揭示沿海地下水系统中高硝酸盐含量的机制：一项基于同位素和遥感技术的研究

《Ocean & Coastal Management》：Revealing the mechanisms underlying high nitrate levels in a coastal groundwater system: An isotope and remote sensing-based study

本研究基于同位素追踪技术和贝叶斯模型，分析了广西钦州湾高密度沿海地区地下水硝酸盐时空分布特征及潜在来源。结果表明非点源污染（土壤和化肥）占主导地位，贡献率在丰水期达74%，枯水期为54%，其中化肥贡献突出；同时揭示点源（生活及工业）和大气沉降的影响。研究证实人类活动对沿海地下水硝酸盐污染具有显著影响，并提出了整合微尺度同位素分析与宏观土地利用评估的创新方法，为全球沿海地下水硝酸盐污染治理提供新思路。

　　

Xu Yin|Wenlu Lan|Ke Pan|Junlin Shu|Yan Liu|Wenshi Zhang|Tianzhang Qiu|Zhongheng Yan|Li Li|Yanxia Zuo|Hao Jiang

哈尔滨师范大学生命科学技术学院，哈尔滨，150025，中国

摘要

城市地下水系统中的硝酸盐（NO₃^?）含量通常较高，导致水质恶化和富营养化等严重环境问题。尽管全球范围内已进行了大量研究，但人口密集的沿海地区地下水中硝酸盐的来源及其转化过程仍不完全清楚。本研究采用同位素追踪技术与贝叶斯模型相结合的方法，分析了钦州湾地下水系统中硝酸盐（NO₃^?-N）的时空分布特征及其潜在来源。同时，通过将土地利用类型与硝酸盐来源联系起来，探讨了人为活动对硝酸盐污染的影响。同位素分析结果表明该系统中存在显著的反硝化作用。来源分配结果显示，硝酸盐主要来自非点源（土壤和化肥），其次是生活和工业点源，大气沉降的贡献最小。从季节变化来看，非点源在高流量时期贡献约74%，在低流量时期贡献约54%，其中化学肥料起主导作用。土地利用类型、同位素与硝酸盐来源之间的显著相关性进一步支持了这一结论。这些发现表明，在沿海地区，人为因素对地下水硝酸盐污染的影响远大于自然因素。将微观尺度同位素分析与宏观尺度土地利用评估相结合的综合方法，为更精确、可靠地确定硝酸盐来源提供了依据，从而有助于深入理解全球沿海地区的硝酸盐污染问题，并制定有针对性的污染控制措施。

引言

氮（N）是生物元素的重要组成部分。然而，人类活动严重扰乱了全球氮循环（Gruber和Galloway，2008），导致广泛的地下水氮污染（Puckett等人，2011）。过量的氮会引发一系列环境和健康危机，包括水体富营养化（Camargo和Alonso，2006），以及高铁血红蛋白血症、出生缺陷和癌症的风险增加（Fewtrell，2004；Zhang等人，2014）。这一问题在沿海地区尤为严重（Howarth，2008），这归因于人类活动的加剧。因此，系统地分析沿海地下水中的氮生物地球化学循环、氮污染及其驱动机制对于可持续管理关键带和维持氮平衡至关重要。

硝酸盐（NO₃^?-N）通常是地下水中生物可利用氮的主要形式，是氮生物地球化学循环的关键组成部分，也是富营养化的关键驱动因素（Xia等人，2002，2004）。量化硝酸盐来源被认为是有效缓解地下水硝酸盐污染的关键前提（Li等人，2024，Li等人，2024）。然而，硝酸盐的来源复杂，涉及多种转化过程。迄今为止，准确量化硝酸盐来源仍然具有挑战性。虽然统计模型（如Geodetector、主成分分析（PCA）、正矩阵分解（PMF）和绝对主成分得分-多元线性回归（APCS-MLR）被广泛用于追踪硝酸盐来源（Shrestha和Luo，2017；Yu等人，2022），但这些方法在很大程度上依赖于数据质量和人工选择（例如PCA中的主成分数量），且难以充分考虑生物地球化学过程，也无法提供准确的来源分配结果。同位素方法（如δ¹⁵N、δ¹⁷O和δ¹⁸O）是理解硝酸盐污染来源和转化过程的有效手段（Kendall等人，2007）。其原理是不同的硝酸盐来源具有不同的同位素组成，硝酸盐的转化过程具有典型的同位素特征（Xue等人，2009；Li等人，2024）。通过采用同位素混合模型（如SIAR和FRAME；Stock等人，2018；Lewicki等人，2022），并结合多种生物地球化学证据（如水化学数据和其他同位素），可以量化硝酸盐来源的贡献（Wang等人，2016；Chen等人，2023）。尽管同位素在地下水硝酸盐来源研究中得到广泛应用，但将其与人类活动代理指标（如土地利用）联系起来的工作仍较为有限。

钦州湾位于北部湾经济区内，是一个高度发达的沿海地区，地下水资源极具价值。值得注意的是，海底地下水排放（SGD）对该地区及其他全球沿海水域的富营养化现象起到了重要作用（Chen等人，2018；Santos等人，2021；Knee等人，2024）。尽管一直在努力控制人为氮污染，但地下水中硝酸盐含量的升高仍然是该地区面临的主要环境挑战之一。尽管以往的研究主要集中在河口的氮来源和水质评估上（Jiang等人，2020a；Jiang等人，2020b；Lyu等人，2022），但对地下水系统中硝酸盐来源及其转化过程的研究仍较为缺乏。

本研究对钦州湾周边地下水系统中的硝酸盐来源及其转化过程进行了地球化学调查。通过分析氮浓度的季节变化、同位素组成和土地利用情况，首次揭示了钦州湾地下水系统中严重硝酸盐污染的来源和驱动机制。这些发现阐明了控制地下水硝酸盐浓度的主导因素，并为采取有效措施保护地下水环境提供了重要指导。将地球化学参数与地理信息相结合，有助于深入理解硝酸盐污染过程。

研究区域

钦州湾位于中国广西省南部海岸线，面积约为908.37平方公里。该地区地形多样，包括沿海平原、起伏的丘陵和广阔的河流三角洲（图1）。该地区属于亚热带季风气候，季节变化明显。年平均降雨量为1500至2000毫米，主要集中在夏季（5月至9月），而10月至4月则为低流量期。

地下水中硝酸盐污染特征

研究区域两个季节的地下水水化学参数见附表S1。高流量期和低流量期的溶解氧（DO）浓度分别为1.16-5.20 mg/l和1.34-5.45 mg/l，表明部分水体处于厌氧环境，有利于反硝化作用的发生（Nikolenko等人，2018；Ogrinc等人，2019）。

地下水中的[NO₃^?-N]和[NH₄⁺-N]的时间和空间变化...

结论

沿海地区地下水中硝酸盐含量的升高是一个全球性挑战，但其驱动因素尚不明确。本研究结合了水化学、多同位素技术和遥感技术，阐明了钦州湾地下水中硝酸盐含量升高的控制过程。结果表明，硝酸盐负荷和同位素特征受到来源混合和反硝化作用的共同影响。普遍存在的反硝化作用减轻了硝酸盐的...

CRediT作者贡献声明

Xu Yin：数据可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、数据分析。 Wenlu Lan：资源管理、项目协调、数据整理。 Ke Pan：方法论设计、概念构建。 Junlin Shu：软件开发、资源协调。 Yan Liu：数据可视化、验证。 Wenshi Zhang：数据可视化、软件应用。 Tianzhang Qiu：软件开发。 Zhongheng Yan：数据验证。 Li Li：研究监督、写作与编辑、方法论指导、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U23A2048）和广西壮族自治区重点研发计划（项目编号：GUIKE AB24010128）的支持。Hao Jiang感谢中国科学院武汉植物园青年团队项目的支持。