نیتروژن و ایزوتوپ های آن

دو ایزوتوپ پایدار N وجود دارد: 14 نیوتن و 15 نیوتن. از آنجایی که میانگین فراوانی 15 نیوتن در هوا 0.366٪ بسیار ثابت است (Junk and Svec, 1958)، هوا (AIR) به عنوان استاندارد برای گزارش d 15 استفاده می شود. N مقادیر بیشتر مواد زمینی دارای ترکیبات d 15 N بین -20‰ و +30‰ هستند. منبع غالب نیتروژن در اکثر اکوسیستم های جنگلی جو است ( d15 N = 0‰). بسیاری از گیاهان نیتروژن را تثبیت می کنند و موجودات زنده این نیتروژن را به داخل خاک می چرخانند. منابع دیگر نیتروژن عبارتند از کودهای تولید شده از نیتروژن جو با ترکیبات 0 ± 3 ‰ و کود حیوانی با مقادیر نیترات d 15 N عموماً در محدوده 10+ تا 25+. منابع سنگی نیتروژن به طور کلی ناچیز در نظر گرفته می شوند.

واکنش های با واسطه بیولوژیکی (مانند جذب، نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی) به شدت دینامیک نیتروژن در خاک را کنترل می کند، همانطور که در زیر به طور خلاصه توضیح داده شده است. این واکنش ها تقریباً همیشه منجر به غنی سازی 15 نیوتن بستر و تخلیه محصول می شود. اگرچه بارش اغلب حاوی مقادیر کمتر از مقدار آمونیوم و نیترات است، زیرا آمونیوم ترجیحاً توسط تاج پوشش نسبت به نیترات اتمسفر حفظ می شود (گارتن و هانسون، 1990)، بیشتر نیتروژن اتمسفری که به سطح خاک می رسد به شکل نیترات است. نیترات خاک ترجیحاً توسط ریشه درختان نسبت به آمونیوم خاک جذب می شود (Nadelhoffer et al., 1988).

d 15 N کل خاک N تحت تأثیر عوامل بسیاری از جمله عمق خاک، پوشش گیاهی، آب و هوا، اندازه ذرات، تاریخچه فرهنگی و غیره قرار دارد. با این حال، دو عامل، زهکشی و تأثیر بستر، تأثیر ثابت و عمده ای بر مقادیر 15 N دارند (شیرر و کوهل، 1988). خاک‌های شیب‌های پایین‌تر و تراوش‌های نزدیک شور دارای مقادیر d 15 N بالاتری نسبت به خاک‌های با زهکشی خوب هستند (Karamanos et al., 1981)، شاید به این دلیل که نیترات زدایی بیشتر در مناطق باتلاقی بیشتر منجر به نیترات باقیمانده سنگین می‌شود. مقادیر d 15 N خاک از کف دره در حوضه آبخیز واکر برانچ در تنسی (ایالات متحده آمریکا) سنگین‌تر از خاک‌های پشته‌ها و شیب‌ها است که با یک مدل نظری سازگار است که افزایش d 15 N از نیتروژن معدنی در خاک را توضیح می‌دهد. به عنوان تابعی از نرخ های نسبی بالاتر بی حرکتی و نیتریفیکاسیون در این خاک های پایین (شیرر و همکاران، 1974). خاک‌های سطحی زیر بوته‌ها و درختان اغلب دارای مقادیر d 15 N سبک‌تر از خاک‌های مناطق باز هستند که احتمالاً در نتیجه رسوب بستر است (شیرر و کوهل، 1988). شکنش در طی تجزیه بستر در جنگل ها منجر به خاک های سطحی با مقادیر d 15 N سبک تر از خاک های عمیق تر می شود (Nadelhoffer and Fry, 1988). گورملی و اسپالدینگ (1979) همبستگی معکوس غلظت نیترات d 15 نیترات و نیترات در زیر مزارع کشاورزی را به افزایش نیترات زدایی با عمق نسبت دادند.

اگرچه مطالعات ردیاب 15 N غنی شده معمولاً برای چندین دهه در تحقیقات کشاورزی مورد استفاده قرار گرفته است (برمر، 1965)، مطالعات فراوانی طبیعی برای ردیابی منابع طبیعی و انسانی نیترات با Kohl و همکاران آغاز شد. (1971) اما تا دهه گذشته نادر بودند. چنین مطالعاتی از این مشاهدات بهره می‌برند که نیتروژن حاصل از جو و نیتروژن کود معمولاً دارای مقادیر سبک d 15 N هستند در حالی که نیتروژن مشتق شده از حیوانات (مانند کود یا پساب‌های سپتیک تانک) معمولاً به طور قابل توجهی سنگین‌تر است. از این رو، در شرایط مساعد، اعضای نهایی قابل تشخیص هستند و می توان سهم نسبی این دو منبع را در آب زیرزمینی تخمین زد. مطالعات متعدد نشان داده است که مقادیر d 15 N نیترات در آب های زیرزمینی می تواند برای نشان دادن منبع غالب نیترات استفاده شود. چنین کاربردهایی در خاک های با زهکشی خوب و آب های زیرزمینی اکسیژن دار که در آن نیتریفیکاسیون سریع است و نیترات زدایی حداقل است، بیشترین موفقیت را دارند. تحت این شرایط، مقادیر d 15 N نسبتا محافظه کار هستند. مطالعات موفقیت‌آمیز کمتری در آب‌های سطحی انجام شده است، زیرا احتمال بیشتری وجود دارد که فرآیندهای بیولوژیکی رقابتی مانند جذب، نیتریفیکاسیون آمونیوم و نیترات زدایی باعث شکنش‌های ایزوتوپی قابل‌توجه شوند. نیترات مشتق شده از خاک و نیترات کود معمولاً دارای ترکیبات همپوشانی هستند که با استفاده از 15 نیتروژن به تنهایی از جداسازی آنها جلوگیری می کند. کاربرد 15 نیوتن برای ردیابی سهم نسبی کود و فضولات حیوانی در آب های زیرزمینی (Kreitler, 1975; Kreitler and Jones, 1975; Kreitler et al., 1978; Gormly and Spalding, 1979) توسط تعدادی از واکنش ها از جمله volatilization آمونیاک پیچیده می شود. نیتریفیکاسیون، نیترات زدایی، تبادل یونی و جذب گیاه. این فرآیندها می‌توانند مقادیر d 15 N منابع N را قبل از اختلاط و مخلوط‌های حاصل تغییر دهند و باعث می‌شوند برآورد سهم نسبی منابع نیترات نادرست باشد.

نیترات زدایی باعث می شود که با کاهش غلظت نیترات، d 15 نیترات باقیمانده (واکنش نشده) به صورت تصاعدی افزایش یابد. به عنوان مثال، نیترات زدایی از نیترات کود که در ابتدا دارای مقدار متمایز d 15 N +1 ‰ بود، می تواند نیترات باقیمانده با مقدار d 15 N 15+ به دست آورد. این مقدار در محدوده ترکیبات مورد انتظار برای نیترات از یک منبع کود یا سپتیک تانک است. فاکتورهای شکنش اندازه گیری شده مرتبط با نیترات زدایی از 10 تا 40 ‰ است. N 2 تولید شده توسط نیترات زدایی منجر به محتوای “N 2 اضافی ” در آب های زیرزمینی می شود. کل N 2 (که از هوای وارد شده در طول شارژ مجدد به اضافه N 2 تولید شده توسط نیترات زدایی تشکیل شده است) را می توان جمع آوری کرد، برای d 15 N تجزیه و تحلیل کرد و برای تخمین میزان نیترات زدایی، ترکیب اولیه نیترات یا تاریخچه اختلاط استفاده کرد. آب (Vogel et al., 1981; Bohlke and Denver, 1995; McMahon and Bohlke, 1996).

توسعه اخیر روش هایی برای تجزیه و تحلیل نیترات برای d18 O (Amberger and Schmidt, 1987; Silva et al., in review; Revesz et al. , 1997) باید استفاده از تکنیک های ایزوتوپی را برای ردیابی منابع و تبدیل نیترات گسترش دهد. مقادیر نیترات d 18 O طیف وسیعی از مقادیر را نشان می دهد که از حدود 10- تا 80+ ‰ متغیر است. بسیاری از منابع نیترات دارای مقادیر متمایز d18O و d15N هستند . به ویژه، نیترات به دست آمده از منابع کود اتمسفر یا نیترات به راحتی از آمونیوم نیترات شده و اوره متمایز می شود. شکلی که محدوده تقریبی ترکیبات بسیاری از ترکیبات را نشان می دهد در دسترس است. آمبرگر و اشمیت ( 1987) تعیین کردند که نیترات و نیترات کود حاصل از نیتریفیکاسیون مواد آلی دارای مقادیر متمایز d18O و d15N هستند . هر سه اکسیژن موجود در نیترات کود از O 2 اتمسفر (22 + تا 24 + ‰) مشتق می شوند و بنابراین d18 O نیترات در این محدوده است . دو تا از اکسیژن‌های موجود در نیترات خاک از اکسیژن موجود در مولکول‌های آب (و احتمالاً d18 O آب را منعکس می‌کنند ) و یک اکسیژن از O2 اتمسفر می‌آید . برای آب هایی با مقادیر d 18 O در محدوده 5- تا 20- ‰، d 18 O نیترات خاک حاصل از نیتریفیکاسیون درجا آمونیوم باید به ترتیب در محدوده 5+ تا 5- ‰ باشد.

یکی دیگر از کاربردهای مفید “رویکرد ایزوتوپ دوگانه” برای تعیین سهم نسبی منابع نیترات اتمسفر و مشتق از خاک در آب های زیرزمینی کم عمق است. این مشکل با استفاده از d 15N حل نشدنی است زیرا ترکیبات همپوشانی خاک و نیترات حاصل از اتمسفر است. داده های اخیر از چندین جنگل آلمان (دورکا، 1994؛ دورکا و همکاران، 1994) و سه حوضه آبریز در ایالات متحده (کندال و همکاران، 1995؛ کندال و همکاران، 1996) نشان می دهد که d18 O نیترات در بارش است . در محدوده 25+ تا 75+ ‰. اگر چنین مقادیر سنگین d18 O نمونه نیترات حاصل از اتمسفر در جاهای دیگر باشد، یا حداقل در جاهایی که منابع انسانی قابل توجهی از نیتروژن جو وجود دارد، سهم بارش باید به راحتی از نیترات خاک متمایز شود . دورکا (1994) نیترات را در نمونه‌های بارش و بهار از چندین جنگل آلمان برای هر دو ایزوتوپ تجزیه و تحلیل کرد و دریافت که d18 O نیترات در چشمه‌ها با سلامت عمومی جنگل مرتبط است، با جنگل‌های سالم یا آهکی که d 18 کمتری نشان می‌دهند. مقادیر O به ترکیب نیترات تولید شده میکروبی نزدیک تر است. جنگل‌هایی که به شدت آسیب دیده‌اند ، مقادیر d18O بالاتری را نشان می‌دهند، که نشان‌دهنده سهم عمده نیترات اتمسفر در سیستم است. از این رو، به نظر می رسد کاهش جنگل های ناشی از اسید، مصرف نیترات توسط میکروارگانیسم های خاک را مهار می کند (Durka et al., 1994).

کاربرد مشابهی برای تعیین منبع نیترات در رواناب اوایل بهار است. در سه مطالعه آزمایشی که در حوضه های آبریز نیویورک، کلرادو و ورمونت در طول فصل ذوب برف سال 1994 انجام شد، کندال و همکاران. (1995، 1996) دریافتند که تقریباً تمام نمونه های جریان دارای مقادیر نیترات d 18 O و d 15 N در محدوده آب های قبل از ذوب و خاک بودند. نمونه‌های جریان به‌طور قابل‌توجهی با ترکیب تقریباً همه نمونه‌های برف متفاوت بودند، که نشان می‌دهد نیترات اتمسفر از برف 1994 منبع قابل‌توجهی از نیترات در رواناب اولیه در این حوضه‌ها نبود. بنابراین، نیترات شسته شده از بسته برف به نظر می رسد به ذخیره سازی می رود، و بیشتر نیترات در جریان جریان در طول دوره اسیدی شدن بالقوه ظاهراً از منابع پیش ذوب گرفته شده است.

آمبرگر و اشمیت (1987) نشان دادند که نیترات زدایی منجر به غنی سازی در d 18 O نیترات باقیمانده و همچنین غنی سازی در d 15 N می شود. بنابراین، تجزیه و تحلیل d 15 N و d 18 O نیترات باید اجازه دهد که اثرات نیترات زدایی شود. متمایز از اختلاط منابع این رویکرد ایزوتوپی دوگانه از این مشاهدات بهره می‌برد که نسبت غنی‌سازی در 15 نیوتن به غنی‌سازی 18 O در نیترات باقی‌مانده در طول نیترات‌زدایی حدود 2:1 به نظر می‌رسد (آمبرگر و اشمیت، 1987؛ بوچر و همکاران، 1990). . از این رو، نیترات از سیستم هایی که نمودار نیترات زدایی قابل توجهی را در امتداد یک خط بسیار متمایز در نمودارهای d 15 N در مقابل d 18 O تجربه کرده اند. اگر این نسبت ثابت باشد، و ترکیبات d 15 N و d 18 O دو منبع بالقوه نیترات که در آب های زیرزمینی نقش دارند، شناخته شده باشند، قابل تشخیص باشند و در ترکیب پراکندگی زیادی نشان ندهند، مشارکت نسبی “اصلی” اینها دو منبع نیترات در هر نمونه آب زیرزمینی را می توان از مقادیر d15N و d18O نیترات تخمین زد .

اطلاعات بیشتر را می توان در بخش یافت: “ترکیب ایزوتوپی نیترات” در کلارک و فریتز (1997)، ایزوتوپ های محیطی در هیدرولوژی ، چاپ CRC.

اطلاعات اضافی را می توان در فصل پیدا کرد: “ردیابی منابع نیتروژن و چرخش در حوضه ها” توسط کندال (1998)، در: سی کندال و جی جی مک دانل (ویراستار.)، ردیاب ایزوتوپ در آبریز حوضه ، الزویر، آمستردام، ص 519. -576.

منبع متن : این بررسی توسط کارول کندال، عمدتاً از کندال و همکاران جمع آوری شده است. (1995) و کندال (1998).