庆祝Carol Kendall博士的硝酸盐源双同位素分布图25周年

我们最近庆祝了《Isotope Tracers in Catchment Hydrology》出版25周年，该书由Carol Kendall和Jeffrey J. McDonnell编辑，首次介绍了Kendall博士创新的一系列典型硝酸盐源的双同位素图。通过分析环境样品的δ15N和δ18O值，并将结果与图进行比较，研究人员可以快速确定环境样品中硝酸盐的可能来源。这种类型的数据有重要的应用，特别是当涉及到制定解决地表水和地下水污染挑战的解决方案时，该图已经发展成为了解环境硝酸盐来源的基本框架。

人为来源的硝酸盐污染对我们的环境健康构成严重威胁，因为它会导致地表水和地下水的藻华和缺氧，从而破坏整个生态系统。这不仅可能导致明显的生态破坏，而且可能对依赖这些生态系统的当地社区的经济和健康产生重大影响。然而，很难理解硝酸盐污染的真实程度，因为硝酸盐是一种天然存在的必需营养素，支持植物和动物的生命。将自然产生的硝酸盐与人类活动产生的硝酸盐分离开来，对于识别问题区域和从源头解决污染问题至关重要。

稳定同位素分析使研究人员能够确定硝酸盐可能的主要来源，无论是来自农业肥料、动物粪便、处理不当的污水和废水还是其他来源。硝酸盐来源的双同位素图使得可视化水样中硝酸盐的可能来源变得简单，这是实施解决方案的第一步。

我们与Carol坐下来讨论了她是如何发展出著名的双同位素图的和她的工作在过去25年来的影响，以及她的研究在解决环境污染紧迫问题方面的应用。

绘制双同位素图

为了绘制这幅图，Carol收集了20世纪90年代末发表的硝酸盐同位素数据，并将其绘制在一起，如图16.6所示。

然后，在考虑诸如高度本地化数据的可能影响和决定哪些数据点可以被视为异常值等因素之后，Carol能够绘制方框图，根据它们的来源将值分组在一起，这就产生了图16.9，这是第一次尝试总结环境硝酸盐的来源。

该图的功能在视觉上很清楚-基于你提供的关于15N和18O同位素值的数据，它确定了样品中硝酸盐的可能来源。该图简单概括了可能的硝酸盐来源，但重要的是要考虑到可能影响结果的一系列复杂的自然过程。这些包括由生物过程引起的样品的硝化和反硝化，氨的挥发和混合的可能性。这些过程的同位素效应需要被理解，但是一旦你得到了最终的同位素值，就很容易得出关于它们来源的可能结论。

在过去的25年里，这幅图使我们更容易理解同位素在环境中的作用。美国的研究人员收集了大量数据，Carol说:“很容易利用美国的大型监测项目来获得别人收集的独特样本。对它们进行了水化学分析，有详细的水文信息。这些研究人员还想知道一些问题的答案，所以他们不能把样本放在那里，而不分析它们来确定来源。他们可以绘制他们的河流样本，看看氮的来源是什么。因此，这一情节使稳定同位素分析在美国更受欢迎。”

在25年的时间里，这幅图被Carol修改了很多次，在她的最初计划，降水样本数据包括干沉积样本和在树冠下收集的样本，原始图解释了这些样品中同位素值的巨大差异，但在Carol现在使用的图中，她排除了干沉积和冠层沉积样品。

稳定同位素数据的应用

持续监测水质对全球解决氮污染的努力至关重要。稳定同位素分析应该是其中的关键部分，随着新样品制备方法的广泛使用，这比以往任何时候都更容易实现。Carol的双同位素图将在这项工作中发挥重要作用。

Carol告诉我们，美国在这方面处于领先地位，当局充分利用了常规连续监测所获得的同位素数据。“他们对我们的数据感兴趣，因为它回答了他们的问题。他们可能需要知道样本中的高硝酸盐含量是否有可能来自粪便而不是肥料，我们可以向他们展示结果。例如，在河流的一段，看起来粪肥占了很大的比重，但在另一段，粪肥占了较小的比重，化肥占了较大的比重。他们可以利用这一点开始开发量身定制的解决方案，而且(美国地质调查局和其他机构)多年来一直在为此类项目提供资金，这表明它们具有价值。”

由于美国正在进行的监测和数据收集计划，研究人员有很多机会利用这些数据并绘制稳定的同位素数据，以便对起作用的环境机制产生更多的见解。美国机构能够通过收集纵向数据获得的见解可以作为一个有用的例子，激励世界各地的政府、研究人员和环境利益相关者扩大其稳定同位素分析的能力和使用。

另一个因素是Mark Altabet博士和Leonard Wassenaar博士开发的稳定同位素分析新方法。较旧的方法往往有明显的缺点-世界上只有少数实验室提供它们，因为它们需要复杂的样品制备，因此，获得结果可能缓慢而昂贵。这种使用三氯化钛(III)的新方法消除了几乎所有的进入壁垒，意味着可以更快、更经济地收集数据。我们期望在未来几年看到更多的实验室采用这种分析方法，这是这项创新的直接结果，这可能意味着更容易获得稳定的同位素数据。利用Carol的图，这可以让研究人员更详细地了解自然水道污染的原因。

对Carol来说，她的图的优势在于它清晰地传达了研究结果。她说，有了数据可视化，科学家可以提出更有说服力的论点。“能够展示一个简单的图，确定氮的热点在哪里，以及来源是什么，是一个让人们负责任的好方法。”这给研究人员提供了一个关键的工具，用来向政治家和决策者传达硝酸盐污染的问题。通过直观地呈现数据和Carol的图表所提供的清晰度，环境研究人员可以以一种利益相关者易于理解的方式显示水样中硝酸盐的人为来源。这使他们能够强调氮问题的紧迫性，并赋予决策者采取行动的权力。这种清晰的视觉效果是双同位素图具有持久吸引力的另一个原因。

25年后，Carol的图仍然被用来改变环境研究，在这个比以往任何时候都重要的时候。

关于Carol

Carol Kendall是一位水文学家，她以利用稳定同位素组合进行水生生态系统营养追踪的研究而闻名。她的大部分职业生涯都是在美国地质调查局度过的，作为一名研究水文学家，后来担任国家研究计划同位素示踪剂项目的项目负责人。她在马里兰大学攻读博士学位，同时在美国地质勘探局全职工作，她的论文重点是浅水系统中的同位素。卡罗尔已经退休了，现在她把时间花在照顾稀有的蝴蝶上。

我们要感谢Carol抽出时间来接受我们的采访。