地下水系统中天然有机质对原生铵氮迁移富集的影响机理

The high levels of ammonium in groundwater is a common but serious environmental conern all over the world. However, geogenic ammonium in groundwater has been relatively overlooked. Natural organic matter plays a critical role in mobilization of geogenic ammonium in groundwater, but for which the mechanism has been poorly understood. In response to this scientific problem, this study will select Jianghan Plain in middle reaches of Yangtze River as the typical area. The stable carbon isotope and organic matter molecular characteristics will be used as the main methods, coupled with hydrogeochemical survey in the field and indoor simulating experiments. Based on those, this study aims to analyze the spatial distribution of stable carbon isotope and organic matter composition in groundwater-sediment systems, characterize the co-evolution of carbon isotope, organic matter composition and ammonium in groundwater, and reveal the mobilization mechanism of geogenic ammonium in groundwater under the influence of natural organic matter degradation. The knowledge from this study can enrich the theory on genesis of geogenic ammonium in groundwater, and provide the scientific decision basis for groundwater utilization and groundwater quality preservation within the central Yangtze River Basin.

地下水铵氮污染是世界范围内一个普遍而严重的环境问题，但地下水中原生的铵氮却相对被忽视；天然有机质在地下水原生铵氮的迁移富集过程中发挥着关键作用，但对于其影响机制的认识却十分薄弱。针对这一科学问题，本研究以长江中游江汉平原这一典型原生铵氮异常区为对象，以稳定碳同位素和有机质分子组成为主要研究方法，综合运用野外水文地球化学调查、室内静动态模拟实验等手段，分析地下水-沉积物系统中稳定碳同位素和有机质组成特征，详细刻画地下水中碳同位素-有机质组成-铵氮的协同演化规律，深入揭示有机质降解对原生铵氮迁移富集的控制机理。本研究成果可丰富地下水中原生铵氮的成因机制理论，同时为长江中游平原区的地下水开发利用与水质保护提供科学决策依据。

围绕地下水中原生铵氮的富集机理这一科学问题，以天然有机质的控制为主要视角，以长江中游江汉-洞庭平原与珠江三角洲平原为主要研究区，以稳定碳同位素和有机质分子组成为主要研究方法，揭示地下水系统天然有机质降解对原生铵氮迁移富集的控制机理。研究发现，在长江中游平原区，NH4-N与δ13C-DIC有着较好的正相关性，部分δ13C-DIC值显示达到了产甲烷成因CO2的上限，表明强烈的有机物降解促使高含量的铵氮释放到地下水中，直至产甲烷的阶段。铵氮与陆源类腐殖质具有较为密切的联系，表明高铵地下水可能与地下水系统中的陆源类腐殖质组分有关。高铵地下水大多数CHON化合物为木质素和聚烃类化合物，这也是腐殖质的主要组分。高铵地下水具有较高的NOSC、DBE和AI值，表明有机质具有更高的生物利用度，更多的双键、环和芳香结构。高铵地下水含有更多的具有较高NOSC值的木质素类组分，表明NOSC值对地下水系统中有机质的生物利用度有较大的影响，更大的、能量更丰富的有机化合物被优先利用，促使铵氮不断地被释放。在珠江三角洲平原区，13C-DIC、13C-DOC、15N- NH4+值指示了地下水铵氮来源于埋藏天然有机氮的矿化，并达到了产甲烷阶段。高铵地下水具有较高比例的含氮化合物以及CHO化合物。高铵地下水中高度不饱和的低氧化合物所占比例最高，其次是脂类化合物。铵的富集主要与高度不饱和的低氧化合物有关，其次是脂类化合物、高度不饱和的高氧化合物、多酚类化合物。在这些化合物中，含氮化合物占主导，CHO-1N化合物最多，其次是CHO-2N化合物，CHO-3N化合物最少。在C1组分到C3组分的内部转化过程中，可能存在CHO-3N化合物到CHO-2N、CHO-1N、CHO化合物的降解过程。在此过程中，铵逐渐富集，这是由于脱氨作用会将含多个氮原子的有机化合物转化为含较少氮原子的有机化合物。有机质的降解过程为自生源有机质逐渐降解为C1组分、C2组分、C3组分，化合物类型变化为从饱和化合物到脂类化合物，再到高度不饱和低氧化合物，铵氮在此过程中逐渐富集和保留。