山东半岛地下水源地硝酸盐富集的关键地球化学过程

Study on nitrate contamination of regional groundwater is a serious challenge in the research field of environmental geosciences and deserves worldwide attention. Nowadays, many countries and regions suffer from severe nitrate contamination in groundwater, among which Shandong Peninsula is a typical nitrate contamination area in China. Given that, it is high time to systematically explore the nitrate sources, transport, leaching and accumulation mechanisms and control strategies in groundwater source field. In this study, with vegetable-bases and groundwater resource fields as target areas, the major sources and their contributions for nitrate contamination in groundwater will be quantitatively investigated with MixSIR modeling and Bayesian statistical analysis. Through a combination of various experiments, in-situ monitoring, numerical modeling and theoretical analysis, a deep insight will be addressed into the nitrogen (especially DON) transport-transformation mechanisms in unsaturatedand saturated zone and nitrate accumulation mechanisms in coastal groundwater source field. In addition, more efforts will be made to develop unsaturated-saturated groundwater-nitrogen transport and transformation models, to evaluate the feasibility of nitrate contamination remediation in groundwater source area, and to propose feasible and efficient technologies for nitrate groundwater contamination prevention and control. For one thing, our study will supply scientific support for the sustainable development of coastal economy and society in our country; for another, this study will improve our understanding of nitrate transformation, contamination and mechanisms under the impact of human activities and underground seepage prevention projects, and further enrich the groundwater contamination prevention and control theories.

区域地下水硝酸盐污染研究是国际环境地学领域亟待解决重大前沿性课题，也是全世界面临的严重挑战，山东半岛是我国地下水硝酸盐污染最严重的地区，系统研究人类活动胁迫下地下水源地氮素来源、转化、淋失、富集机理及防控对策，具有重大的科学意义和实际应用价值。本项目以山东半岛典型的蔬菜基地和地下水源地为依托，借助MixSIR模型和Bayesian 统计定量解析地下水硝酸盐的污染来源及其贡献；通过系列室内外试验、原位立体监测、精细的数值模拟、深入的理论分析，揭示非饱和和饱和带氮素（特别是DON）迁移-转化机理和富集机制，开发非饱和饱和地下水-氮素迁移转化模型，评价地下水源地硝酸盐修复的可行性，提出切实可行的地下水硝酸盐污染防控技术方案，为我国沿海经济和社会可持续发展提供科学依据。该研究成果揭示人类活动和地下截渗工程影响下地下水氮素的地球化学过程，可以丰富地下水污染及其防治的理论体系。

本项目系统研究了区域地下水硝酸盐污染来源、地下水系统氮素转化机理和淋失特征、滨海地下水源地硝酸盐富集机制和演化趋势、非饱和-饱和带氮素迁移-转化耦合模型以及对氮素淋溶的强化反应层阻控技术。获得的重要进展如下：.（1）首次系统测定了氨化、硝化、反硝化过程中氮同位素的富集系数，并耦合到同位素源解析模型（SIAR），识别出同位素样品的不确定性，定量解析典型地下水源地硝酸盐的来源及其贡献。.（2）研究施肥（化肥和有机肥）条件下土壤、下包气带和含水层中氮素（特别是溶解性有机氮）矿化、硝化和反硝化的动力学特征，测定相应的矿化、硝化和反硝化速率常数，阐明了地下水系统氮素矿化、硝化和反硝化的微生物作用机理。.（3）定量刻画了非饱和-饱和带不同形态氮素的分布特征，探讨了不同施肥条件下非饱和带中氮素的迁移行为，量化了溶解性有机氮的淋失比重，从分子生物学角度阐明了氮素淋失过程的微生物作用机制。.（4）定量评价了海洋边界和截渗墙影响下地下水硝酸盐富集规律和变化趋势，优化了截渗墙的工程结构和布局，揭示了滨海地下水源地氮素富集的机制，预测了滨海地下水源地硝酸盐的演化趋势。.（5）基于COMSOL软件，用对流弥散方程表达非饱和-饱和带溶解性有机氮、铵态氮和硝态氮的迁移，用DAISY模块刻画多种氮素之间的矿化、硝化及反硝化等链式反应过程，开发了区域非饱和-饱和带氮素运移耦合模型。.本项目执行过程中，在国内外学术期刊上发表论文44篇（其中中科院一区15篇，二区8篇，其他21篇；第一标注37篇，第二标注7篇）；出版专著1部，申请授权国家发明专利2项，取得软件著作权1项；培养研究生23名（其中博士生9名，硕士生14名），参加国际和国内学术会议25人次。培养青年骨干教师3人，辛佳入选“泰山学者青年专家计划”，郑天元入选“中国海洋大学英才计划”，辛佳、郑天元、刘乐成分别获得国家自然科学基金面上、青年项目资助。