中国千年耕作区浅层地下水中硝酸盐污染的机制及健康风险评估

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Nitrate pollution mechanisms and health risk assessment of shallow groundwater in a millennium-cultivated region of China

中国井会渠灌溉区地下水硝酸盐污染严重（均值121 mg/L，超标率74%），污染源主要为农业废弃物、污水及土壤氮肥，高浓度区多位于冲积平原和梯田。婴儿（0-2岁）健康风险最高（91.67%样品HQ>1），孕妇及哺乳期女性风险显著。采用确定性模型与蒙特卡洛模拟结合评估健康风险，提出地下水回灌与农业源控制建议。

　　

张启英|徐盼盼|钱慧|魏爱辉|曹坤刚

西安科技大学建筑与土木工程学院，中国陕西省西安市710054

摘要：

中国悠久的农业历史导致了农业活动带来的硝酸盐污染，这已成为一个普遍的地下水环境问题。以拥有超过2200年灌溉历史的泾惠渠灌溉区为例，本研究探讨了地下水硝酸盐污染的机制及其相关的健康风险。研究结果表明，该地区的地下水硝酸盐污染严重，平均浓度达到121毫克/升，超标率约为74%。动物粪便、污水排放和土壤氮素富集被确定为主要的污染源。高浓度区域主要分布在渗透性强的含水层和浅水层的冲积平原和梯田中。此外，本研究采用了一种新的方法，将确定性模型与蒙特卡洛概率模型相结合，用于人类健康风险评估。该地区的所有年龄段的人都面临非致癌风险，其中0-2岁的婴儿面临最高风险（91.67%的样本HQ>1），孕妇和哺乳期妇女也显示出显著的风险。因此，应采取优先干预措施，包括含水层补给和农业源控制，以改善地下水环境。这些发现对类似灌溉区域的污染预防和控制策略制定以及脆弱人群的健康保护具有重要的理论意义。

引言

地下水是一种广泛分布的淡水来源，在市政、工业和农业活动中发挥着关键作用（Liu等人，2025；Wang等人，2024）。统计数据显示，地下水提供了大约50%的饮用水和40%的灌溉用水（Díaz-Alcaide和Martínez-Santos，2019；Xia等人，2023；Liu等人，2025）。然而，随着经济的快速发展和农业活动的增加，地下水的数量和质量受到了氮污染、地下水盐碱化以及砷和氟污染的严重威胁（Deng等人，2024；Zhang等人，2020；2024）。值得注意的是，硝酸盐污染已成为全球性问题，尤其是在农业地区（Ke等人，2023；Rotiroti等人，2023；Wang等人，2024）。研究表明，中国松嫩平原、华北平原和关中盆地的浅层含水层中的硝酸盐峰值浓度分别可达523.45毫克/升（Wu等人，2021）、326.30毫克/升（Xiao等人，2022）和4534.86毫克/升（Gao等人，2022），这些浓度远超过国家规定的45毫克/升的标准值（Muralidhara Reddy和Sunitha，2020）。其他国家也报告了地下水硝酸盐污染现象，包括丹麦（Hansen等人，2019）、加纳（Egbi等人，2020）和印度（Preethi等人，2025）。此外，长期饮用受污染的水会对健康造成累积性威胁（Adimalla和Qian，2021；Karunanidhi等人，2021；Xiao等人，2022；Zhang等人，2021）。这些发现凸显了地下水硝酸盐污染的严重性。

水中硝酸盐浓度的增加不仅会导致富营养化，还会促进植物过度生长并导致水生生物死亡（Jia等人，2020；Zhang等人，2025）。它还会改变土壤的物理化学性质，影响土壤微生物活动，从而加剧环境问题（Ma等人，2023；Niu等人，2024）。因此，了解硝酸盐污染的分布和驱动因素对于有效的水资源管理和环境保护至关重要，特别是在灌溉区域（Liu等人，2025）。人为因素，包括农业施肥、粪便施用和生活污水，已被全球认为是含水层硝酸盐污染的主要来源（Liu等人，2025；Park等人，2024；Zhang等人，2020a；2025）。通常情况下，土壤硝化菌在富氧条件下将渗透的NH₄⁺氧化为NO₃^-（Han等人，2018；Liu等人，2025）。硝酸盐的高溶解度和阴离子迁移性使其能够快速通过含水层传输（Zhang等人，2021，2025）。一旦硝酸盐渗入地下水，它可能会持续存在并积累（Gutiérrez等人，2018；Zhang等人，2025）。因此，减轻含水层中的硝酸盐污染仍是一个重大的环境挑战。为了解决这一挑战，已经采用了多种方法来追踪地下水硝酸盐污染的来源和过程，包括水化学分析、同位素追踪和多变量统计（Li等人，2024；Xiao等人，2022；Zhang等人，2022）。特别是，通过对溶解硝酸盐中的δ¹⁵N和δ¹⁸O进行双同位素分析，可以广泛应用于水文地质系统中氮源的区分（Carrrey等人，2021；Torres-Martínez等人，2020；Zhang等人，2025）。尽管有许多研究探讨了硝酸盐的来源，但关于这些来源进入地下水系统的途径、涉及的水文地球化学过程以及控制氮进入地下水的具体因素，仍存在关键问题。

过量摄入硝酸盐可能引发严重的人类健康问题，包括高铁血红蛋白血症、胃肠道疾病、甲状腺功能受损和蓝婴综合征，并与多种癌症（如食道癌、淋巴癌和胃癌）有关（Paladino等人，2018；Zhang等人，2025）。对于孕妇和哺乳期妇女来说，长期饮用含硝酸盐的水可能导致生殖伤害、胎儿畸形甚至自然流产（Gao等人，2022；Wu等人，2019；2021；Zhang等人，2021）。因此，评估与硝酸盐相关的人类健康风险对于保护公众健康至关重要，特别是对于孕妇和哺乳期妇女。美国环保署（USEPA）的人类健康风险评估框架为确定性暴露建模提供了方法论基础（Egbi等人，2020；Gao等人，2022；Wei等人，2025；Xie等人，2025；Zhang等人，2021）。然而，含水层的异质性、采样点的分布不均以及测试误差给输入参数带来了显著的不确定性，从而限制了确定性评估的准确性（Gao等人，2022）。蒙特卡洛模拟等概率方法可以有效解决这些局限性。蒙特卡洛方法已广泛应用于健康风险评估（Chen等人，2019；Ganyaglo等人，2019；Jiang等人，2021）。目前，将确定性模型与蒙特卡洛模拟相结合进行综合地下水健康风险评估的研究相对较少，但这可以提高评估结果的准确性。

泾惠渠灌溉区位于中国陕西省的渭河流域，是一个重要的农业中心，在农业生产和生活活动中地下水起着至关重要的作用（Ren等人，2021；Wang等人，2024）。该灌溉系统起源于公元前246年秦朝时期修建的郑国渠（Gao等人，2022；Hou，2023）。长期的农业灌溉和大量施肥导致了严重的硝酸盐污染，威胁到了当地经济、社会和生态发展的可持续性（Wang等人，2024；Zhang等人，2018）。因此，本研究的目标如下：（1）利用水文地球化学方法调查地下水中硝酸盐的分布；（2）通过同位素和地质统计方法阐明硝酸盐污染的机制及其主要控制因素；（3）使用确定性-蒙特卡洛综合评估方法评估硝酸盐对人类健康的危害，并提出减少地下水硝酸盐污染的建议。研究结果可以为类似灌溉区域预防和控制硝酸盐污染及降低健康风险提供基于证据的框架。

研究区域

研究区域

泾惠渠灌溉区（东经108°34′34′′-109°21′35′′，北纬34°25′20′′-34°41′40′′）面积为1180平方公里，位于关中平原中部（Dang等人，2024；Ren等人，2021）。从地貌上看，该灌溉区北部为黄土高原，水文上与三条主要河流相连：泾河（西边界）、渭河（南边界）和四川河（东边界），清水河从西北流向东南（图

水文地球化学特征及形成原因

泾惠渠灌溉区的地下水总体呈弱碱性，pH值介于7.69至8.62之间，平均值为8.17（表3）。碱性条件主要集中于研究区的中部和北部[图2(a)]。总溶解固体（TDS）含量范围为631至3920毫克/升，平均值为2007毫克/升。与III类水质标准（1000毫克/升）相比，该地区的大部分地下水超过了这一阈值[图2(b)]，表明硝酸盐污染严重

结论

泾惠渠灌溉区地下水的严重盐碱化反映了蒸发、浓缩和人为输入的影响。地下水中的硝酸盐污染非常严重，平均浓度为121毫克/升，NO₃^-的超标率约为74%。粪便、污水和土壤氮素被确定为主要的污染源，这归因于该地区超过2260年的长期灌溉历史以及持续的粪便使用

作者贡献声明

张启英：撰写——初稿、可视化、验证、监督、资源管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据整理、概念构建。魏爱辉：软件支持。曹坤刚：调查工作。徐盼盼：撰写——审稿与编辑、调查、正式分析。钱慧：撰写——审稿与编辑

未引用的参考文献

Carrey等人，2021；Gao等人，2022；Hou等人，2021；泾惠渠灌溉区编年史编写组，1991；Wang等人，2024；Wu等人，2021；Xu等人，2021。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42302292、42572319）和西安科技大学优秀青年计划（编号：2024YQ3-06）的财政支持。本文的完成离不开所有作者的贡献，特此表示衷心的感谢。作者感谢Zang Yongqi、Wang Qiming、Wang Lingbo和Liu Yuan在野外样本采集方面的帮助。