作为总氮的主要组成部分，与人为活动相关的过量硝酸盐输出到河流系统中可能会引发严重的生态后果，包括富营养化、蓝藻繁殖和水生生物多样性的丧失（Gu等人，2023年）。长期暴露于高浓度硝酸盐的饮用水中与多种人类健康威胁有关，如“蓝婴”综合征、糖尿病、心血管疾病和各种癌症（世界卫生组织，2011年）。在农业流域中，氮肥和土壤矿化是硝酸盐的主要来源（Wang等人，2020年；Ji等人，2017年），而在城市化流域中，污水排放和工业废水是主要的污染源（Ji等人，2022年；Ye等人，2021年）。除了硝酸盐来源和传输途径的多样性外，硝酸盐的转化过程（例如硝化、反硝化和同化）通过影响氮在陆地生态系统和河流网络中的移动和储存方式来调节氮的平衡和动态。例如，有氧硝化促进硝酸盐的积累，而厌氧反硝化则有助于其去除。氮从陆地景观转移到地表水以及生物地球化学过程高度依赖于流动路径和水文条件（Liang等人，2024年；Rixon等人，2024年；Jiang等人，2014年）。作为世界第三大河流的长江，由于农田和自然土地的氮淋溶增加，遭受了严重的硝酸盐污染，这种污染存在空间差异（Zhao等人，2022年；Zhang等人，2021年）。Liang等人（2024年）指出，通过阳离子交换反应从沉积物中解吸铵（NH4+）是氮迁移和水体中氮浓度的主要机制，而在长江中游地区，有机氮化合物的矿化作用仅起次要作用。在全球气候变化的背景下，有效控制和减轻硝酸盐污染需要识别硝酸盐污染源，量化它们对河流硝酸盐负荷的贡献，并理解转化过程对硝酸盐负荷的影响。
最近的一项研究表明，长江中的硝酸盐主要来源于化学肥料（上游76%，中游39%，下游39%）和土壤氮（Xie等人，2024年）。而Zhao等人（2022年）指出，在长江平原河流网络中，粪便和污水是主要的硝酸盐来源，占总硝酸盐负荷的46.56%。Zhang等人（2023年）和Xie等人（2024年）认为，硝化作用（即微生物介导的NH4+氧化为NO3−）是整个长江流域的主要过程。Cui等人（2021年）提出，长江中下游丘陵地带的地表水和地下水主要受到反硝化的影响。
由于硝酸盐来源的多样性和生物地球化学过程的复杂性，定量识别硝酸盐来源和转化过程具有挑战性。过去几十年中开发并广泛应用了几种用于营养源分配和负荷估算的技术，如简单的输出系数模型、统计回归模型和基于过程的模型。然而，这些方法各有局限性。例如，输出系数模型和统计回归模型（如SPARROW模型；Smith等人，1997年）通常采用从文献中获得的参数或通过经验方法估算的参数来估计营养物质的传输和衰减，因此存在较大的不确定性，尤其是在应用于不同的流域系统时；而基于过程的模型（如SWAT模型；Arnold等人，1998年）通常需要大量复杂的输入数据集来模拟水文、营养物质传输和转化过程，模型的非唯一性导致了参数识别的问题。双硝酸盐同位素（δ15N/δ18O-NO3-）作为一种有效的方法，可以根据潜在来源（如大气沉降、合成肥料和土壤有机物）之间的独特同位素特征来识别硝酸盐来源（Xie等人，2024年；Zhao等人，2022年；Xue等人，2009年）。此外，生化过程（如硝化、反硝化、生物同化和氨挥发）会由于分馏效应改变硝酸盐的同位素组成。例如，反硝化的发生会导致δ15N-NO3-: δ18O-NO3-的比例为1:1到2:1，这可以作为评估反硝化动态的指标（Boumaiza等人，2024年）。与输出系数模型、统计回归模型和基于过程的模型相比，双硝酸盐同位素追踪方法具有多个优势，包括所需的辅助信息较少、操作简便以及可以直接识别硝酸盐污染源。
鉴于特定来源的同位素值之间存在重叠，以及单一方法在复杂系统中的局限性和固有不确定性，结合水化学、多种稳定同位素（δ15N/δ18O-NO3-和δ18O-H2O）、统计和建模技术的多变量分析能够提供关于水文过程和氮动态的全面和互补信息。这些方法已被证明对于识别潜在的硝酸盐污染源和调查硝酸盐转化过程非常有效。贝叶斯混合模型（如R中的稳定同位素分析（SIAR）已成功用于在许多环境中进行概率性来源分配，同时考虑了同位素分馏和来源的变异性，例如河流、水库、湖泊、河口和地下水，以追踪硝酸盐来源和转化过程（Ji等人，2017年；Mueller等人，2016年）。然而，与水文制度、土地利用和人为活动变化相关的硝酸盐污染源和转化过程的时间和空间变化尚未得到充分研究。此外，由于某些硝酸盐来源的广泛同位素范围以及氮转化过程中发生的同位素分馏（如硝化、反硝化），基于硝酸盐同位素追踪和混合模型的硝酸盐来源分配存在固有的不确定性（Ji等人，2022年）。据我们所知，很少有研究评估了与硝酸盐污染源贡献估计相关的不确定性。这些因素阻碍了可靠的硝酸盐来源分配和有效的流域尺度硝酸盐污染控制和缓解。
鄱阳湖是中国最大的淡水湖，也是世界上最著名的拉姆萨尔湿地之一，它自然地与长江相连（Finlayson等人，2010年）。它支持全球生物多样性保护，并为长江流域提供重要的生态系统服务。然而，由于水文制度的显著变化和人为活动的影响，鄱阳湖的水质逐渐恶化，氮去除效率也下降了（Zhang等人，2025年；Li等人，2020年）。化学肥料、土壤氮、污水和粪便是长江流域内河流硝酸盐的重要来源（Xie等人，2024年；Zhang等人，2023年）。然而，硝酸盐来源和氮转化的季节性变化仍然了解不足。在这项研究中，以鄱阳湖流域的一个典型子流域——益丰河流域为例，我们创新性地采用了综合和互补的方法，包括双硝酸盐同位素、稳定水同位素、统计分析、贝叶斯同位素混合建模、基于系统性水样采集的不确定性分析和敏感性分析，在湿润和干燥季节进行，以（i）评估水化学特征和多种稳定同位素的季节性和空间变化；（ii）揭示氮转化过程对河流硝酸盐负荷的影响；以及（iii）定量估计河流硝酸盐来源的季节性变化及其相关不确定性。这些结果可以加深对氮循环的理解，并为类似流域的硝酸盐污染缓解策略提供决策支持。
