人类活动对流域硝酸盐污染的时空动态影响：基于双稳定同位素与MixSIAR模型的伊洛河流域研究

本研究针对高强度人类活动下流域氮污染源时空分异机制不清的问题，通过采集伊洛河流域多期水样，结合硝酸盐双稳定同位素（δ15N-NO3?和δ18O-NO3?）与MixSIAR模型，揭示了土壤氮（43.2%）、粪污（54.2%）和化肥（30.4%）的贡献度时空变异规律，为农业主导型流域的精准治污提供科学依据。

　　

在当今全球氮循环失衡的背景下，农业流域正面临着"白色污染"与"绿色革命"的双重夹击。作为黄河重要支流的伊洛河流域，既是中国的粮仓，又是氮污染的"重灾区"——过量施肥导致的地下水硝酸盐超标、城市化引发的粪污排放、季节性农业活动造成的污染脉冲，这些现象背后隐藏着一个关键科学问题：在高强度人类活动干扰下，流域氮污染源究竟如何随时间与空间动态变化？传统研究往往局限于单一时段或单一介质，难以捕捉这种"时空交响曲"的复杂韵律。

中央高校基本科研业务费专项资金支持的研究团队创新性地采用"水文地球化学指纹"技术，通过分析2022-2023年三个水文期采集的流域水样，首次绘制出伊洛河流域氮污染的时空动态图谱。研究发现：地表水硝酸盐浓度呈现"阶梯式下降"的奇妙趋势，而地下水却在2023年5月施肥旺季出现"硝态氮脉冲"，这种"表降地升"的镜像现象揭示了农业活动对地下水的延迟效应。更令人惊讶的是，当研究人员运用第三代贝叶斯混合模型MixSIAR解析污染源贡献时，发现上游土壤氮、中游化肥与下游粪污形成明显的"污染接力带"，这种空间分异与流域土地利用强度梯度完美吻合。相关成果发表在《Journal of Water Process Engineering》，为破解农业流域"氮困局"提供了动态管控新思路。

研究团队采用三项核心技术方法：1）多期采样策略覆盖农闲期（2022年11月）、施肥前期（2023年3月）和作物生长期（2023年8月）；2）硝酸盐双稳定同位素指纹技术（δ¹⁵N-NO₃^?和δ¹⁸O-NO₃^?）区分污染源并识别硝化/反硝化过程；3）MixSIAR模型量化污染源贡献概率分布，整合同位素分馏效应与浓度权重。

【研究结果精要】
硝酸盐分布特征章节显示：伊河上游硝态氮浓度在观测期内从4.76 mg/L降至1.89 mg/L，而同期地下水峰值达9.24 mg/L，证实"地表净化-地下蓄污"的典型农业流域特征。同位素特征分析揭示：δ¹⁸O-NO₃^?值域（-5.6‰至+12.3‰）暗示大气沉降与化肥的混合贡献，而部分样点δ¹⁵N的异常高值（>+15‰）指向粪污污染热点。

污染源解析章节通过MixSIAR模型得出：土壤氮贡献呈现"上游霸权"（43.2%），化肥在作物生长期中游区形成"贡献峰"（30.4%），粪污在下游城镇区实现"逆袭"（54.2%）。这种"三源鼎立"格局随水文季节发生显著波动，如施肥期化肥贡献可激增12.7个百分点。

【结论与展望】
该研究首次构建了高强度人类活动流域的氮污染"时空基因图谱"，其创新价值体现在：1）揭示农业活动驱动的"地下水硝态氮延迟响应"机制；2）量化污染源贡献的"水文季节敏感性"；3）提出"流域三段式"精准管控策略。特别是发现下游粪污贡献超预期这一"灰犀牛"现象，对修订流域污水处理规划具有直接指导意义。未来研究可结合无人机高光谱与同位素联用，实现污染监测从"定期体检"到"实时监护"的跨越。这项研究不仅为黄河流域生态保护提供技术范式，更在全球农业流域氮管理领域树立了"时空精准溯源"的新标杆。