新疆玛纳斯河流域地下水中硫酸盐来源分析与识别：对干旱区水资源管理与生态保护的启示

本研究针对干旱区地下水硫酸盐污染问题，通过采集玛纳斯河流域112组地下水样本，结合水化学分析、δ34 S和δ18 Osulfate 双同位素技术，揭示了三种含水层（SSPA、MSPA、MSCA）中硫酸盐的差异来源：单结构潜水含水层（SSPA）以大气沉降为主，多层结构潜水含水层（MSPA）受污水和肥料影响，而多层结构承压含水层（MSCA）则叠加土壤和人为输入。研究为干旱区地下水保护提供了科学依据。

　　

在广袤的新疆玛纳斯河流域，地下水是维系"中国第四大灌区"生命线的命脉。然而，这片典型的内陆干旱区正面临严峻挑战：随着农业扩张和人类活动加剧，地下水中硫酸盐（SO₄
^2-
）浓度持续攀升，不仅威胁饮用水安全（长期摄入超标硫酸盐可能导致味觉障碍和胃肠功能紊乱），还会通过加速碳酸盐岩溶解干扰全球碳循环，甚至腐蚀采矿设备。更令人担忧的是，中国地下水质量标准显示，研究区25%的样本硫酸盐浓度已超过Ⅲ类标准限值（250 mg/L），高浓度区与农田分布高度重叠，但污染溯源始终是难题——传统水化学方法难以区分自然风化与人为输入的贡献，而单一硫同位素技术又存在源解析重叠的局限。

为破解这一困局，来自中国的研究团队在《Desalination and Water Treatment》发表最新成果。研究者于2023-2024年采集112组地下水样本（涵盖单结构潜水含水层SSPA、多层结构潜水含水层MSPA和多层结构承压含水层MSCA），运用离子色谱（ICP-MS/AAS）测定主量元素，结合δD-δ¹⁸
O_water
示踪水循环路径，并创新性采用δ³⁴
S-δ¹⁸
O_sulfate
双同位素指纹技术，通过Gibbs图、Piper图和离子比值等多维度分析，首次系统揭示了玛纳斯河流域硫酸盐的"身份密码"。

4.1 水化学特征
研究显示三种含水层均呈现弱碱性（pH均值8.26），TDS（总溶解固体）空间差异显著：MSPA均值最高（1165.44 mg/L），且存在极端高值点（5448 mg/L）。Piper图揭示SSPA以Ca-HCO₃
和Ca-SO₄
型水为主，而MSPA/MSCA则出现Na-Cl型水演化趋势。特别值得注意的是，Ca²⁺
-SO₄
^2-
在三种含水层均呈现强相关性（r>0.79），暗示石膏（CaSO₄
·2H₂
O）溶解的普遍贡献。

4.2 硫酸盐空间分布
IDW插值显示：SSPA硫酸盐浓度相对均匀（38.4-763.6 mg/L），而MSPA呈现"斑块状"高值区（最高1928 mg/L），与农业用地空间耦合。同位素证据进一步佐证——MSPA样本的δ³⁴
S（-0.79‰~+6.04‰）和δ¹⁸
O_sulfate
（+5.57‰~+10.50‰）落入肥料与污水特征区间，而SSPA样本则契合大气沉降信号（δ³⁴
S +2.79‰，δ¹⁸
O_sulfate
+7.54‰）。

5.3 同位素溯源
通过建立δ¹⁸
O_water
-δ¹⁸
O_sulfate
关系模型，研究排除了硫化物氧化的干扰；氧化性环境（Eh> -62 mV）和缺乏SO₄
^2-
浓度-同位素相关性则否定了细菌硫酸盐还原（BSR）的影响。最终溯源表明：MSCA的硫酸盐混合了土壤矿化（δ³⁴
S +1.14‰~+5.79‰）和污水输入，而沿河流流向的硫酸盐浓度波动（图11）揭示了人为活动的"脉冲式"污染特征。

这项研究开创性地将水化学-同位素联用技术应用于干旱区内陆盆地，不仅证实石膏溶解是区域硫酸盐的"本底源"，更揭示了农业活动通过灌溉回渗和肥料淋溶对浅层地下水的深刻改造。研究提出的"含水层分层溯源"框架，为丝绸之路经济带的水资源精准管理提供了新范式——针对SSPA需加强大气沉降监测，MSPA应控制农业面源污染，而MSCA则需防范深层污染扩散。这些发现对实现联合国可持续发展目标（SDG6）具有重要实践意义，也为全球干旱区应对"隐性水危机"提供了科学样板。