近日，我院黄金良教授课题组在农林科学顶级期刊Agricultural Water Management上在线发表了题为“Nitrate removal mechanism in riparian groundwater in an intensified agricultural catchment”的研究论文。研究揭示了集约化农业流域河岸带地下水的硝酸盐去除机制。

01.研究背景

在中国各地的农业地区，在人类活动的干扰下地下水环境质量不断恶化，大量营养盐过剩导致的地下水污染是一个持续而普遍的问题。不断增加的人为氮输入导致水质富营养化以及水生生态系统健康退化。已有研究表明，连接陆地和水环境的河岸带已被证明具有自然减少硝氮污染的重要潜力，并可作为河流沿岸的硝氮缓冲区。更具体地说，在河岸带，各种氮素可以通过反硝化作用有效地吸收、转化或永久去除。然而，地下水的反硝化速率在空间和时间上并不是恒定的，受到多种因素的控制。现有研究总结了含水层生态系统的特征、流量和溶质迁移以及揭示河岸带反硝化机制的关键影响参数，但有关河岸带地下水硝酸盐污染的模式和控制氮过程的关键因素仍不清楚。因此，为了农业生态系统的可持续性，深刻认识河岸带硝氮过程对氮的管理迫在眉睫。

本研究选取深受人类活动和气候变化双重扰动的近海流域九龙江流域中的花山溪子流域作为研究区域，采用同位素示踪技术（¹⁵N-NO₃^-/¹⁸O-NO₃^-）和水化学方法，研究了两年来流域河岸带地下水氮源和硝氮去除机制。研究的主要目的有：（1）揭示河流和地下水中氮素的时空动态变化；（2）评估河岸地下水中的氮循环和硝氮去除过程；（3）识别控制河岸地下水中反硝化活动的关键因素。这项研究的结果可能会增强我们对河岸区的氮过程和去除机理的认识。

02.研究结果

这项研究发现，河岸带的河水入渗显著影响了地下水的水化学和稳定同位素。溶解氧的消耗、高浓度的硝氮、以及δ¹⁵N和δ¹⁸O的富集提供了河岸带反硝化作用的证据，特别是在夏季。线性混合模型结果表明，温度、pH值和DOC共同解释了55%的溶解氧和47%的δ¹⁵N的方差变异性。在近河流端地下水，观察到较高的河流入渗系数，这可能是滋养微生物活动的生物可用碳的主要来源。河岸地下水的硝氮去除效率的结果表明，氮额外的去除过程明显超过了反硝化作用（平均为12.1% vs. 6.6%），特别是远河流端和冬季。随着与河流距离的增加，河岸带地下水中的反硝化作用迅速下降，证明了河水作为反硝化有机碳来源的作用。氮源结果表明，粪便和污水的平均贡献比例（54.5%）最高，其次是土壤氮肥（23.7%）、化学肥料和大气沉积，平均贡献比例分别为18.5%和3.3%。与地表水氮输出仅受农业活动的影响不同的是，地下水硝酸盐污染受到畜牧业、生活废水和农业生产等多方面的影响。这一认识为农业用水管理提供了宝贵的指导，确保河流和地下水之间的高度连通，以最大限度地发挥河岸带的硝氮去除潜力。

图1 研究区域

图2 河流和地下水中变量的时空动态变化 （a） pH，（b）WTEMP，（c） DO，（d） TDS （e）NH₄⁺-N，（f）NO₂^--N， （g）NO₃^--N，和（h）TN

图3 （a）氯化物和（b）溶解有机碳（DOC）浓度的季节变化

图4  δ¹⁵N-NO₃^-和δ¹⁸O-NO₃^-值与潜在硝酸盐来源之间的关系（a）春季，（c）夏季，（e）秋季，（g）冬季；观测的NO₃^-浓度与基于混合模型计算的模拟NO₃^-浓度的对比（b）春季，（d）夏季，（f）秋季，（h）冬季。黑线代表1:1线。

图5 地下水潜在NO₃^-来源贡献比例（a）春季，（c）夏季，（e）秋季，（g）冬季

图6 河岸井（a）夏季和（b）冬季反硝化对NO₃^-的平均去除率和（c）夏季和（d）冬季额外过程（R_add）对NO₃^-的平均去除率，其中 ε_N = -28.0‰.

图7 （a）WTEMP和DO相关关系与空间聚类，（b）WTEMP和δ¹⁵N相关关系与空间聚类，（c）DO和δ¹⁵N相关关系与空间聚类，（d）F_Riv和δ¹⁵N相关关系与线性回归

图8 观测变量之间的斯皮尔曼秩相关关系

03.研究团队

论文第一作者为我院博士生谢哲宇，曾受国家留学基金委联合培养博士项目资助在新加坡国立大学访学，已在Remote Sensing，Chemosphere等国际刊物上发表论文多篇，课题组硕士生张宇菁和博士生张祯宇也参与该研究，论文通讯作者为黄金良教授。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

论文来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378377423000884

Xie Z, Zhang Y, Zhang Z, et al. Nitrate removal mechanism in riparian groundwater in an intensified agricultural catchment[J]. Agricultural Water Management, 2023, 280: 108223.

图、文|谢哲宇、黄金良

责任编辑|黄金良