利用δ15N和δ18O得知農業灌溉流域中硝酸鹽的來源及其循環

一、前言

全世界的氮生產量因為人類活動而遽升，已知對水環境、陸地和沿海生態系統產生了負面影響，因此我們必須認識氮的循環並且重視它。農業活動是氮的主要來源，其佔人為固氮量的75％，並主要來自氮肥的生產。

然而，由於對農業環境的氮循環認識不足導致近四分之三的農業氮並非促成糧食生產，反而是流失到大氣中。硝化作用和脫氮作用在農業氮流失扮演關鍵的角色。硝化作用將氨(NH3)轉化為硝酸鹽，硝酸鹽是最容易損失的固定氮的形式，通過脫氮作用以氣態形式(N2)或作為溶解態硝酸鹽排放到溪流中。

硝化作用：生物用氧氣將氨氧化為亞硝酸鹽繼而將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的作用。

脫氮作用：細菌將硝酸鹽（NO₃⁻）中的氮（N）通過一系列中間產物（NO₂⁻、NO、N₂O）還原為氮氣分子（N₂）的生物化學過程。

英國東部安格利亞的溫斯姆(Wensum)流域是一個570平方公里的低地農業流域。集水區90％以上的土地被列為特別容易受到硝酸鹽污染。除了污水排放之外，氮肥和糞肥的瀰漫性污染導致溫斯姆河流域有大量的溶解硝酸鹽。

雙重同位素分析用於測定硝酸鹽來源的同位素組成，以及溫斯姆河流伏流水層(Hyporheic Zone)硝酸鹽的部分脫氮作用。脫氮作用是流域出口轉移到大氣中而造成河流中高達30％硝酸鹽氮的損失（Wexler et al。2011; 2012）。

二、方法

使用0.22 um醋酸纖維過濾膜過濾樣品，以-15℃冷凍過濾後的樣品。樣品中的硝酸鹽用脫氮方法轉化為一氧化二氮(Sigman et al. 2001; Casciotti et al. 2002)。脫氮方法使用天然存在的單菌株細菌脫氮酶Pseudomonas chlororaphis subsp. aureofaciens（ATCC#13985），在低氧條件下，進行厭氧呼吸期間利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體的兼性厭氧菌。該菌株缺乏一氧化二氮還原酶活性，所以脫氮途徑在一氧化二氮階段被截斷，這意味著硝酸鹽和亞硝酸鹽被定量轉化為一氧化二氮。一氧化二氮同位素組成是在Sercon GEO 20-20連續流氣相色譜儀同位素比質譜儀上，搭配TG II製備系統、Gilson自動進樣器及開放式的分離界面，相對於實驗室氣瓶參考氣體測量。在同位素分析之前，從樣品瓶中萃取和純化一氧化二氮。樣品瓶含有培養基、細菌細胞、河水及微量氣體(包括一氧化二氮)。

使用氦氣(雙針)吹掃樣品瓶後通過Nafion和高氯酸鎂除水管以去除水分，用Carbosorb trap除去二氧化碳，並用二氧化氮及Supelco F trap除去揮發性有機物化合物，最後通過乾冰/乙醇trap中的靜止迴路去除殘留的水分，一氧化二氮被捕捉並聚集在由兩個浸入液氮中的鋼環組成的低溫阱中。通過Varian Poraplot / Q pre-column後分離出其他干擾化合物。最後，一氧化二氮通過HP-PLOT / Q GC管柱，在保持於30℃的GC oven中分離二氧化碳。GEO 20-20質譜儀測量質量44、45和46，45/44和46/44比例由Sercon Callisto操作軟件計算。國際標準物質IAEA-NO3、USGS34和USGS35是與樣品同時製備，用於校準結果，兩種同位素的長期精確度為0.5‰。

References

Wexler, S.K., Hiscock, K.M., and Dennis, P.F., (2011). Catchment-scale quantification of hyporheic denitrification using an isotopic and solute flux approach. Environmental Science and Technology, 1; 45(9): 3967-73.

Wexler, S.K., Hiscock, K.M., and Dennis, P.F., (2012). Microbial and hydrological influences on nitrate isotopic composition in an agricultural lowland catchment. Journal of Hydrology, 468–469: 85–93

Sigman, D. M., Casciotti, K. L., Andreani, M., Barford, C., M., G. & Bohlke, J. K. (2001). A bacterial method for the nitrogen isotopic analysis of nitrate in seawater and freshwater. Analytical Chemistry, 73, 4145-4153.

Casciotti, K. L. & McIlvin, M. R. (2007). Isotopic analyses of nitrate and nitrite from reference mixtures and application to Eastern Tropical North Pacific waters. Marine Chemistry, 107, 184-201.

Sercon

GEO 20-20 IRMS, at the Science Analytical Facilities, University of East Anglia

Acknowledgement

This research was funded by the Natural Environment Research Council

Sarah K. Wexler, Kevin M Hiscock, Paul F. Dennis, School of Environmental Sciences, University of East Anglia, Norwich Research Park, NR4 7TJ UK.