次灌溉对盐化浅层含水层-弱透水层系统中季节性变化与水文地质控制的影响研究

《Journal of Hydrology》：Investigating subirrigation, seasonal variability and hydrogeological control in a salinized shallow aquifer-aquitard system

　　

研究人员在意大利波河三角洲（Po River Delta）北部贝拉（Berra）附近的复垦低地，选取两个相邻且水文地层条件截然不同的农业地块，开展了季节性多层位水化学监测。研究整合了保守示踪剂（Cl^-、Br^-）、主离子关系、营养盐与氧化还原敏感性组分分布以及稳定同位素数据（δ¹⁸O-H₂O、δ²H-H₂O、δ¹⁵N-NH₄⁺、δ³⁴S-SO₄^2-、δ¹⁸O-SO₄^2-、δ¹³C-DIC、δ¹³C-CH₄和δ²H-CH₄），以探讨地下水组成对次灌溉（subirrigation）的响应，并区分季节性响应与持续性水文地球化学过程。结果表明，次灌溉引起了空间上非均质的暂时性稀释，但未改变长期水化学演化趋势；地下水中盐分与氮素的分布受不同过程控制；泥炭质沉积物作为盐分和营养盐的长期储库发挥作用。研究强调，在复垦海岸低地水资源管理中需同时考虑季节性与长期水文地质控制因素。

**研究背景与问题**

复垦海岸低地是水文地质条件高度复杂的区域，其地下水动力学受自然过程与人为活动的共同影响。第四纪沉积构架、地貌格局与长期土地复垦活动共同塑造了现今的水文地质条件。为复垦而建设的排水网络与广泛发生的地面沉降改变了地下水流路径，局部改变了地下水-地表水相互作用，并可能促进地下水向上渗流、驱动浅层含水层循环。农业水资源管理（包括次灌溉）进一步在长期水文地质控制之上叠加了短期水文变化。

这些水文地质变化通常反映在地下水化学特征上。含水层盐化是复垦海岸低地最突出的水化学特征，可能源于实际海水入侵、古咸水向上渗流、蒸发浓缩或圈闭于低渗透性或泥炭质沉积物中的残余盐分，但更常见的是多种过程的叠加效应。仅凭盐度无法解释海岸冲积环境中水平与垂直方向上高度变异的地下水化学特征，溶解组分可提供关于地下水循环、水-沉积物相互作用和氧化还原演化的补充信息。

在此背景下，波河三角洲复垦含水层-弱透水层系统体现了多种自然与人为过程的叠加与相互作用，导致高度非均质的地下水相。泥炭质沉积物作为溶解组分（包括盐分、铵盐和硫酸盐）的长期储库进一步增加了复杂性。尽管已有研究显著提升了对该复垦低地的认识，但在不同季节条件下控制地下水化学的过程的相对贡献仍缺乏约束。本研究探讨地下水组成反映的是次灌溉引起的季节性变异还是持续性水文地质控制，这对于完善基于次灌溉和盐分冲洗的水资源管理策略至关重要。

**研究方法**

研究选取意大利波河三角洲贝拉附近两个相邻农业地块（A1可耕作、A2因严重土壤盐化逐渐不适宜耕作），分别对应不同的水文地层条件。在两个地块沿垂直于排水渠的流线方向各安装一对压水井（P1、P2和PP1、PP2），并在PP1附近施工钻孔PP0以揭露更深部半承压砂质含水层。每个压水井旁安装多层采样系统（MLS），由五个嵌套PVC微型井组成，以25 cm垂直间隔布设采样口。自2018年起，研究站点配备地下暗管排水系统用于次灌溉，期间通过排水系统从Albersano灌溉渠引水，平均入流量4 L/s。

地下水与地表水采样于2024年5月（灌溉前）、2024年7月（次灌溉活跃期）、2024年9月（夏末）和2025年1月（冬季）四次监测中进行。现场测定理化参数（pH、电导率、氧化还原电位、溶解氧），实验室采用离子色谱测定主离子，分光光度法测定溶解有机碳（DOC），酸滴定法测定碱度，ICP-OES测定痕量元素，并采用CRDS和IRMS进行稳定同位素分析。水化学解释整合了保守示踪剂关系（Cl^-/Br^- vs Cl^-）、主离子关系（Ca²⁺ vs SO₄^2-、Cl^-/Na⁺ vs NO₃^-/Na⁺、Cl^- vs Mg²⁺/Ca²⁺）、主成分分析（PCA）、矿物饱和指数计算（PHREEQC 3）以及BEX-Ca计算，并分析了NO₃^-、NH₄⁺、DOC、SO₄^2-、溶解Fe和Mn的垂向浓度剖面。基于Cl^-的表观稀释估算（f_Alb）用于量化次灌溉期间的稀释程度，Br^-作为独立保守示踪剂进行验证。

**研究结果**

**氯离子分布与季节性变异**：Cl^--Cl^-/Br^-图显示四次采样中地下水样品分布格局相似。P1和P2的Cl^-浓度一般为30–300 mg/L，Cl^-/Br^-比值约150–500；PP1和PP2的Cl^-浓度显著更高（700–6000 mg/L），Cl^-/Br^-比值多在500–700之间，PP组整体更接近亚得里亚海参考值。2024年7月次灌溉期间，P1全部层位出现强烈稀释（表观Albersano稀释估算86.8–96%），而P2未检测到稀释；PP1稀释估算为0.6–90%且无明确深度趋势，PP2为31.5–56.7%，PP0未检测到稀释。Br^-独立验证显示PP1和PP2中实测与预测浓度接近，P1中实测Br^-持续高于预测值，提示偏离简单二元混合。

**季节性水化学演化**：SO₄^2--Ca²⁺图显示比氯离子指标更大的季节性变异。2024年5月样品分布较广，多数位于1:1线以下；7月次灌溉激活后，样品组成聚集于较窄范围，多数位于1:1线以上；9月分布再次分散，P1和P2的Ca²⁺一般低于20 meq/L，PP1和PP2维持在约30–40 meq/L；2025年1月硫酸盐和钙浓度整体下降，但P与PP组区分仍可见。石膏在5月部分P样品中接近平衡，方解石和有序白云石在7月常达过饱和。Cl^--Mg²⁺/Ca²⁺分布显示高Cl^-的PP地下水以富钙组成为主，Mg²⁺/Ca²⁺比值一般低于1，最高比值仅出现在低Cl^-的P域。Cl^-/Na⁺-NO₃^-/Na⁺图显示两组地下水清晰区分：P1和P2具有较低Cl^-/Na⁺比值和较宽的NO₃^-/Na⁺范围，PP1和PP2则具有较高Cl^-/Na⁺比值和较窄的NO₃^-/Na⁺范围。7月多数样品向低Cl^-/Na⁺方向偏移。

**生物地球化学指标的垂向分布**：NO₃^-浓度显示明显的垂向和季节性变异，多个监测层位低于检测限，无一致垂向趋势；7月NO₃^-剖面略趋均匀。NH₄⁺则显示远为持久的空间分布：P1和P2一般低于10 mg/L，PP1和PP2常超过20 mg/L，局部超过60 mg/L，且在PP监测井中随深度增加。高NH₄⁺浓度始终与泥炭质沉积物（PP簇）相关。DOC浓度一般约5–20 mg/L，在采样深度和监测井间变异大于NH₄⁺，无P与PP域间的清晰分离或一致季节模式。氧化还原敏感性组分方面，PP深部地下水ORP持续更负（深层PP1和PP2达约-300 mV），多数样品溶解氧低于检测限。Fe浓度季节性变异最显著，2024年7月几乎所有监测井中溶解Fe显著下降至检测限以下，仅PP1最浅两个层位保持高浓度。Mn浓度范围较窄，无一致季节或垂向趋势。SO₄^2-在PP1最深采样层位（受深部咸水向上流影响）出现明显亏损。PCA分析（KMO=0.845，p<0.001）提取四个主成分：主成分1（解释方差33.7%）与DOC矿化驱动的氧化还原过程相关，处于以Mn还原为主的环境，并提示黄铁矿氧化可能释放SO₄^2-；主成分2（26.1%）显示海水离子（Cl^-、Br^-、Na⁺）与NH₄⁺高度一致，将NH₄⁺与从含水层-弱透水层系统下部向上渗流的咸水联系起来；主成分3（9.4%）提示PO₄^3-在缺氧条件下进入溶液；主成分4（8.3%）与NO₃^-和NO₂^-的肥料淋滤有关，但解释方差较低。

**讨论与结论**

季节性监测表明，尽管次灌溉系统运行，浅层含水层-弱透水层系统始终维持两个截然不同的水化学域。混合分析显示次灌溉效应在空间上非均质：P1稀释强烈而P2未检测到稀释，与次灌溉期间排水系统的局部侧向补给一致。次灌溉引起暂时性和空间变异的稀释，但未促进溶解痕量元素的广泛活化，也未改变控制地下水组成的、在更长时间尺度上运行的地球化学过程。咸水地下水由深部半承压单元的向上通量和泥炭层的缓慢盐分释放维持。尽管7月出现稀释，Cl^-/Br^-比值的相对有限变化表明原有卤化物特征仍然明显，BEX-Ca剖面支持这一解释。水稳定同位素表明两个地下水域具有相似的的大气降水补给来源，水化学差异主要形成于补给后的地下水演化过程而非不同补给源。泥炭质沉积物作为盐分和营养盐的重要储库，促进强烈的生物地球化学转化和持久还原条件，导致NH₄⁺积累和有利于微生物甲烷产生的条件。硫同位素组成进一步揭示两个地下水域间硫循环的差异。研究指出，基于次灌溉的盐分冲洗策略需认识并表征这类环境中不同水力传导率区域以及泥炭透镜体的存在。研究的主要局限性在于监测的时间覆盖范围和同位素数据集仅来自单次调查。

研究结论为：次灌溉的水化学效应是暂时且非均质的，而浅层含水层-弱透水层系统的持久水化学特征主要受继承盐度、泥炭质沉积物和氧化还原驱动的生物地球化学过程的相互作用控制。整个监测期内两个水化学上截然不同的地下水域的持续存在表明，含水层次灌溉主要通过暂时稀释改变地下水化学，而控制地下水演化的过程基本未受影响，说明地下水盐化和氮素分布受不同过程控制。两个地下水域主要水化学差异的持续性以及灌溉期间无系统性痕量元素活化，进一步表明季节性补给未实质扰动含水层-弱透水层系统的地球化学功能。泥炭质沉积物作为盐分和营养盐的重要储库，促进强烈的生物地球化学转化和持久还原条件，有助于NH₄⁺积累和有利于微生物甲烷产生的条件的形成。SO₄^2-同位素组成进一步表明两个地下水域间硫循环存在差异，反映了泥炭质序列内生物地球化学转化的复杂性。研究结果强调，在复垦海岸低地水资源管理中需同时考虑季节性和长期水文地质控制因素。未来研究需更好地理解泥炭质序列内硫循环和氧化还原条件的时空变异性及其对NH₄⁺积累和通过排水沟输出、CH₄排放以及这些含水层-弱透水层系统中痕量元素行为的影响。