为期2年的研究中，识别了灌溉水中的主要营养源（化肥、粪肥、农业土壤、农业排水和市政污水）与汇（周丛生物、大型水生植物和渠道沉积物）。灌溉水的溶解无机碳碳同位素比值（δ¹³C_DIC）范围为?25.5‰至?0.8‰，硝酸盐氮同位素比值（δ¹⁵N_NO3）范围为?1.8‰至+18.8‰，δ¹⁸O_NO3范围为?9.5‰至+21.1‰。这些同位素特征表明，灌溉水中碳的主要来源为碳酸盐岩溶解和排水输入，而灌溉渠道沉积物被发现是碳汇。硝酸盐来源具有混合性，且在不同灌溉区之间存在差异。在集约化牲畜养殖密度高的灌区，硝酸盐主要来源于粪肥和粪肥改良土壤，尤其是当灌溉水中硝态氮浓度超过0.2 mg/L时。在以农田为主的灌区，灌溉水中硝酸盐的主要贡献者为土壤来源硝酸盐和无机化肥。了解灌溉水中营养盐来源有助于水资源管理者就渠道周边土地的营养管理措施做出前瞻性决策，从而降低灌溉渠道系统内水生植被过度生长的风险。

本研究旨在识别加拿大阿尔伯塔省南部四个代表性灌溉区灌溉渠道中促进水生植被生长的营养盐（磷、氮和碳）来源与汇。研究背景在于，加拿大半干旱地区南阿尔伯塔的农业生产高度依赖灌溉，但灌溉渠道网络正面临日益严峻的水生植被过度生长问题，包括周丛生物和大型水生植物。这种过度生长会堵塞进水滤网、降低渠道输水能力，并导致灌溉可用水量总体减少，最终影响作物品质与产量。同时，灌溉水管理者每年需承担高昂的人工和化学控制成本以清除渠道植被。尽管营养盐在驱动水生植物生长中的作用已得到公认，但南阿尔伯塔灌溉渠道内营养盐的具体来源尚不清楚。若不能填补这一知识空白，营养盐负荷将持续 unchecked，最终导致灌溉区植被管理成本过高、输水量降低，进而影响农业生产。

研究人员开展的这项研究采用稳定同位素技术，测量了碳和氮化合物的同位素比值，包括硝酸盐氧同位素比值，并将其与可能的来源和汇进行对比分析。研究区域涵盖四个参与灌溉区：Bow River（BRID；119,872 ha）、Lethbridge Northern（LNID；80,886 ha）、Raymond（RID；21,947 ha）和St. Mary River（SMRID；210,030 ha）灌溉区。每个灌区选取三条代表性渠道段，每段设四个采样点，共48个站点。样品采集于2019年7月和9月及2020年7月和8月的灌溉季节进行，涵盖灌溉水、潜在营养源和潜在营养汇。营养源包括无机化肥、牛粪、水禽粪便、市政污水、农业土壤以及地表和地下排水；潜在营养汇包括周丛生物、大型水生植物和渠道沉积物。稳定同位素分析在卡尔加里大学同位素科学实验室完成，营养分析由认证商业实验室采用美国环境保护署（EPA）方法300.1（修订版）通过离子色谱法进行。碳、氮同位素比值采用连续流-元素分析-同位素比值质谱联用技术（CF-EA-IRMS）测定，硝酸盐的δ¹⁵N和δ¹⁸O采用反硝化细菌法将硝酸盐还原为N₂O后进行IRMS分析。数据分析采用R统计软件进行非参数Kruskal-Wallis检验和Dunn检验，并通过Kaplan-Meier方法计算截尾数据的非参数统计估计。

研究结果部分，"灌溉水中碳和氮的稳定同位素组成"显示，各灌区δ¹³C_DIC中位数范围为?9.0‰至?5.4‰，δ¹⁵N_NO3从?1.8‰到+18.8‰，δ¹⁸O_NO3从?9.5‰到+21.1‰。固体营养源和汇的δ¹³C和δ¹⁵N_total统计特征见原文Table 3。

"灌溉水中碳的来源、汇与过程"部分的研究表明，四个灌区灌溉水中溶解 supporting 无机碳（DIC）的主要来源为碳酸盐岩溶解，其δ¹³C值范围（?15‰至?5‰）与灌溉水存在明显重叠。2019年9月出现的异常低δ¹³C_DIC值（?25.5‰至?8.9‰）表明，渠道水生植被季末衰亡驱动的有机物氧化贡献了额外的HCO₃^?。排水水样的δ¹³C_DIC值（?14.4‰至+0.2‰）与灌溉水无显著差异（p > 0.05），提示排水可能是渠道中碳的附加来源。汇方面，周丛生物δ¹³C中位数为?12.6‰，表明其碳源主要为水环境中的DIC；大型水生植物δ¹³C中位数?21.6‰，与陆生C₃植物利用大气CO₂的特征一致；渠道沉积物δ¹³C中位数?21.1‰，与大型水生植物相似，表明沉积物有机质很大程度上来源于大型水生植物残体。渠道沉积物被确认为碳汇。

"灌溉水中氮的来源、汇与过程"部分的研究揭示了硝酸盐来源的空间异质性。SMRID的δ¹⁵N_NO3变异性最小（?1.8‰至+6.3‰），中位数最低（+2.6‰），NO₃-N中位数浓度也最低（0.006 mg/L）。RID的δ¹⁵N_NO3中位数最高（+13.9‰），NO₃-N中位数浓度也最高（0.016 mg/L）。通过δ¹⁵N_NO3与δ¹⁸O_NO3双同位素图解分析，四个灌区均存在土壤有机质硝化来源的硝酸盐，部分补充以合成化肥（如NH₄⁺或尿素基化肥）的亚硝酸盐。δ¹⁵N_NO3与NO₃-N浓度关系揭示了四个不同聚类：聚类I为低硝酸盐浓度（<0.1 mg/L）、δ¹⁵N_NO3<+6‰的混合来源，以土壤背景硝酸盐和化肥输入为主；聚类II硝酸盐浓度类似但δ¹⁵N_NO3为+6‰至+10‰，与施用粪肥土壤有关；聚类III具高硝酸盐浓度（>0.02 mg/L）和高δ<sup>N_NO3（>+10‰），与粪肥来源一致；聚类IV硝酸盐浓度0.1-0.2 mg/L、δ15N_NO3约+2‰，指示无机化肥来源。所有NO₃-N浓度超过0.2 mg/L的灌溉水样品均显示粪肥来源硝酸盐。地表和地下排水样品主要落在粪肥/污水框内，表明排水携带粪肥衍生硝酸盐进入渠道。

氮汇方面，周丛生物δ15N_total中位数最低（+2.2‰），渠道沉积物为+5.4‰，大型水生植物最高（+6.4‰）。2019年，BRID、RID和SMRID的灌溉水δ15N_NO3值与三种汇的δ15N_total值无显著差异（p > 0.05），表明汇从灌溉水中获取氮。2020年RID情况不同，汇从灌溉水以外的来源获取氮。大型水生植物δ15N_total值在2019年显著高于灌溉水，2020年显著低于灌溉水，提示2019年可能从包括灌溉水和粪肥影响地下水在内的混合来源获取氮。

研究讨论与结论部分强调，稳定同位素分析成功识别了四个灌溉区灌溉水中DIC和硝酸盐的来源。DIC主要来源于碳酸盐岩溶解，排水水和土壤及粪肥有机物氧化也有贡献。硝酸盐来源具有混合性：低浓度样品来源于土壤硝酸盐和无机化肥；浓度>0.2 mg/L时粪肥为主导来源。LNID和RID（采样点）等集约化牲畜养殖区与粪肥及粪肥改良土壤来源高度相关，而以农田为主的BRID和SMRID则与粪肥来源关联较弱。同位素数据显示地表和地下排水中的硝酸盐与粪肥衍生硝酸盐高度一致，若进入灌溉渠道将贡献其中的粪肥来源硝酸盐。大型水生植物从包括粪肥影响地下水和排水在内的混合来源获取氮。这些发现可应用于南阿尔伯塔其他灌溉区及气候地理条件相似地区，帮助灌溉水管理者针对 identified 营养源制定靶向营养管理措施，减少营养负荷和随之而来的水生植被过度生长，降低渠道设施内水生植被管理所需资源。未来研究可进一步探究特定营养盐的限制或非限制性质及其与水生植物过度生长的关系。</sup>