氮输入、氮的归趋及其在集约农业区带来的健康风险：灌溉引起的氮循环所起的作用

《Agricultural Water Management》：Nitrogen inputs, fate, and associated health risks in an intensive agricultural district: The role of irrigation-induced nitrogen

灌溉显著影响水循环但常被农业氮预算忽视，本研究创新性地将黄河灌溉水作为硝酸盐污染源，整合水化学、同位素分析、MixSIAR模型和蒙特卡洛模拟，评估山东段黄河灌区地下水硝酸盐的来源及时空变化。结果表明，灌溉水贡献的硝酸盐在作物区占比最高（16.7%），2009-2019年地下水硝酸盐浓度总体下降，但沿海地区略有上升。硝酸盐主要来自土壤氮和人为排污（51.1%-70.7%），婴儿健康风险最显著。研究强调了纳入灌溉水硝酸盐管理的重要性。

　　灌溉活动对水文地球化学循环有着显著影响，但往往被忽视在农业氮素预算中。本研究创新性地将河流灌溉视为硝酸盐的来源，并结合多种方法（包括水化学、硝酸盐同位素、水同位素、贝叶斯混合模型（MixSIAR）和蒙特卡洛模拟），对黄河下游地区的硝酸盐浓度和来源进行了评估，旨在阐明灌溉引起的氮素对山东段灌溉区地下水的影响。研究结果表明，从2011年至2021年，黄河下游地区的硝酸盐浓度呈现下降趋势，主要来源于土壤氮（SN）、粪便和污水（M&S）。在农田中，黄河水（YR）对地下水硝酸盐的贡献率（16.7%）显著高于住宅区（4.5%）和畜牧养殖区（8.5%），这与2019年黄河水主要用于农田灌溉的事实相符。从2009年至2019年，灌溉区地下水硝酸盐浓度逐步下降。内陆地区的硝酸盐浓度有所降低，而沿海地区的浓度则略有上升。地下水中的硝酸盐来源与土地利用类型密切相关，其中粪便和污水是主要的硝酸盐来源。通过蒙特卡洛模拟进行的人类健康风险评估显示，婴儿面临最严重的硝酸盐暴露威胁，尽管2019年的总体健康风险较2009年有所下降。这些发现强调了将灌溉水纳入营养管理的重要性。首次将MixSIAR与健康风险评估相结合应用于黄河灌溉区，有助于更全面地理解硝酸盐的来源和其对人类健康的影响。

硝酸盐污染已成为全球普遍的环境问题。在灌溉区，氮素的动态变化受到施肥、作物轮作和灌溉等人类活动的显著影响。研究表明，灌溉区的地下水硝酸盐污染频繁发生。当灌溉水中的硝酸盐浓度较高时，灌溉会加剧土壤和地下水的硝酸盐污染。相反，如果灌溉水来源于硝酸盐浓度较低的河流，则可能通过稀释作用降低地下水中的硝酸盐浓度。在欧洲，灌溉水的年氮素输入量在某些高灌溉需求和高地下水硝酸盐浓度的地区超过了作物特定的氮素需求。此外，研究发现，灌溉对硝酸盐在水稻灌溉区的迁移具有重要影响。鉴于农业灌溉中使用的水量庞大，灌溉水中的硝酸盐浓度可以作为农业土壤的重要氮素输入，可能减少对合成氮肥的依赖。较高的灌溉率可以增强作物对氮肥的响应，但同时也可能加剧硝酸盐淋失和氧化亚氮（N?O）的排放。将灌溉水中的氮素排除在作物预算之外，会人为夸大氮素利用效率（NUE）12–18%，而将其纳入则有助于更精确的肥料优化。

世界卫生组织（WHO）设定了饮用水中硝酸盐的最高允许浓度为11.3 mg/L。在2009年和2019年，地下水样本中有15.53%的硝酸盐浓度超过了这一标准。尽管如此，研究显示这些地区的地下水质量在硝酸盐浓度方面仍符合WHO的标准。硝酸盐浓度数据在2009年和2019年均未遵循正态分布（p < 0.05）。Kruskal-Wallis检验表明，2009年不同土地利用类型之间的硝酸盐浓度存在显著差异（p < 0.05），但在2019年则没有发现显著差异（p > 0.05）。农田的硝酸盐浓度高于住宅区和畜牧养殖区，表明不同的土地利用方式显著影响地下水中的硝酸盐水平。由于高强度管理，农田地下水中的硝酸盐浓度相对较高。类似的结果也出现在其他相关研究中。

硝酸盐的同位素特征（如δ1?N和δ1?O）能够提供可靠的来源识别依据。一些离子具有稳定的化学性质，在生物地球化学过程中受影响较小，因此可用于区分硝酸盐的来源。为了进一步理解水文背景（如蒸发、地表水与地下水的相互作用），δD-H?O和δ1?O-H?O常被用于分析。利用MixSIAR模型，可以量化硝酸盐来源的贡献比例，例如土壤氮、大气沉降、化肥、有机土壤氮和黄河水。通过结合水化学和氮氧同位素分析，可以更可靠地探究硝酸盐的起源。基于湿度传感器、无线通信和大数据分析的物联网系统，已在多个领域实现了实时监测，未来也可扩展至硝酸盐来源追踪。

本研究创新性地将灌溉水视为地下水硝酸盐污染的一个潜在来源，并分析了灌溉对地下水硝酸盐浓度的影响。通过综合多种方法，包括水化学、同位素分析和贝叶斯混合模型，评估了灌溉区地下水硝酸盐的来源及其变化趋势。研究结果表明，灌溉水的引入显著改变了下游的硝酸盐同位素特征，进而影响了对硝酸盐污染来源的解释。同时，研究还指出，灌溉区的地下水硝酸盐浓度在2009年至2019年间总体呈下降趋势，这一变化可能受到地下水保护措施和2015年发布的《水污染防治行动计划》及《2020年化肥使用零增长行动方案》的影响。此外，农业活动的减少和化肥使用量的下降（从2009年的2513984吨减少到2019年的2219574吨，减少了11.71%）也对硝酸盐浓度的降低起到一定作用。

在不同土地利用类型中，硝酸盐的来源存在显著差异。研究发现，粪便和污水（M&S）是地下水中的主要硝酸盐来源，而土壤氮（SN）和化肥（CF）的贡献则相对较小。对于住宅区而言，M&S的贡献比例高达70.7%，表明生活污水对地下水硝酸盐的影响较大。而在畜牧养殖区，M&S的贡献比例为62%，这可能与粪便的使用有关。农田中，CF的贡献比例为7.2%，高于其他两种土地利用类型，这与农田中大量使用化肥有关。大气沉降（AD）的贡献比例在农田中也相对较高，这与农业区氨肥的挥发以及农业区大气氮沉降量通常高于城市区域有关。这些结果与研究中对同位素数据的分析一致，表明农业活动对地下水硝酸盐的贡献率较高。

为了更准确地评估不同来源对硝酸盐的贡献比例，本研究采用了MixSIAR模型。通过比较包含和不包含反硝化过程的场景，发现反硝化过程对硝酸盐来源估算的影响较小。因此，本研究未考虑反硝化过程。结果表明，M&S的贡献比例具有较高的不确定性，这可能与采样点数量较少有关。在不同土地利用类型中，M&S的贡献比例波动较大，而AD和CF的贡献比例相对稳定。这些发现表明，农业活动的管理对于控制地下水中的硝酸盐污染至关重要。

健康风险评估显示，婴儿面临最严重的硝酸盐暴露风险，尽管2019年的总体健康风险较2009年有所降低。这可能与地下水硝酸盐浓度的下降趋势有关。婴儿的健康风险高于儿童，而成年人的健康风险最低，这与婴儿对体重的相对水摄入量较高以及甲基血红蛋白还原酶系统尚未发育成熟有关。通过蒙特卡洛模拟，可以更准确地评估硝酸盐暴露带来的健康风险，并考虑人口不确定性，从而提高模型的准确性。研究还指出，不同人群在面对硝酸盐污染时表现出不同的健康风险水平，这反映了不同群体对硝酸盐风险的抵抗能力存在差异。

本研究通过综合多种分析方法，揭示了黄河下游灌溉区硝酸盐污染的主要来源及其变化趋势。研究结果强调了将灌溉水纳入农业氮素管理的重要性，并为制定有效的氮素管理策略提供了科学依据。此外，研究还指出了未来研究的方向，包括长期、具体地点的水文地球化学监测，以及结合农业管理实践对氮素从农田到地下水的全过程迁移和转化进行分析。这些措施将有助于更全面地理解和控制农业灌溉区的硝酸盐污染问题，从而保障地下水质量和人类健康。