农业湖积土壤氮素空间转化机制及其对地下水铵污染的贡献：同位素示踪与多元统计的整合研究

《Environmental Technology & Innovation》：Unveiling spatial nitrogen transformations in agricultural lacustrine soils and their contribution to groundwater ammonium contamination: An integration of isotopic tracers and multivariate statistics

本研究针对农业湖盆区地下水氮污染问题，通过整合同位素指纹（δ1?N, δ1?O, δ2H）与多元统计分析（SOM–K-means和PCA），揭示了鄱阳湖流域土壤-地下水连续体中氮的来源与转化机制。研究发现土壤剖面存在三个明显的生物地球化学带：表层农业氮富集带、中间氮耗竭带和深层铵富集带。深层铵库具有双重来源，主要来自遗留有机氮的原位矿化，特定区域也存在农业源的直接下渗。地下水铵污染与高铵土壤直接相关，多元分析识别出农业输入、淋溶和还原条件保留是主要控制因素。同位素证据证实了矿化深层土壤氮向地下水的迁移，关键机制包括黏土促进的保留、硝化和深度分层矿化。该研究为识别高风险区和设计缓解策略以保护地下水提供了框架。

　　

在农业活动密集的湖盆区，地下水氮污染对水安全构成了严重威胁。然而，氮素从湖积土壤表层到含水层的转化和迁移机制长期以来模糊不清。特别是在像鄱阳湖这样的典型农业区，长期的耕作历史、多样化的土地利用方式（如稻田、虾塘、莲塘）以及独特的沉积环境，共同塑造了极其复杂的土壤-地下水氮循环过程。理解这些过程对于评估环境风险、保护宝贵的地下水资源至关重要。以往的研究多关注单一介质或过程，缺乏对从地表到地下水桌面的连续体进行系统、综合的解析。为了填补这一知识空白，一项发表在《Environmental Technology》上的研究应运而生，旨在揭示农业湖积土壤中氮的空间转化规律及其对地下水铵污染的贡献。

研究人员为解答上述问题，开展了一项综合性研究。关键技术方法包括：在鄱阳湖流域甘江河三角洲下游农业区采集了6个钻孔（深度390-524厘米）的53个土壤样品，覆盖不同土地利用类型（稻田、虾塘、莲塘、湖床土）。对土壤样品进行了11项理化指标分析（如NH₄⁺–N, NO₃^-–N, TOC, TN, pH, ORP, Fe²⁺等）。应用了自组织映射（SOM, Self-Organizing Map）结合K均值（K-means）聚类算法对土壤样本进行分类，并利用主成分分析（PCA, Principal Component Analysis）识别控制氮动态的主要因素。采用了稳定同位素技术，包括测定土壤和地下水中硝酸盐的δ1?N–NO₃^-和δ1?O–NO₃^-、铵盐的δ1?N–NH₄⁺以及土壤水的δ1?O–H₂O，以追溯氮来源和转化途径（如硝化、反硝化）。此外，还采集并分析了与土壤剖面直接相连的地下水（ZGW）及附近民井（MGW）样品中的氮形态和同位素组成。

3.1. 土壤氮的空间分布及其与地下水NH₄⁺富集的联系

研究发现，沿土壤-地下水剖面，NH₄⁺和NO₃^-在表层土壤（0–30厘米）强烈富集。随深度增加，NH₄⁺和NO₃^-浓度在30-200厘米处显著下降，但在300厘米以下深度，遇到灰黑色黏土层时，NH₄⁺浓度急剧上升。土地利用类型主要影响浅层土壤的氮负荷。与高铵土壤直接相连的地下水（ZGW）以及民井（MGW）均检测到较高的NH₄⁺–N浓度，证实了土壤氮对地下水污染的贡献。

3.2. 多元统计分析结果

3.2.1. SOM–KM聚类结果

SOM–KM方法将土壤样本分为三类集群（Cluster）。Cluster 1主要分布在0–30厘米表层，氮含量最高。Cluster 2主要出现在30–200厘米深度，氮含量显著降低。Cluster 3主要分布在300厘米以下，与暗灰色有机质富集层密切相关，NH₄⁺–N含量再次升高。三集群的无机氮含量差异显著。

3.2.2. 主成分分析结果

PCA分析提取了三个主成分（PC），累计解释方差71.27%。PC1与TN、TOC、DOC、NO₃^--N和DON相关，代表农业输入影响，高分值集中在0-30厘米。PC2与Cl^-和pH相关，代表淋溶过程，高分值主要在0-100厘米。PC3与NH₄⁺-N和Fe²⁺正相关，与ORP负相关，代表还原条件下的氮保留，高分值主要在300厘米以下。

3.3. 稳定同位素结果

3.3.1. 土壤稳定氮同位素分析结果

Cluster 1的δ1?N–NO₃^-和δ1?O–NO₃^-值范围较宽，指示农业来源（肥料、粪污）和硝化作用。Cluster 2同位素值范围与Cluster 1相似，表明其氮素主要来源于Cluster 1的向下淋溶。Cluster 3的δ1?N–NH₄⁺值集中在土壤有机氮典型范围内，表明其高NH₄⁺主要来源于沉积有机质的矿化。

3.3.2. 地下水氮同位素及土壤水δ1?O–H₂O

ZGW和MGW地下水样的δ1?N–NH₄⁺值与Cluster 3土壤相似，进一步证实了深层土壤矿化氮对地下水的贡献。土壤水δ1?O–H₂O值按Cluster 1 > Cluster 2 > Cluster 3的顺序逐渐贫化，结合δ1?O–NO₃^-变化，为反硝化过程提供了证据。

研究的讨论部分综合以上结果，深入阐释了各集群的氮转化过程及控制因素。Cluster 1是农业氮输入和活跃硝化作用的区域。Cluster 2是氮耗竭带，反硝化和植物吸收是主要过程。Cluster 3是铵富集带，高NH₄⁺主要源于沉积有机质的原位矿化，DNRA（异化硝酸盐还原为铵）也在强还原条件下发生。沿湖岸方向，沉积环境的异质性（近湖砂质区缺失有机质黏土层）导致氮转化路径和地下水污染风险的显著空间差异。

研究结论强调，该研究通过多技术手段整合，揭示了农业湖积平原土壤-地下水系统氮循环的深度分带性和空间变异性。表层农业输入、中层迁移转化和深层天然源矿化共同控制着地下水氮污染风险。研究成果不仅深化了对湖积环境氮生物地球化学过程的理解，更重要的是为高风险区识别、土地利用优化和地下水氮污染防控策略的制定提供了科学依据和理论框架。特别是认识到深层遗留有机氮库的长期释放风险，要求地下水保护策略必须从单纯控制地表输入，转向同时关注包气带深部“遗产”源的主动风险管理。