摘要
地下水是干旱区城市生活用水、农业灌溉以及维持生态环境平衡的重要水源，受人类工农业活动影响，大量活性氮输入地下水，导致地下水面临严峻的氮污染问题。由于含水层结构、地下水径流条件以及地下水氧化还原环境等在空间上存在差异，地下水流驱动下氮复杂的生物地球化学过程制约着地下水水体中氮污染的防控。本文以银川平原为研究区，选取贺兰山-阅海湖-黄河典型剖面，在厘清区域水文地质条件的基础上，以地下水流系统理论为指导，通过长期动态水位观测、环境同位素与水化学示踪方法、结合碳氮同位素以及分子生物技术，分析地下水文过程以及氮的迁移转化过程，旨在构建水文过程驱动下氮的生物地球化学转换模式。研究的主要成果如下： 1、基于地下水动态观测与同位素示踪相结合的方法，解析了流域地下水流的动力学过程。局部地下水流系统发育在山前洪积平原和河湖积平原，地下水年龄介于20~90年，更新速率约为3%。山前洪积平原局部地下水流系统发育深度大约100m，河湖积平原约为5~10m。中间地下水流系统最大发育深度约150m，以河湖积平原的地表水作为排泄点，地下水年龄介于200~10000年，更新速率约为0.1~0.3%。区域地下水流系统发育在中间地下水流系统以下，以黄河作为最终排泄点，是由不同历史时期的降水补给形成，地下水径流速度小于0.001m/d，更新速率约为0.03%，地下水年龄介于10000~20000年之间。 2、揭示了地下水文地球化学作用的演化机制。从山区经冲积平原到河湖积平原，地下水水中矿化度逐渐升高，水化学类型逐渐由HCO3-型水变为SO42-型水，最终在黄河漫滩变为Cl-Na型水。潜水除了受到蒸发浓缩作用外，还会受到地表水体较强的混合作用，以河湖积平原最为明显；承压水基本不受蒸发的影响，但随着地下水在流动过程中矿化度的增加，溶滤作用逐渐减弱，同时，脱硫酸、反硝化等还原作用影响了酸碱环境及碳氮硫等物质的转化。 3、分析了地下水中无机氮的空间演化特征。垂向上，高浓度NO3-分布在浅层（5~10m）地下水中，并且浓度随深度的增加逐渐降低；NH4+呈先增加后减少的趋势，在10m深度地下水中浓度达到最大值；NO2-呈先减少后增加的趋势，在30-150m深度地下水中浓度最低（lt;0.05mg/L）。沿地下水流动方向，NO3-和NH4+具有明显的分带：在山区及山前洪积平原地下水的补给区，地下水中无机氮以NO3-为主；在河湖积平原地下水的排泄区，地下水中无机氮以NH4+为主，并随着地下水流逐渐累积。 4、构建了地下水文过程驱动下氮的生物地球化学转换模式。自山区到河湖积平原，地下水与地表补排关系逐渐由地表水补给地下水转化为地下水补给地表水，地下水环境由氧化环境过渡为还原环境，水中微生物逐渐由硝化细菌过渡为反硝化细菌，氮的转化过程逐渐由硝化作用变为反硝化作用和硝酸盐异化还原（DNRA）作用。同时，在氧化还原环境的影响下，水中NO3-、Fe3+、SO42-先后参与反应，在30m深度反硝化作用进行完全，NO2-含量极少；在30~150m深度范围Fe3+、SO42-开始反应，生成的Fe2+和HS-抑制反硝化作用，使得NO2-含量增多。
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