干旱中亚哈萨克斯坦地区地下水质量与水资源安全对可持续牧业发展的影响：地质成因与人为控制

《Sustainability》：Groundwater Quality and Water Security for Sustainable Pastoral Development in Arid Central Kazakhstan: Geogenic and Anthropogenic Controls

　　

中亚干旱地区可持续性畜牧业生产几乎完全依赖地下水资源。然而，从长期水资源安全和可持续牧场管理的角度来看，区域地下水质量仍未被充分表征。因此，理解自然水文地球化学演化与人为污染之间的相互作用对于制定气候适应型地下水管理策略至关重要。本研究基于一次旱季调查（2025年6月至7月）期间从卡拉干达地区58个地点和乌雷套地区43个地点采集的101个地下水样本，在总区域面积409,070 km²内的4,630 km²活跃牧场中进行了野外采样，开展了对比性水文地球化学评估。乌雷套地区地下水的矿化度显著更高，总溶解固体（TDS）中位数为1,027 mg/L，而卡拉干达地区为538 mg/L；超过1,000 mg/L的样本比例分别为53.5%（23/43）和29.3%（17/58）（Fisher精确检验p = 0.023）。乌雷套地区硝酸盐（NO₃^?）中位浓度也显著更高（35.0 mg/L），而卡拉干达地区为5.0 mg/L，超过50 mg/L指南限值的样本比例分别为46.5%（20/43）和19.0%（11/58）（p = 0.004）。在卡拉干达地区，NO₃^?与TDS无显著相关性（r_s = 0.108, p = 0.418），而在乌雷套地区则存在中等程度的正相关关系（r_s = 0.388, p = 0.010）。这些结果表明，区域盐渍化主要受地质成因水文化学演化控制，而硝酸盐污染则代表了与脆弱水点相关的局部人为压力。两个地区之间的显著定量对比凸显了需要制定针对特定区域的地下水保护和管理策略，以支持中亚哈萨克斯坦的可持续性畜牧业生产和长期水资源安全。本研究不仅提供了区域水文化学描述，还将地下水质量评估为畜牧业生产、地下水安全以及区域适应日益增强的水资源压力的可持续性指标。两个地区的地下水质量存在显著差异，乌雷套地区表现出更高的矿化度、更频繁的硝酸盐超标和更高的地下水脆弱性。统计分析证实，地下水质量恶化是由两个水文地质背景下不同组合的地质成因过程和局部人为影响共同控制的。研究结果表明，地下水质量是中亚哈萨克斯坦可持续性畜牧业生产的关键组成部分。所提出的区域地下水脆弱性框架为日益增长的环境压力下的地下水保护、气候适应和牧场水资源可持续管理提供了实践指导。

**论文解读：干旱中亚哈萨克斯坦地区地下水质量与水资源安全对可持续牧业发展的影响——地质成因与人为控制**

**研究背景与问题**

中亚干旱地区畜牧业生产几乎完全依赖地下水资源，地表水系匮乏或季节性存在，使得地下水成为不可替代的牲畜饮用水源。然而，区域地下水质量尚未从长期水资源安全和可持续牧场管理的角度得到充分表征。现有研究多集中于跨界河流系统和山区含水层，而对支撑哈萨克斯坦中部内陆低地畜牧业生产的平坦草原含水层缺乏系统性水文地球化学评估。此外，该地区地下水质量受自然地质过程（如岩石水相互作用、蒸发浓缩）和人为活动（如牲畜粪便渗透、井口防护不足）的双重影响，但这两类控制因素的相对贡献及其相互作用机制尚不明确。因此，开展对比性水文地球化学调查，区分地质成因盐渍化与人为硝酸盐污染，对于制定气候适应型地下水管理策略、保障畜牧业可持续发展和长期水资源安全至关重要。该论文发表在《Sustainability》期刊。

**研究内容与结论**

研究人员在哈萨克斯坦中部的卡拉干达和乌雷套两个相邻但水文地质条件迥异的地区，开展了一次旱季野外调查，采集了101个地下水样本，覆盖4,630 km²的活跃牧场。通过水化学分析、统计检验、Piper图和Durov图等手段，系统比较了两个地区的地下水质量差异，识别了控制水化学演化的主要自然和人为过程，并评估了地下水对牲畜饮用的适宜性。研究得出以下主要结论：（1）乌雷套地区地下水矿化度显著高于卡拉干达地区，TDS中位数分别为1,027 mg/L和538 mg/L，超过1,000 mg/L的样本比例分别为53.5%和29.3%。（2）乌雷套地区硝酸盐污染更为严重，NO₃^?中位浓度（35.0 mg/L）是卡拉干达地区（5.0 mg/L）的7倍，超过50 mg/L指南限值的比例分别为46.5%和19.0%。（3）卡拉干达地区NO₃^?与TDS无显著相关性，而乌雷套地区存在中等正相关，表明硝酸盐污染主要源于局部人为输入，而非与地质成因矿化过程耦合。（4）水化学相从Ca-Mg-HCO₃型淡水向Ca-Mg-SO₄型和Na-SO₄/Cl型咸水演化的梯度，反映了区域地质成因演化路径，包括碳酸盐和硫酸盐矿物溶解、蒸发浓缩、阳离子交换等过程。该研究首次在统一采样、分析和解释框架下，对卡拉干达和乌雷套两个地区进行了对比性水文地球化学评估，为区域地下水保护和管理提供了实践指导。

**关键技术与方法**

主要关键技术方法包括：**(1) 野外采样与现场测量**：在2025年6-7月旱季，于卡拉干达地区（58个样本）和乌雷套地区（43个样本）共采集101个地下水样本，样本来源为牧场上的水井、钻孔和泉水，野外记录坐标、井深、水位和井口卫生状况。**(2) 实验室分析**：采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICPE）测定主要阳离子和痕量金属，毛细管电泳法和滴定法测定主要阴离子，分光光度法测定NO₃^?和NH₄⁺，所有分析均符合国家认证标准。**(3) 水化学数据处理与统计**：使用Piper图和Durov图进行水化学相分类；计算离子电荷平衡误差（CBE）进行质量控制；采用非参数Mann-Whitney U检验比较区域间连续参数差异，Fisher精确检验比较超标频率差异，Spearman秩相关分析NO₃^?与TDS的关系。**(4) 水质指数计算**：计算钠吸附比（SAR）、钠百分比（%Na）和水质指数（WQI）以评估地下水对牲畜饮用的适宜性。

**研究结果**

**3.1. 一般水化学特征**：两个地区地下水参数均呈强烈右偏分布。乌雷套地区TDS、NO₃^?、SO₄^2?、Cl^?和Na⁺的中位浓度均显著高于卡拉干达地区（Mann-Whitney U检验p < 0.05），表明地下水质量存在显著区域差异。

**3.2. 水化学相——卡拉干达地区**：Piper和Durov图识别出三个水化学组：Ca-Mg-HCO₃型淡水（TDS < 500 mg/L），分布于活跃补给区；过渡型Ca-Mg-SO₄水（TDS 500-1500 mg/L），SO₄^2?超过250 mg/L；演化型Na-SO₄/Cl水（TDS > 1500 mg/L），Na⁺占阳离子当量70%以上。三个组沿区域地质成因演化梯度依次分布，反映从补给区淡水向高矿化度水的渐进演化。

**3.3. 水化学相——乌雷套地区**：乌雷套地区超过1,000 mg/L TDS限值和50 mg/L NO₃^?指南限值的样本比例显著高于卡拉干达地区（Fisher精确检验p分别为0.023和0.004）。硝酸盐超标热点（如Kyzyluy, 509 mg/L）与牲畜饮水点和无防护井口空间相关，表明人为点源污染特征。

**3.4. 硝酸盐与总溶解固体的相关性**：卡拉干达地区NO₃^?与TDS无显著相关性（r_s = 0.108, p = 0.418），而乌雷套地区存在中等正相关（r_s = 0.388, p = 0.010）。这支持了卡拉干达地区硝酸盐污染主要来自局部表层输入、与地质背景脱耦的解释；乌雷套地区的正相关则反映浅层脆弱井中两类过程（人为氮加载与天然蒸发浓缩）的叠加。

**3.5. 适宜性指数（SAR, %Na, WQI）**：SAR值在两个地区主要低于8，高钠危害仅出现在最演化Na-Cl站点。WQI显示卡拉干达地区91.4%样本为优良，乌雷套地区优质比例较低（81.4%），但无样本达到不适合类别。WQI作为综合指标可支持区域管理优先排序，但不能替代针对牲畜阈值的参数特异性评估。

**讨论与结论**

讨论部分指出，两个地区地下水质量的显著差异不能归因于气候（均为大陆性半干旱气候），而是反映了水文地质框架的差异：卡拉干达地区具有相对连通的断裂和冲积含水层系统，而乌雷套地区则以封闭构造洼地和受限排水为特征。地质成因演化路径（Ca-Mg-HCO₃ → Ca-Mg-SO₄ → Na-SO₄/Cl）受控于水-岩相互作用、硫酸盐矿物溶解、蒸发浓缩和阳离子交换，其中乌雷套地区更长的滞留时间和更强的蒸发浓缩导致更高的矿化度。硝酸盐污染主要表现为与点源（牲畜排泄物、无防护井口）相关的局部异常，尤其在浅层、无防护水井中更为突出。研究还评估了地下水对牲畜饮用的适宜性：TDS低于1,000 mg/L对大多数牲畜安全；4个站点TDS在5,000-10,000 mg/L范围内对怀孕或哺乳动物不安全；硝酸盐超过50 mg/L的站点（31个）构成直接毒性风险，可通过改善井口卫生和限制牲畜进入来缓解。研究提出了区域差异化地下水管理策略：乌雷套地区需优先进行广泛盐度筛查和井口硝酸盐监测；卡拉干达地区则针对热点位置进行靶向监测。研究结论强调，地下水质量是中亚哈萨克斯坦可持续性畜牧业生产的关键组成部分，地质成因盐渍化与人为硝酸盐污染需要不同的管理方法。

**研究结论翻译**：这项对101个地下水源的对比评估揭示了中亚哈萨克斯坦卡拉干达和乌雷套牧区之间地下水质量的显著定量差异。乌雷套地区的TDS中位数约为卡拉干达地区的1.9倍（1,027 mg/L对538 mg/L），超过1,000 mg/L的样本比例达到53.5%（23/43），而卡拉干达地区为29.3%（17/58）。这些结果定量证实了乌雷套地区更严重的区域盐度限制，并与其排水不良的构造洼地、受限的地下水循环、更长的滞留时间和增强的蒸发浓缩相一致。所观察到的Ca-Mg-HCO₃ → Ca-Mg-SO₄ → Na-SO₄/Cl水化学相梯度表明存在涉及水-岩相互作用、碳酸盐和硫酸盐矿物溶解、溶质浓度增加以及阳离子交换的渐进水文化学演化。因此，乌雷套地区观察到的显著更高的矿化度主要反映了区域地质成因控制，而非更大的人为压力。硝酸盐污染显示出更强的区域对比。乌雷套地区的NO₃^?中位浓度也显著更高（35.0 mg/L），而卡拉干达地区为5.0 mg/L，超过50 mg/L指南限值的样本比例分别为46.5%（20/43）和19.0%（11/58）。最大浓度在卡拉干达地区达到441 mg/L，在乌雷套地区达到509 mg/L。此外，在卡拉干达地区，NO₃^?与TDS无显著相关性（r_s = 0.108, p = 0.418），而在乌雷套地区则观察到中等正相关（r_s = 0.388, p = 0.010）。这种对比支持了以下解释：硝酸盐污染主要与脆弱浅水点的局部地表输入有关，而非与区域地质成因矿化过程本身相关。因此，这些定量结果界定了两个不同的地下水管理挑战。区域地质成因矿化需要根据牲畜耐受性进行特定来源评估、受控使用、混合或替代水源，而局部硝酸盐污染则需要改善井口卫生防护和控制牲畜聚集区的污染物转移。鉴于乌雷套地区TDS和硝酸盐阈值超标频率显著更高，应优先在该地区采取地下水保护和监测措施，特别是在浅层和防护不良的水点。因此，在评估中亚哈萨克斯坦牧场供水系统的长期可持续性和气候适应性时，应将地下水质量与地下水可用性一并考虑。