《Groundwater for Sustainable Development》：Biogeochemical Controls on Groundwater Nitrate in the Overexploited Shijiazhuang Plain (North China): Insights from Integrated Hydrochemical and Microbial Analyses
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本研究以地下水超采恢復的石家莊平原為對象，通過整合水文化學與微生物組學分析，揭示硝酸鹽在地下水和土壤中的來源及生物地球化學過程，發現地下水硝酸鹽主要源于工業廢水、市政污水和農業投入品，土壤則受有機質輸入和施肥影響，并建立概念模型為水質管理提供理論支持。
邢秋霞|周亞紅|劉陽|季佳云|王丹|王斌
河北地質大學城市地質與工程學院，中國河北省石家莊市河北大道601號，052161
摘要
石家莊平原是華北平原上地下水過度開采的典型區域。自從實施了綜合管理措施以來，該地區的地下水位顯著回升。硝酸鹽濃度隨著地下水位的變化而變化。然而，在這些動態水文條件下，硝酸鹽的生物地球化學行為仍不甚明了。因此，在石家莊平原地下水恢復的背景下，本研究探討了地下水和土壤中的硝酸鹽，旨在闡明其背后的生物地球化學過程。研究結果表明，地下水中的硝酸鹽主要來源于工業廢水、市政污水以及農業肥料和農藥的使用，而土壤中的硝酸鹽主要受有機物輸入和施肥方式的共同影響。在土壤和地下水樣本中普遍存在的氮循環微生物強調了它們在氮轉化中的關鍵作用。在地下水中，Vogesella、Bacillus、Rheinheimera、Flavobacterium 和 Candidatus_Nitrotoga 與 NO3- 含量相關。在土壤中，PLTA13、NB1-j、Subgroup 17、GAL15 和 MB-A2-108 也與 NO3? 含量相關。地下水中主要的微生物類群主要受溫度（T）、溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）和總有機碳（TOC）的影響。在土壤中，主要的微生物群落主要受 TOC 和碳氮比（C/N）的調控。基于功能預測，與 DNRA 途徑相關的功能基因顯示出相對較高的預測豐度，表明這些環境中 DNRA 過程具有很強的潛力。在地下水中，這種潛力在硝酸鹽濃度較高時更為明顯；而在土壤中，楊樹林具有最高的 DNRA 潛力。基于這些發現，我們構建了一個概念模型。通過整合水化學和微生物學方法，本研究加深了對硝酸鹽生物地球化學過程的理解，并為地下水質量管理和可持續地下水開發提供了理論支持。
引言
隨著工業和農業經濟的快速發展，地下水污染已成為一個日益嚴重且受到公眾高度關注的問題。在各種污染物中，硝酸鹽污染對含水層系統構成了嚴重威脅（Zhang 等，2025）。由于其在高地下環境中的高移動性和化學穩定性，硝酸鹽已成為當代含水層中的主要污染物（Ding 等，2024）。全球范圍內，農業活動和城市化導致的過量氮輸入擾亂了自然氮循環，導致地下水中硝酸鹽普遍富集，水質長期惡化（Mateo-Sagasta 等，2018）。在胡坨河流域的沖積扇進行的監測顯示，2022-2023 年期間淺層非承壓含水層中的硝酸鹽濃度范圍為 20.71 至 505.31 mg/L。北部地區的平均硝酸鹽濃度達到 179.42 mg/L，超標率為 76%；而南部地區的平均濃度為 6.23 mg/L，60% 的樣本超過了監管閾值（Sun 等，2023）。大量研究表明，過量接觸硝酸鹽與甲狀腺疾病、胃癌、食管癌、結直腸癌和高鐵血紅蛋白血癥的風險增加有關，從而對人類健康構成嚴重威脅（Liang 等，2025；Martínez 等，2017）。此外，硝酸鹽濃度升高還會破壞水生生態系統，對生物多樣性產生不利影響（Wear 和 Thurber，2015）。因此，研究控制硝酸鹽行為的生物地球化學機制對于有效的地下水質量管理和長期環境可持續性至關重要。
硝化作用、反硝化作用以及硝酸鹽還原為銨（DNRA）是控制硝酸鹽命運的主要生化過程（Wang 等，2024）。在有氧條件下，氨被氧化為亞硝酸鹽，由于其不穩定性，亞硝酸鹽迅速轉化為硝酸鹽。在還原條件下，這一過程則相反。氧化還原條件是氮物種轉化的關鍵限制因素。諸如鐵和錳等氧化還原敏感元素、氧化還原電位（Eh）和溶解氧（DO）等因素在此過程中起著重要作用。此外，溫度（T）、pH 值、總氮（TN）和抑制物質濃度等環境指標也會影響硝化菌和反硝化菌的生存條件，從而影響氮的生物地球化學過程。
微生物是氮循環的主要驅動者，介導著同化、氨化、硝化、反硝化、厭氧銨氧化和固氮等各種轉化過程（Kuypers 等，2018；Zhang 和 Lv，2021）。因此，研究微生物群落是揭示氮循環過程的關鍵。分子生物學技術，特別是 16S rRNA 基因測序結合宏基因組分析，是表征土壤和地下水中微生物群落的高頻方法。16S rRNA 測序提供了關于群落結構的信息，有助于評估微生物多樣性和豐度（Wang 等，2017b）。Zhang 等人使用 16S rRNA 測序研究了郊區地區微生物類群和氮相關功能對硝酸鹽濃度升高的響應（Zhang 等，2023）。結果表明，硝酸鹽濃度升高會減少微生物群落的豐度，表明高硝酸鹽水平具有抑制作用。宏基因組測序能夠對整個微生物群的 DNA 進行高通量分析，從而比基于 16S rRNA 的分析更全面地探索基因內容和功能潛力（Xiu 等，2022）。Maruyama 等人對三個地點的地下水微生物群落進行了宏基因組分析，鑒定出參與氮代謝的功能基因，表明環境因素影響氮代謝——這一發現為該研究提供了關于氮轉化過程的見解（Maruyama 等，2024）。
華北平原擁有世界上最大的地下水沉降錐，石家莊地區是該區域內地下水過度開采的典型區域。2015 年，石家莊被省政府指定為地下水過度開采綜合管理的試點城市。2015 至 2022 年間，該地區的地下水位平均回升了 9.99 米（Yang 等，2022）。在水位回升期間，較高的地下水位縮短了硝酸鹽從表層土壤向含水層的遷移路徑，從而增強了硝酸鹽從非飽和帶滲入含水層的過程（Basu 等，2022）。這種水文回升使硝酸鹽從非飽和帶-含水層系統的通量增加了 44.4%（Zang 等，2022）。水位波動改變了生物地球化學環境和氮轉化過程（Zuo 等，2023）。在石家莊平原水位上升的背景下，一個關鍵問題是：這些生物地球化學過程背后的轉化機制是什么？近年來，關于石家莊地下水和土壤中硝酸鹽污染的研究很多，主要集中在其來源、命運、影響因素、空間分布、水化學特征、富集模式、健康風險評估、土地利用影響、對地下水的影響以及地下水儲量與硝酸鹽水平之間的關系（Gan 等，2022；Liu 等，2024；Min 等，2021；Shen 等，2021；Wang 等，2017a；Xiao 等，2022；Zhang 等，2015）。然而，專門研究硝酸鹽生物地球化學機制的研究仍然有限。為此，本研究聚焦于石家莊平原，以闡明硝酸鹽的生物地球化學機制。為了填補這一研究空白，我們提出了一種綜合的水化學-微生物分析框架——一種用于過度開采地區研究的新方法論，旨在探討地下水恢復背景下的硝酸鹽生物地球化學機制。我們假設，在石家莊平原地下水恢復的背景下，硝酸鹽濃度梯度是微生物群落分布的關鍵驅動因素。研究目標如下：（1）確定土壤和地下水中硝酸鹽的來源；（2）研究微生物群落及其與環境因素的關系；（3）闡明石家莊平原地下水和土壤中硝酸鹽的生物地球化學過程。
研究區域
研究區域
石家莊是河北省的行政中心，位于中國北部，面積達 14,530 平方公里。它東臨渤海，西靠太行山脈，北接北京和天津，南鄰太原。研究區域包括石家莊市區以及高城區、欒城區、趙縣、晉州市、武吉縣、深澤市、新濟市和新樂市
樣品采集與處理
2024 年共采集了 47 個環境樣品，包括 16 個來自鉆孔的地下水樣品和 31 個來自非飽和帶的土壤樣品。現場測試了溫度（T）、電導率（EC）、pH 值、氧化還原電位（Eh）和溶解氧（DO）等參數。在實驗室中，分析了總氮（TN）、NO3?、總錳（Mn）和總鐵（Fe）的濃度。離子色譜法用于測量 NO3?，方法檢測限為 0.016 mg/L，定量限為 0.064 mg/L。
地下水和土壤中硝酸鹽的來源
構建了 SO42-/Na+-NO3-/Na+ 和 NO3-/Na+-Cl-/Na+ 的離子比率圖，以確定硝酸鹽的來源（圖 2）。如圖 2a 所示，大多數樣品集中在工業活動區域，少數樣品分布在農業活動區域。圖 2b 顯示，更多樣品位于農業活動區附近，也有部分樣品位于市政污水區。圖 2a 和 2b 表明，地下水中的硝酸鹽污染受
局限性與展望
氮和氧同位素是識別硝酸鹽來源和闡明生物地球化學過程的關鍵指標。然而，本研究未包含同位素分析，這限制了對硝酸鹽來源的精確識別及其生物地球化學轉化的詳細評估。此外，硝酸鹽的生物地球化學轉化受到多種因素的影響，包括降水量、地下水流速、水力梯度和顆粒大小等
結論
本研究整合了環境因素和微生物數據，闡明了石家莊平原地下水中硝酸鹽的生物地球化學機制——華北平原典型的過度開采區域。研究表明，地下水中的硝酸鹽主要來源于工業廢水、市政污水以及農業肥料和農藥的使用，而土壤中的硝酸鹽主要來源于有機物輸入及其綜合效應
CRediT 作者貢獻聲明
周亞紅：撰寫——審稿與編輯，撰寫——初稿，方法論，調查，資金獲取，正式分析，概念化。劉陽：撰寫——初稿，驗證，方法論，數據管理，概念化。季佳云：撰寫——初稿，可視化，驗證，軟件使用，數據管理。邢秋霞：撰寫——初稿，可視化，項目管理，方法論，調查，正式分析，數據管理，概念化。王丹：未引用的參考文獻
Quoie Jr 等，2024；van Grinsven 等，2022；Zhang 等，2025。利益沖突聲明
? 作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的財務利益或個人關系。
致謝
本工作得到了河北省自然科學基金（D2022403016）、河北省自然科學基金（D2025403076）、河北省教育廳研究生創新能力培訓項目（CXZZSS2025103）、河北地質大學學生研究項目（KAG202504）以及河北省水資源可持續利用與產業結構優化協同創新中心（XTZX01）的支持。作者感謝匿名審稿人的幫助
