地下水中的氮主要以硝酸盐的形式存在，其来源可分为天然来源和人为来源。天然来源的硝酸盐构成了硝酸盐的天然背景值。在硝酸盐天然背景值的基础上，可分析硝酸盐的人为来源，并提取各种潜在污染源的氮同位素组成特征，从而识别地下水的污染来源，揭示硝酸盐的衰减机制。在水文地质学中，氮-15同位素水文地质主要应用于：①污染源识别。根据污染源氮同位素组成，判断地下水受到何种污染源的污染。不同污染源氮同位素的组成不同，例如化肥的氮-15同位素千分偏差（δ¹⁵N）为-4‰～+4‰、土壤有机氮δ¹⁵N为+4‰～+9‰、粪便或污水δ¹⁵N为+10‰～+20‰。②硝酸盐衰减机制识别。沿水流方向，有时可观测到地下水中硝酸根浓度不断下降，其原因可能是不同区域地下水的混合作用，也可能是反硝化作用。利用氮同位素组成可计算δ¹⁵N与1/[NO₃-]（[NO₃-]为硝酸根浓度）混合比，并区别这两种作用：混合作用在δ¹⁵N与1/[NO₃^-]关系图上为一条直线，而反硝化作用在δ¹⁵N与ln[NO₃^-]关系图上为一条直线。