铁锰驱动下氮衰减带浅层地下水硝酸盐还原的关键机制研究

《Water Research》：Are iron and manganese key factors in nitrate attenuation within the shallow groundwater of the nitrogen attenuation zone?

本文揭示了华北平原氮衰减带（NAZ）中Fe2+和Mn2+在低溶解性有机碳（DOC）条件下对硝酸盐氮（NO3-N）还原的关键作用，通过微生物群落分析、培养实验和电子平衡计算，证实Fe(II)是包气带和水位波动带（WTF zone）中硝酸盐衰减的主要电子供体，为差异化氮肥调控提供了理论依据。

　　

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Study area

华北平原（NCP）位于华北地台的新生代断陷区，形成于新近纪和第四纪时期，边缘山脉抬升而中部沉降。平原轮廓分明，总面积约140,000平方公里。详细的水文地质条件见Xia等（2023）的描述。根据该研究，以表层全氮（TSN）和固有脆弱性（Inv）为自变量，地下水总氮（TN）为因变量进行最小二乘拟合和分段分析...

Distribution characteristics of nitrogen and key layers of attenuation in profile

C1、T1、BF1、G1和BF2的TSN值分别为589.10 mg/kg、1466.25 mg/kg、1097.65 mg/kg、1432.54 mg/kg和993.71 mg/kg，根据国家土壤养分含量分级标准，分别属于低、中高、中高、中高和中等水平。在采样点中，仅C1无地下水氮污染风险，其余点位均存在潜在风险。考虑到此前对华北平原的研究...

Conclusion

基于在北京东南郊区典型硝酸盐衰减带采集的五个钻孔样本，本研究发现高TSN与低地下水TN浓度的共存主要归因于NO₃-N在入渗过程中的衰减，其中包气带和水位波动带（WTF zone）的粉质黏土层是关键衰减层。酶活性、NO₃-N还原能力、微生物群落及基因分析表明，在NO₃-N入渗至地下水的钻孔中，低DOC的WTF带中的Fe(II)和Mn(II)可能作为NO₃-N还原的主要电子供体。结合Fe(II)-Mn(II)自养反硝化细菌是NO₃-N衰减的关键模块这一发现，表明Fe(II)和Mn(II)当前在WTF带对NO₃-N衰减至关重要，尤其在低DOC、高Fe(II)-Mn(II)地层中。培养实验显示，在低DOC、高Fe(II)-Mn(II)的WTF带，Fe(II)、DOC、S^2?和Mn(II)对NO₃-N还原的贡献率分别为88.35%、9.15%、2.10%和0.40%，且当DOC/NO₃-N<0.7、DOC/Fe(II)<0.023时，Fe(II)倾向于成为主要电子供体。这些结果揭示了Fe(II)在NO₃-N还原中的主导作用，而非Mn(II)，这可能源于沉积物中Mn(II)浓度（44.17 mg/kg）显著低于Fe(II)（4021.59 mg/kg）。对五个剖面的关键氮衰减带进行电子平衡分析进一步表明，DOC和Fe(II)是包气带和WTF带中NO₃-N还原的主要电子供体，分别占51.44%–92.98%和27.4%–52.43%，进一步确认Fe(II)是NAZ中NO₃-N衰减的关键因子。未来研究可通过划分NAZ并探索不同NAZ氮衰减能力支持的氮负荷阈值，为差异化氮肥调控提供依据。