快速城市化沿海地区浅层地下水中的硝酸盐污染：来自中国厦门的空间-季节分布特征及污染源识别的研究

《Groundwater for Sustainable Development》：Nitrate pollution in the shallow groundwater of a rapidly urbanizing coastal area: Insight from spatial-seasonal distribution and source identification in Xiamen, China

硝酸盐污染在沿海快速城市化地区地下水中的分布特征、污染源及形成机制研究。在厦门采集39个浅层地下水样，分析显示48.7%样本超过WHO标准（11.3 mg/L NO3-N），且高浓度区域集中分布在10公里沿海人口密集带。同位素分析（δ15N-NO3-N、δ18O-NO3-N、δ34S-SO4^2-、δ18O-SO4^2-）结合贝叶斯混合模型（MixSIAR）证实污水与粪便（MS）是主要污染源（湿季69.7%±11.7%，干季90.9%±11.5%），其次为土壤氮和化肥。研究提出多方法整合策略，有效克服传统水文地球化学方法在沿海复杂水文地质条件下识别污染源及迁移路径的局限性。

　　

作者：李翔|向科孔|李雄光|罗晓明|曹胜伟|胡秀健|李亚松|曹英兰

中国地质大学（北京）海洋科学学院，北京，100083，中国

摘要

在快速城市化的沿海地区，地下水中的硝酸盐（NO₃^-）污染问题日益严重。然而，复杂的水文地质条件和密集的人类活动使得识别硝酸盐的来源及其污染特征变得困难，从而限制了地下水资源保护的工作。本研究调查了中国典型沿海城市厦门39口浅层地下水井中硝酸盐的空间-季节分布及其来源，这些井位于不同的土地利用类型区域，同时考虑了湿润季节和干旱季节的情况。研究结果显示，48.7%的地下水样本中的硝酸盐含量超过了世界卫生组织（WHO）规定的11.3 mg/L标准。高浓度的硝酸盐显著影响了地下水的化学类型，其中32%的样本被归类为以硝酸盐为主的地下水（硝酸盐质量百分比≥25）。在不同土地利用类型中，硝酸盐浓度存在显著的时空变化。值得注意的是，所有硝酸盐含量超过11.3 mg/L的样本都集中在人口密度较高的10公里沿海区域内。斯皮尔曼等级相关分析显示，硝酸盐（NO₃^-）、氯离子（Cl^-）和硫酸根离子（SO₄^2-）之间存在正相关关系（p < 0.05），这表明人类活动对地下水质量有明显影响。硝酸盐和硫酸盐的稳定同位素分析表明，污水和粪便（MS）是硝酸盐的主要来源。贝叶斯混合模型进一步量化了这些来源的贡献比例（湿润季节为69.7% ± 11.7%，干旱季节为90.9% ± 11.5%），其次是土壤氮和化学肥料。硝化作用是导致地下水中硝酸盐积累的主要微生物过程。本研究表明，将土地利用模式与水化学和同位素数据相结合，是识别城市化沿海含水层中硝酸盐污染来源的有效方法。

引言

中国的沿海城市被认为是世界上增长最快、经济最活跃的地区（Hao等人，2023年）。然而，快速的城市化和人口增长加剧了这些地区的地下水污染问题，硝酸盐（NO₃^-）污染已成为一个关键的环境威胁（Zhou等人，2024年）。人类活动，包括过度使用化肥、畜禽养殖和市政污水排放，导致了浅层地下水中硝酸盐浓度的升高（Karunanidhi等人，2024年）。最新研究发现，中国主要沿海河流流域的地下水硝酸盐平均含量远高于WHO规定的11.3 mg/L标准（Liu等人，2024年；Han等人，2022年）。例如，大连和山东东部的地下水硝酸盐平均含量分别达到了49.2 mg/L和35.2 mg/L（Han等人，2022年）。高浓度的硝酸盐不仅影响公共健康，还破坏了生态平衡（Liu等人，2024年）。流行病学证据表明，地下水中的硝酸盐暴露与高铁血红蛋白血症、心血管疾病和胃肠道恶性肿瘤的风险增加之间存在正相关关系（Ward等人，2018年；Chaudhary等人，2025年）。此外，高浓度的硝酸盐还对水生生态系统构成威胁，主要通过富营养化和生物地球化学循环的破坏（Zill等人，2025年；Bijay和Craswell，2021年）。

通常，地下水中的硝酸盐背景浓度受降水和当地水文地质条件的影响，3 mg/L是一个区分人为影响和自然来源的关键阈值（Ogrinc等人，2019年；Beusen等人，2016年）。作为地下水的最终排放区，沿海地区往往积累了来自自然来源和人类活动的硝酸盐（Zazouli等人，2024年）。先前的研究表明，地下水中的硝酸盐浓度与土地利用类型之间存在显著相关性（Schaider等人，2019年；Kebede等人，2025年）。然而，由于多种污染源的混合以及复杂的生物地球化学过程，准确识别硝酸盐污染来源仍然具有挑战性，这通常限制了传统水文地球化学方法的有效性（Alam等人，2025年；Li等人，2024b）。

多同位素分析在水生系统中识别硝酸盐污染物的来源和传输途径方面具有显著优势（Cui等人，2020年；Torres-Martínez等人，2021a）。一种常见的硝酸盐来源识别方法基于双同位素（δ¹⁵N-NO₃^-和δ¹⁸O-NO₃^-）特征，这些特征被用于贝叶斯混合模型（MixSIAR）中，以定量确定各来源的贡献（Ren等人，2024年；Zhao等人，2022年）。然而，由于不同硝酸盐来源的同位素特征重叠以及硝酸盐转化过程中可能发生的同位素分馏（例如硝化和反硝化作用），解释双硝酸盐同位素结果仍然具有挑战性（Song等人，2021年）。最近在硫酸盐同位素分析（δ³⁴S-SO₄^2-和δ¹⁸O-SO₄^2-）方面的进展为传统的双硝酸盐同位素方法提供了有价值的补充（Torres-Martínez等人，2021b）。因此，通过整合多同位素、水文和统计方法开发一种稳健且精确的方法对于追踪沿海地下水中的硝酸盐来源至关重要。

作为中国东南部的一个代表性沿海岛屿城市，厦门经历了快速的城市化进程（Guo等人，2020年）。目前，其城市化率已超过90%，多个区域几乎实现了完全城市化。这种快速的城市化导致了城市土地利用、河流工程以及工业和农业发展的重大变化，显著改变了地下水流动态和污染源的空间分布（Hua等人，2020年）。与大型内陆盆地或沿海冲积平原不同，厦门具有独特的岛屿水文地质特征，包括小规模的水文地质单元、短的地下水流动路径和浅的地下水深度。这一特点使得含水层系统特别容易受到人为污染的影响。然而，城市化对硝酸盐来源和分布的具体影响仍不明确且缺乏量化研究（Han等人，2022年）。据我们所知，目前仍缺乏对厦门地下水中硝酸盐分布特征和来源的系统性了解。

本研究收集并分析了厦门不同水文地质单元和土地利用类型下的39个地下水样本，涵盖了湿润季节和干旱季节。通过结合水化学分析、多变量统计和多同位素追踪技术，本研究旨在：（1）调查不同土地利用类型和水文地质单元中硝酸盐的污染状况及其空间-季节动态；（2）揭示控制硝酸盐转化和积累的关键水文地球化学和人为过程；（3）识别并量化人为来源的贡献。所提出的多方法组合有望有效克服识别硝酸盐污染特征和来源的挑战，从而为具有复杂水文地质条件和强烈城市化压力的沿海地区的地下水保护提供科学依据。

研究区域

厦门是中国福建省一个快速城市化的沿海城市（Li等人，2022年），位于台湾海峡中西部（经度117°52' – 118°26'，纬度24°23' – 24°54'）（图1）。2025年，厦门的总面积为1,700.61平方公里，常住人口为580万，城市化率为90.81%（Zhu等人，2025年）。厦门的气候属于亚热带海洋性气候，年平均温度约为21°C。

地下水补给来源

为了识别地下水补给来源并评估地表水与地下水之间的水文连通性，分析了地下水、地表水和当地降水的稳定同位素组成（δ²H-H₂O和δ¹⁸O-H₂O）（表S2）。地下水的δ²H-H₂O值范围为-49.0‰至-22.0‰，平均值为-36.9‰；δ¹⁸O-H₂O值范围为-7.8‰至-3.5‰，平均值为-5.7‰。地表水的δ²H-H₂O值介于-40.0‰之间

硝酸盐与水化学成分的关系

对地下水化学成分的斯皮尔曼分析显示，硝酸盐（NO₃^-）与主要离子之间存在显著相关性（图5）。硝酸盐与Eh、EC、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-和SO₄^2-呈正相关（p < 0.05），而与pH和HCO₃^-呈负相关（p < 0.01）。这一结果与主要离子分析得出的以硝酸盐为主的水化学特征一致（第3.2节）。通常，Cl^-和SO₄^2-是与粪便相关的主要污染物

结论

本研究开发并应用了一个结合水化学、空间和多同位素分析的综合框架，用于追踪厦门这一快速城市化沿海城市中的地下水硝酸盐来源。结果表明，地下水质量和化学类型主要受硝酸盐污染控制，48.7%的样本中的硝酸盐含量超过了WHO规定的标准（11.3 mg/L）。值得注意的是，所有受污染的样本都集中在距离海岸线10公里范围内的区域，该区域覆盖了93.56%的沿海面积

CRediT作者贡献声明

李翔：撰写——初稿、方法论、调查。 曹胜伟：方法论、调查。 罗晓明：监督、正式分析。 李雄光：资源支持。 向科孔：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论、调查、概念构思。 曹英兰：撰写——审稿与编辑、方法论。 李亚松：资源支持。 胡秀健：方法论、调查

未引用参考文献

Han和Currell，2022年；世界卫生组织（W.H.O），2011年。

数据和材料的可用性

本研究使用和/或分析的数据集可向相应作者索取。

伦理批准和参与同意

不适用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

资助

本研究得到了中国福建省自然科学基金（编号2023J01227）和厦门市自然科学基金（编号3502Z20227309）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。