火山岛养猪场氮污染的双相迁移机制：水文地球化学-同位素-微生物多组学证据

《Water Research X》：Dual-phase nitrogen transport from swine farms in a volcanic watershed of Jeju Island, South Korea: Insights from hydrochemical, isotopic and microbial analyses

本研究针对火山含水层中集约化养猪活动导致的复杂氮污染路径问题，通过整合水文地球化学分析、硝酸盐双同位素(δ15N和δ18O)示踪和微生物群落分析，揭示了干旱期氮素挥发富集与降雨驱动迁移的双相机制，为脆弱水文系统的氮污染防控提供了创新视角。

　　

在碧海蓝天的济州岛之下，隐藏着令人担忧的水环境危机。这座由火山喷发形成的岛屿，拥有独特的裂隙型玄武岩含水层，其高效的水分渗透能力在保障供水的同时，也成为了农业污染物向地下水迁移的"快速通道"。近年来，随着集约化养猪业的迅猛发展，济州岛已聚集了271家养猪场，饲养超过55.7万头猪，每日产生约2635吨粪便——占全岛畜禽粪便总量的72%以上。这些富含氮素的废弃物如何影响岛上的泉水水质，成为了亟待解决的科学问题。

传统的单一监测手段难以揭示氮素在复杂水文地质环境中的迁移转化规律。为此，韩国大学地球与环境科学系的研究团队在《Water Research X》上发表了一项创新性研究，通过多学科交叉方法，揭示了火山流域中猪场氮污染的双相迁移机制。

研究人员在济州岛某农业流域布设了52个采样点，涵盖地下水、泉水和地表径流。他们采用了水文地球化学分析、硝酸盐双同位素(δ¹⁵N和δ¹⁸O)示踪、微生物16S rRNA测序和地球物理勘探等综合技术手段。特别值得一提的是，研究还应用了成分数据分析法(Compositional Data Analysis, CoDa)和贝叶斯混合模型(MixSIAR)，为解析复杂环境数据提供了统计力学支撑。

关键实验方法概述

研究团队在2019年6月至8月进行了系统采样，包括干旱期基线采样和降雨事件(24小时累计降水82.5毫米)动态监测。样品分析涵盖常规水化学参数、主要离子、硝酸盐双同位素组成，并通过16S rRNA测序解析微生物群落结构。地球物理勘探(电阻率层析成像和探地雷达)用于识别地下污染迁移路径。

3.1 污染物迁移的水文地球化学指标

水质分析揭示了明显的水化学梯度：从地下水(电导率中位数91.4 μS/cm)到泉水(358 μS/cm)再到径流(414.7 μS/cm)，电导率依次升高，表明从本底水质到受污染水体的渐进富集过程。硝酸盐浓度差异尤为显著：地下水保持低水平(中位数3.3 mg/L)，而泉水(中位数101.8 mg/L)和径流(中位数55.7 mg/L)则呈现显著富集。泉水硝酸盐浓度持续超过韩国饮用水标准(44.4 mg/L)，构成水质风险。泉水还表现出独特的酸化特征(pH中位数6.6)，这与微生物硝化作用释放H⁺的过程相符。

3.2 氮源与转化过程的同位素证据

双同位素分析显示，径流样品δ¹⁵N值较重(均值19.4±1.61‰)，处于粪便污水典型范围，且高于猪粪铵态氮δ¹⁵N值(9.66±1.97‰)，反映了氨挥发导致的同位素富集。泉水δ¹⁵N值(12.7-16.7‰)介于地下水和径流之间，表明混合或转化过程。δ¹⁸O值普遍低于10‰，支持微生物硝化主导的转化途径。贝叶斯混合模型揭示了双阶段机制：干旱期氨挥发形成富集δ¹⁵N的氮储库，降雨事件触发其通过间歇性溪流快速迁移。

3.3 水文地球化学与同位素关系的多元成分数据分析

聚类分析明确区分了三类水体：地下水聚类显示低溶质含量和δ¹⁵N值；径流聚类以高NO₃^-、SO₄^2-、Fe、Mn、PO₄^3-和δ¹⁵N为特征；泉水处于中间位置。主成分分析(PC1方差贡献42.0%)有效区分地下水与地表影响水体，等距对数比转换验证了泉水组成的地下-地表混合本质。

3.4 微生物群落组成

微生物分析进一步佐证了氮循环路径：径流中含有粪便指示菌(Clostridium sensu stricto 1)和氮循环功能菌(Acinetobacter、Comamonadaceae)；泉水中检测到反硝化相关菌(Pseudomonas、Thauera)。结合高溶解氧(DO中位数8.6 mg/L)条件，证实好氧硝化是主要转化途径。

研究结论强调，火山流域氮污染存在"干期积累-雨期迁移"的双相机制，传统点源控制不足以应对此类延迟释放模式。作者建议采用地球物理勘探预识别迁移路径、干旱期监测预防性管理和ILR(等距对数比)筛选等创新策略。该研究为类似水文地质环境下的氮污染防控提供了重要科学依据，凸显了多学科方法在解析复杂环境过程中的独特价值。