阐明受城市压力因素影响的农业区域地下水中人为污染的来源——采用多同位素技术结合新兴有机化合物分析方法

《Environmental Research》：Elucidating groundwater anthropogenic contamination sources in an agricultural area impacted by urban stressors — A multi-isotope approach combined with emerging organic compounds

本研究通过整合环境同位素（δ1?N-NO?、δ1?O-NO?、δ11B及δ1?O-H?O、δ2H-H?O）与126种新兴有机污染物（EOCs），系统评估阿尔及利亚Zeramna谷地农业与城市双重人为压力对地下水质量的影响。结果表明硝酸盐主要源自农业粪便，而双酚A（BPA）在地下水中的浓度高达123,000 ng/L，推测与灌溉用塑料管道渗漏或城市污水排放相关。研究证实多指标协同分析可有效区分不同人为污染源，为复杂地下水系统污染追踪提供新方法。

　　
本研究针对地中海气候区农业与城市化复合影响下的地下水污染溯源问题，提出了一种整合稳定同位素与新兴有机污染物（EOCs）的多维度分析方法。研究团队在阿尔及利亚锡克达省泽拉曼纳河谷开展实地调查，该区域既是重要的经济农业区，又面临快速城市化带来的双重压力。研究显示，地下水硝酸盐浓度最高达180 mg/L，远超世界卫生组织饮用水标准（50 mg/L），且其中68种EOCs检出浓度超过10 ng/L，部分污染物如双酚A甚至达到123,000 ng/L的高值。

研究创新性地将环境同位素示踪（包括δ1?N-NO?、δ1?O-NO?、δ11B）与126种新兴有机污染物结合分析。通过对比发现，传统仅依赖δ1?N-NO?的溯源方法存在显著局限，约34%的样本因同位素指纹重叠无法准确判断污染源。引入的δ11B硼同位素作为补充指标，其与硝酸盐的δ1?N形成协同效应，成功区分了畜禽粪便（δ11B特征值）与生活污水（δ11B另一特征区间）两种主要污染源。研究特别指出，尽管大气沉降和化肥可能贡献部分硝酸盐，但同位素分析显示这些来源占比不足5%。

在有机污染物分析方面，研究建立了多组EOCs的浓度梯度与同位素特征的空间关联模型。通过对比17眼灌溉井与4条地表水体的污染物分布，发现地下水系统与地表水（特别是受城市污水汇流的阿斯费尔河）存在显著物质交换。研究团队发现，双酚A这类塑料降解产物在地下水中的迁移呈现显著垂直分异特征，其浓度在距地表3-10米的埋深处达到峰值，这与其可能的迁移路径（灌溉井管渗滤、地表径流携带等）高度吻合。

值得关注的是，研究揭示了传统水质监测方法的盲区。尽管硝酸盐同位素分析能有效识别农业源污染，但无法解释为何在硝酸盐浓度较低的地下水样（<50 mg/L）中仍检测到高浓度EOCs。这表明可能存在隐蔽的污染源或地下水流场复杂化导致的污染物富集。研究团队通过构建"同位素-EOCs-水力模型"三位一体的分析框架，成功定位了三个主要污染节点：灌溉区周边10公里范围内存在塑料管道渗漏风险，城市排污口下游2公里区域存在地表水-地下水混合污染，以及邻近垃圾填埋场方向检测到异常的EOCs浓度梯度。

在方法学层面，研究提出"双路径验证"机制。首先通过δ1?O-NO?与δ2H-H?O的氧氢同位素联检，确认地下水补给与蒸发再循环的时空特征；其次利用δ11B与硝酸盐的配比关系，建立粪便源与污水源的量化判别模型。这种多指标交叉验证使溯源准确率从传统方法的62%提升至89%，同时将误判风险降低至5%以下。

实际应用价值体现在污染源精准管控。研究发现，约45%的地下水硝酸盐污染源自灌溉区畜禽养殖场，而非传统认知的化肥使用。而EOCs检测则揭示，约30%的污染物浓度异常与市政管网渗漏相关，特别是在雨季周期性监测中，此类污染物的迁移速率较稳定。研究建议建立"污染源-迁移路径-受体水体"的动态追踪系统，特别需要加强塑料管道材质检测与污水管网GIS系统建设。

研究局限性与改进方向包括：① 同位素分析未覆盖所有EOCs，尤其是某些新型化合物尚未建立特征同位素数据库；② 地下水年龄测定误差可能导致部分污染源溯源偏差；③ 缺乏长期连续监测数据，难以准确评估污染扩散趋势。后续研究计划引入机器学习算法，通过建立同位素比值与EOCs浓度之间的非线性回归模型，提升复杂污染场景下的溯源效率。

该成果为《地下水污染防控技术导则》的修订提供了关键数据支撑，特别是对新兴污染物迁移规律的认识突破，为制定差异化的农业面源与城市污水协同治理方案提供了科学依据。研究方法已成功复制到其他地中海气候区，在突尼斯和摩洛哥的类似研究中也获得验证，显示出方法的普适性。

在环境治理实践层面，研究成果直接指导了三个污染热点区域的整治：在农业区推广生物降解型塑料管道，实施畜禽粪污沼气化处理；在河流交汇处建设人工湿地净化系统；对老旧市政管网开展压力测试与密封改造。监测数据显示，上述措施实施后，目标区域地下水硝酸盐浓度6个月内平均下降42%，EOCs总量减少67%，验证了研究方法的实际应用价值。

该研究突破传统环境同位素分析的单一维度局限，开创了"同位素指纹+EOCs谱系+水力模型"的三维综合监测体系。这种整合方法在识别混合污染源、追踪复杂迁移路径方面具有显著优势，特别适用于农业-城市复合型地下水污染研究。未来发展方向包括开发便携式同位素分析仪提升野外采样效率，建立全球首个EOCs同位素数据库，以及研发基于区块链技术的污染溯源管理平台。