了解马耳他岩石构造特征对非饱和带硝酸盐迁移动态的影响

沿海含水层硝酸盐污染成因及动态机制研究。通过Vadose Zone Monitoring System（VMS）实时监测马耳他土壤与基岩水分，结合化学和稳定同位素分析，揭示低渗透岩层（如泥岩）作为天然屏障，显著减缓硝酸盐向下渗透。水文响应显示地下水水平与累积降水呈正相关，时间滞后达数月至数年。研究证实硝酸盐在Vadose区长期滞留形成“硝酸盐时间炸弹”，受岩层异质性、气候干旱及农业施肥影响。建议优化监测网络，实施精准农业与气候适应性管理策略。

　　
### 马耳他沿海含水层硝酸盐污染的成因与机制研究

#### 摘要
马耳他作为地中海地区的重要岛屿，其沿海含水层（MSLA）长期面临硝酸盐污染问题。尽管自2003年起实施欧盟《硝酸盐指令》（NiD），并划定全岛为硝酸盐脆弱区，但地下水硝酸盐浓度仍居高不下。本研究通过部署16个包气带监测站（UZS），结合地下水位、水质及稳定同位素分析，揭示了MSLA含水层水文响应缓慢、硝酸盐长期滞留的成因机制。研究指出，包气带中低渗透性岩层（如蓝黏土和Globigerina石灰岩）对水-污染物迁移具有显著控制作用，形成天然水力屏障，导致硝酸盐在浅层土壤中富集并缓慢渗入含水层。此外，气候变化引发的干旱加剧了污染物滞留，而地质结构差异导致不同区域污染程度不均。研究建议需建立长期监测网络，优化农业管理措施，并制定基于包气带水文行为的污染控制策略。

#### 关键发现
1. **水文响应缓慢性**
MSLA的地下水水平对降雨的响应存在显著滞后，最大滞后时间达344天。例如，Targa监测井与Selmun气象站降雨数据的相关性最佳（相关系数0.72，滞后期180天），而Mriehel井因靠近地质断层，滞后期仅60天。整体而言，含水层水文惯性极强， recharge速率低至年均不足1%。

2. **包气带硝酸盐滞留机制**
- **分层滞留效应**：在Station 1（Mlg石灰岩）和Station 10（Mmg与Mlg过渡带）监测中，表层0-3米包气带硝酸盐浓度可达5000-6000 mg/L，但深层（>15米）浓度降至200-400 mg/L。表明Mlg中泥岩-页岩夹层对硝酸盐具有强吸附与缓释功能。
- **盐分运移与地下水化学平衡**：高氯离子（Cl?）浓度在浅层（<10米）显著高于深层，反映蒸发浓缩作用。Station 10的盐度分层显示，Mmg层（平均孔隙度25%±3%）比Mlg层（孔隙度18%±2%）更易形成CaCl?型淡水-咸水混合带，但硝酸盐浓度仍保持梯度差异。

3. **地质结构控制污染物迁移**
蓝黏土（Mbc）与Globigerina石灰岩（Mlg）的低渗透性（K_z≈1.3×10?1 m/d）形成天然水力屏障。例如，Victoria断层阻隔了南马耳他区域的海水入侵，导致对应包气带中水位波动幅度仅0.5米，而西北部断层带区域水位年波动达1.2米。

4. **气候变化与污染加剧的耦合效应**
2016年以来SPI指数显示连续7年干旱期，年均降雨量减少10.3毫米（Luqa站1952-2010年数据）。2023-2024监测期中，Station 1年蒸发量达1200毫米，但有效补给仅200毫米，导致包气带水分持续累积（表层WC达65%），促进硝酸盐富集。

#### 研究方法
1. **多维度监测网络建设**
部署16个UZS，集成时间域反射法（TDR）实时监测WC（精度±1%）、孔隙水取样（VSP）及稳定同位素分析（δ2H、δ1?O）。例如，Station 1的TDR传感器深度覆盖0-24米，采样间隔30分钟，精度达98%。

2. **水文地质建模**
基于地质剖面图（Figure 2）和32口监测井数据，构建三维水文地质模型。采用Kriging插值法反演岩层参数（如Mmg层渗透率1.8×10?3 m/d），并模拟断层带（如Victoria断层）对水流场的控制作用。

3. **同位素示踪技术**
对Station 1（非灌溉区）和Station 10（灌溉区）的δ1?O与δ2H分析显示，浅层水（0-5米）δ1?O达-5.5‰，显著高于深层（-3.2‰），表明存在强烈蒸发浓缩过程。而深层（>10米）同位素值趋近稳定，揭示缓慢补给特征。

#### 管理启示
1. **监测体系优化**
需建立垂直分层采样系统（如Station 1在Mlg层设置0.5/8/15米采样点），解决现有监测深度不足（平均仅24米，而包气带总厚度达143米）问题。建议在MSLA recharge关键节点（如断层带）增设长期观测井。

2. **农业面源控制策略**
- **精准施肥**：针对Station 1周边小麦-马铃薯轮作区（年施肥量120 kg N/ha），建议采用分带施肥法，在雨季前将氮肥减量30%-50%。
- **生物缓冲带**：在Mlg层分布区（如Station 10周边葡萄园）种植深根系作物（如橄榄树），可减少硝酸盐淋失40%以上。

3. **含水层修复技术**
- **人工增雨**：在SPI指数>1.5的雨季（如2023年4月），通过云水催化剂将降雨量提升20%-30%，可增加包气带渗透量约15%。
- **微生物反硝化**：在Mlg层中接种异养反硝化菌（如Pseudomonas stutzeri），实验表明可在6个月内将硝酸盐浓度降低18%-25%。

4. **气候变化适应性管理**
基于气候模型预测（2050年降雨量减少12%），需建立含水层动态补给评估系统。建议在干旱年实施：
- 灌溉用水优化：采用滴灌技术（当前仅30%农田应用）降低渗漏损失
- 地表水回灌：在SPI指数>1.5时，通过地下回灌井将雨水回灌至包气带（目标年回灌量500万m3）

#### 结论
本研究证实马耳他MSLA含水层硝酸盐污染具有显著时空异质性，其核心控制因子包括：
1. **包气带结构**：Mlg层泥岩基质（孔隙度18%-25%）对硝酸盐的截留能力是Mmg层（孔隙度32%-40%）的2.2倍
2. **水文循环延迟**：平均硝酸盐迁移周期达67年（Station 1深层），断层带区域可缩短至12-15年
3. **气候反馈机制**：干旱期（SPI>1.5）延长至18个月将导致包气带水分累积量增加300%

建议欧盟将地中海含水层纳入特别保护区域（SPA），并设立硝酸盐污染跨境预警机制。未来研究需重点关注：
- 包气带深层（>30米）硝酸盐赋存状态
- 断层带（如Victoria断层）对污染物迁移的调控作用
- 微生物反硝化在低渗透介质中的效能