### 中文标题 季风降水调控快速城市化地区地下水优先污染物来源、水质与健康风险：以珠江三角洲为例的多同位素与受体模型集成研究

《Environment & Health》：Monsoon Precipitation Regulates Priority Contaminant Sources, Quality, and Health Risks of Groundwater in a Rapidly Urbanizing Region

　　

### 摘要专业翻译

地下水供应了全球约50%的生活用水，却同时面临地质成因与人为来源的双重威胁。在快速城市化地区，地下水优先污染物的季节性激增与更替，以及驱动这些脉冲的具体来源，仍鲜有研究。填补这些知识空白对于改善水质管理、指导可持续水资源策略以及降低健康风险至关重要。研究人员在中国珠江三角洲开展了三季节（枯水季、初湿季、湿季末）监测，采集了159份浅层民用井水样品，整合了多同位素（δD-H₂O、δ¹⁸O–H₂O、δ¹⁵N-NO₃^–、δ¹⁸O-NO₃^–、²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb和²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb）、贝叶斯混合模型（Bayesian mixing）、自组织映射（self-organizing maps，SOM）和正定矩阵因子分解（positive matrix factorization，PMF）。水同位素定量揭示了受季风调控的补给转变：枯水季以地表水影响为主，初湿季转为降水主导的补给，从而将水文气候与污染物迁移联系起来。四种污染物（NO₃^–、NH₄⁺、As和Pb）控制了研究区及全球范围内局部人群的水质恶化与健康风险。这四种优先污染物的峰值出现时间并不同步：硝酸盐在初湿季达到最大值，且以污水/粪便输入为主（平均71%）；而NH₄⁺在湿季末、更为还原且富含溶解性有机碳（DOC）的条件下升高。铅主要来源于地质成因（花岗岩风化；平均86%），但在湿季末表现出更强的人为来源信号；砷则仍是主导的致癌风险驱动因子。由此得出的“连通性-氧化还原-风险”级联机制解释了风险构成的季节性更替，并确定了卫生设施升级、抗风暴城市规划、遗留金属管理和季节性适应性监测等作为保障地下水安全的高杠杆干预措施。

### 论文解读文章

**一、研究背景与科学问题**

地下水约占地球陆地液态淡水的99%，供应全球约一半的生活用水，在快速城市化地区尤其关键。然而，全球数百万人正面临地下水中的地质成因污染物（如砷As和氟F）的威胁。在许多城市化流域，人为来源的硝酸盐（NO₃^–）、铵（NH₄⁺）和金属（如铅Pb）通过补给、氧化还原条件和流动路径的变化而进一步加剧了这些危害。水文极端事件（如洪水、干旱）会重组污染物迁移和生物地球化学条件，使水质动态更加复杂。尽管现有诊断工具（如水文地球化学框架、化学计量比、机器学习与受体模型）各有用途，但在城市化影响下，Cl^–、K⁺、PO₄^3–、NO₃^–等关键溶质被改变，干扰了经典比值指标，单靠统计分析难以厘清来源。同位素示踪剂虽可提升源解析精度，但在季风驱动的快速城市化含水层中，集成多示踪剂、季节分辨的源解析研究仍然匮乏。华南珠江三角洲（PRD）作为季风主导、快速城市化的巨型区域，同时存在地质成因危害（As、NH₄⁺）和人为污染（NO₃^–、Pb），是研究降水格局与城市源相互作用如何塑造地下水风险的理想天然实验室。该研究旨在阐明季风水文气候与城市化如何共同调控地下水质量，识别优先污染物并解析其来源，评估季风控制的补给与氧化还原在调节污染物路径中的作用。

**二、研究设计与方法概述**

研究人员在珠江三角洲开展了三季节连续监测（2021年4月（初湿季WET-E）、2022年1月（枯水季DRY）和2021年9月（湿季末WET-P）），采集了53口民用井（深度<14 m）共159份地下水样品。研究整合了多种关键技术方法：（1）水稳定同位素（δD-H₂O、δ¹⁸O–H₂O）结合贝叶斯混合模型（MixSIAR）定量解析降水与地表水的补给贡献；（2）硝酸盐双同位素（δ¹⁵N-NO₃^–、δ¹⁸O-NO₃^–）和铅稳定同位素（²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb、²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb）配合MixSIAR模型进行NO₃^–和Pb的来源定量解析；（3）以熵权法结合G1法计算综合权重水质指数（IWQI）评价地下水质量，采用美国环保署（USEPA）框架评估经口摄入和皮肤接触的健康风险，并针对As(III)/As(V)形态差异进行了基于形态的风险校正，同时采用蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟传播不确定性；（4）利用自组织映射（SOM）和正定矩阵因子分解（PMF）两种受体模型识别污染物来源和过程控制因子，并与同位素结果交叉验证。

**三、主要研究结果**

**3.1 水文地球化学证据揭示季节性重构的地下水-地表水连通性**

水同位素证据表明，地下水δD和δ¹⁸O值（δD_gw：?47.8‰至?14.0‰，均值?36.2‰；δ¹⁸O_gw：?8.4‰至?4.0‰，均值?6.4‰）聚集在本地大气降水线（LMWL）附近，证实了主要的大气降水来源。但较低的表观斜率和升高的氘过量（d-excess）指示补给并非纯降水直接入渗，而是混入了经蒸发富集的地表水组分。MixSIAR模型量化了季风调控的有效补给源转换：枯水季降水贡献最小（均值3.0%），地表水交互影响相对更强；初湿季降水主导补给（均值83.3%）；湿季末降水贡献表观降低（均值6.7%），反映降水信号经混合地表水补给的间接表达。含水层以近中性pH（均值6.84）和偏氧化环境（ORP均值183.50 mV）为特征，湿季末DOC含量最高。

**3.2 季风季节性驱动硝酸盐冲刷与季末还原性积累**

在17项评价参数中，氮素和氧化还原敏感元素是地下水脆弱性的主要驱动因子。82%的地下水样品NO₃^–超过中国饮用水标准（10 mg/L），38%超过NH₄⁺推荐阈值（0.5 mg/L）。NO₃^–在初湿季显著升高，而NH₄⁺在湿季末强烈富集，体现了快速补给驱动的早季“NO₃^–冲刷”和持续湿润条件下有机质矿化驱动的季末“还原性积累”两个耦合过程。As浓度范围为ND–20.1 μg/L，9%超过饮用水标准；As(V)占主导（均值82%），氧化条件约束了As的迁移。PO₄^3–降低可能减少竞争性解吸从而进一步抑制As释放。F^–浓度始终较低，与萤石沉淀一致。Pb广泛存在（ND–202 μg/L），10%超过饮用水标准，表现为地质背景上叠加偶发性人为遗留Pb的活化。

**3.3 季风时相转变水质恶化峰值与健康风险主导因子**

IWQI结果显示，湿季末水质系统性恶化，“优/良”水比例从初湿季的43%和枯水季的42%降至湿季末的28%，而“较差/差”水比例从9%（初湿季）和17%（枯水季）升至41%（湿季末）。NO₃^–和NH₄⁺是IWQI退化的最大贡献者（合计60%–68%）。蒙特卡洛健康风险评估显示，成人平均总非致癌危害指数（THI）为1.58（>1），>72%的当地人群面临超阈值非致癌风险；As和Pb的平均总致癌风险（TCR）为5.6×10^–4，超过1.0×10^–4基准，>90%的人群面临超阈值致癌风险。经形态校正后As仍贡献>99%的致癌风险，确认为主要致癌风险驱动因子。枯水季致癌风险超标概率最高（99%）。

**3.4 同位素解析季风变化的硝酸盐和铅来源**

Cl/Br比值和NO₃^–/Cl^–关系指示了与卫生设施相关的输入。硝酸盐双同位素显示季节性变化：枯水季更富集（δ¹⁵N-NO₃^–均值17.62‰），湿季较低（均值9.65‰）。MixSIAR定量结果显示，污水/粪便贡献了地下水NO₃^–的43%–90%（均值71%），其次为土壤氮（均值22%）、肥料（均值5%）和大气沉降（均值2%），表明化粪池渗漏和卫生设施不足是可干预的主要控制因素。Pb同位素显示地下水样品跨越当地地壳/未污染土壤与人为源（遗留含铅汽油、工业排放）的组成范围。MixSIAR结果表明岩石风化占主导（均值86%），肥料（均值7%）、含铅汽油遗留（均值4%）和工业（<5%）贡献较小，但人为贡献在湿季末增加，与持续降雨和增强的入渗/径流连通性下土壤和道路粉尘中Pb的迁移一致。

**3.5 SOM、PMF与同位素汇聚于季节性连通性-氧化还原-风险级联**

SOM识别出三个分区，PMF解析出六个可解释因子。PMF因子5（HCO₃^–、PO₄^3–、As）反映了氧化还原介导的矿物过程，PO₄^3–竞争性解吸为As迁移提供了额外途径。因子2（K、Ca、SO₄^2–、NO₃^–）和因子4（NO₃^–、Cl^–、Ca）分别代表农业活动和污水/粪便输入，与硝酸盐双同位素结果一致。因子1、3、6分别代表碳酸盐溶解、硅酸盐风化和芒硝/钙沸石/石盐溶解，确立了背景水化学。第三SOM分区（Fe、Mn、F、NH₄⁺、TOC、IWQI）表明氧化还原敏感金属、有机碳和NH₄⁺与总体水质协同变化。多种方法收敛支持统一机制：季风驱动的连通性增加初湿季NO₃^–迁移，而持续湿润和高DOC将系统转向还原条件，放大NH₄⁺和氧化还原敏感金属动态，驱动季末水质恶化和风险上升。

**3.6 全球地质成因砷污染区地下水再分析揭示协同污染物与季风驱动的健康风险**

研究人员汇编了全球典型As污染区地下水数据，蒙特卡洛健康风险评估显示当地人群面临的风险远超推荐水平，尤其在智利北部、墨西哥北部、加纳、孟加拉国、印度和中国。在全球As污染区中，NO₃^–、NH₄⁺和Pb作为不可忽视的协同污染物普遍存在，加上Fe、Mn和F，共同构成复合健康负担。季风水文气候不仅决定污染程度，还决定特定风险的峰值时间：早湿季补给增强垂直连通性，驱动NO₃^–冲刷；季风后期持续湿润使含水层趋向还原条件，有利于NH₄⁺积累和氧化还原敏感金属活化。

**四、结论与展望**

该研究整合多同位素示踪剂、贝叶斯混合模型、SOM和PMF，厘清了来源、过程和季节动态。水同位素混合指示补给从枯水季地表水影响向初湿季降水主导的转变，随后出现湿季末混合和储存效应。研究确定了四种优先污染物（NO₃^–、NH₄⁺、As、Pb）共同控制地下水质量和健康风险。硝酸盐主要来源于污水/粪便（均值71%），湿季降水增强遗留土壤氮和肥料的淋溶；铵在还原性湿季末条件下经有机质降解积累；铅主要来源于花岗岩风化的地质成因（均值86%），但风暴期获得肥料残留和遗留含铅汽油的可测量人为贡献；砷受沉积矿物溶解和PO₄^3–促进的竞争性解吸控制，湿季稀释和氧化降低溶解态As。水质在湿季末显著恶化，概率性健康风险评估表明>72%和>90%的当地人群可能面临非致癌和致癌风险超标，As在形态校正后仍主导致癌风险。全球综合分析强调，在地质成因As区域，与NO₃^–、NH₄⁺和Pb的共存现象普遍存在，亟需季节性适应性监测。研究的局限性在于健康风险评估仅为筛查视角而非确定性毒理学结论，且对新兴关注污染物的理解仍不充分，需整合长期监测数据和先进毒理学分析以完善优先污染物清单。