氮磷污染源具有分布范围广、影响因子多样等特点，采用单一手段进行氮磷污染源解析时，具有精度低、时效性差等难点。融合多元同位素、特征化学组分、微生物指纹等示踪因子，研发多指标联合示踪技术，是提升氮磷污染源类别解析精细化程度的关键。

主要研究内容

针对近海氮磷污染物来源不清、定量评估难度大的问题，以氮磷污染物源-汇关系解析为基础，研发氮磷污染源清单技术与关键源区识别技术；结合多元同位素、特征化学组分和微生物指纹等方法，构建氮磷污染源精准识别和定量解析的污染源类别解析技术，研发陆源氮磷源汇解析模型和负荷评估技术。

1、高时空分辨率氮磷污染源清单构建技术

采用统计方法和输出系数模型等构建了陆域氮磷污染源清单技术；通过层次分析法构建了近岸海底地下水污染风险源清单；采用投影转换、空间插值和化学机制等方法，形成了近岸大气氮素的时空动态排放清单；将物料平衡法、排污系数法和化学分析法相结合，研发了近岸海水养殖排放清单技术。最终构建了1km×1km的陆域-大气-近海高时空分辨率氮磷源清单，实现了全视角监测和氮磷污染管控（图1）。

图1 陆域-大气-近海高时空分辨率氮磷源清单技术路线

2、入海污染物关键源区识别技术

针对近海氮磷主要污染源区范围确定精度较低问题，引用多阈值河流提取方法，构建了不同分辨率层次的氮磷源区（图2），通过对比不同精度源区内地形与土地利用对河流中总氮/总磷浓度影响，确定区域划分精度，进而建立源区特征因子（地形与土地利用）与流域总氮/总磷贡献的映射模型，用于对污染源区的级别量化与关键污染源区识别。该技术基于遥感数据，减少了对现场测量数据的需求，目前已在长江口-杭州湾及毗邻海域和浙江近岸陆域氮磷污染陆源、海源和气源高时空分辨率清单构建与关键源区识别中得到应用。

图2 关键氮磷污染源区识别技术路线

3、多指标联合示踪的氮磷污染类别解析技术

针对我国近岸海域氮磷污染物来源众多、单一类别溯源方法精度低等问题，初步构建了涵盖特征污染物、多元同位素、微生物指纹和水化学组成等多指标融合的氮磷污染物精准溯源与定量解析技术。

非靶向快速筛查技术（图3）运用高效液相色谱-飞行时间质谱等先进的分析仪器进行数据依赖性采集，并对质谱数据进行上游分析，实现质谱峰的提取、分子式生成和库匹配，得到各分子特征的质谱数据。将质谱数据导入RStudio软件实现下游分析，最终筛选出特异存在于各类污染源的特征污染物。该技术方法已应用于养殖类样本中特征污染物的筛查（图4）。

图3 特征化合物非靶向筛查技术流程

图4 特征污染物筛选韦恩图：（A、B、C、D分别代表鱼类、虾类、蟹类和其它动物类）

多元同位素的氮污染源类别解析技术（图5）通过测定各类污染源样品的硝态氮、氨氮和亚硝酸盐氮浓度，以及利用细菌反硝化法和次溴酸盐氧化+盐酸羟氨还原法分别测定样品的氮氧双同位素值和铵态氮氮同位素，构建贝叶斯混合（MixSIAR）模型，用于评估各污染源对不同形态氮的贡献率。将上述测得的氮氧双同位素和铵态氮氮同位素值与文献中的同位素分馏值，在R软件包中编程运行，得到硝酸盐和铵盐的贡献率。该技术适用于精度要求相对较低的主要污染源（如工业源、农业源等）解析，目前已应用于象山港和浙江沿海的溯源中（图6）。

图5 多元同位素氮污染源类别解析技术路线

图6 利用多元同位素技术解析象山港硝氮、氨氮和无机氮的不同来源贡献比

基于同位素和DOM的磷污染源类别解析技术（图7）在分析测定各类污染源样品的总磷、磷酸盐和磷酸盐氧同位素值及荧光光谱的基础上，采用机器学习算法对三维荧光光谱数据进行深度挖掘，获取表征荧光特性的指标信息。通过统计回归和相关分析，构建了同位素值和荧光光谱信息之间的定性和定量关系。根据各类污染源的DOM吸收光谱特性及DOM和同位素之间的线性或非线性关系，实现了针对各类污染源磷污染物的定性和定量解析。该技术已应用于浙江沿海样品中磷污染源的定性和定量解析中。

图7 同位素和DOM的磷污染源类别解析技术路线

基于微生物指纹的氮磷污染源类别解析技术（图8）针对精度要求更高的精细类别污染源（例如农业源中的种植源、养殖源等），基于对各类别污染源样品16srDNA测序信息，计算源样本的Bray-Curtis距离，使用非约束的主坐标分析，按照大类可将污染源样本显著（P<0.05）降维分成农业种植土和水产养殖水。利用线性辨别分析法（LEfSe分析）基于线性辨别阈值（LDA>3）筛选出农业种植土与水产养殖水存在显著差异（P<0.05）的各分类水平上的可识别出的微生物物种。根据源灵敏度和特异性，确定各大类别源的特征微生物物种。采用随机森林法筛选区分水产养殖源与农业种植源的微生物物种。基于≥0重要性阈值，筛选出用作构建水产养殖源和农业种植源的微生物物种指纹谱。该技术可成功筛选出能指示精细污染源的微生物示踪因子（图9），并在象山港和浙江沿海的溯源中得到应用。

图8 基于微生物指纹的氮磷污染源类别解析技术路线

图9 水产养殖源和农业种植源存在显著差异的纲级微生物物种

4、基于氮磷污染物源汇模型的逆向溯源技术

针对近海及内陆水体氮磷污染传输路径复杂及扩散机制不明晰等问题，探究污染物从汇点到源头的详细流向及其重要的污染区域（图10）。建立了钱塘江流域富春江至杭州湾河段的非结构网格模型，构建了水动力数值模型和水质模型（图11），确定了河流连接节点对氮磷负荷的具体贡献率。

图10 氮磷模型逆向溯源技术路线

图11 基于钱塘江流域富春江至杭州湾河段水动力和水质模型模拟的丰水期TN和TP随涨潮、落潮浓度变化

该项目负责人为生态环境部河口与海岸带环境重点实验室、中国环境科学研究院流域水环境污染综合治理研究中心雷坤研究员，项目参与单位包括北京师范大学、中国科学院大气物理研究所、上海海洋大学。