中国农业大学丨土地学院胡克林教授团队在气候变化驱动地下水硝酸盐污染方面取得重要进展

近日，环境科学与工程领域国际顶级期刊《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）在线发表中国农业大学土地科学与技术学院胡克林教授课题组的研究论文《气候变化加速了硝酸盐进入地下水的进程》（Climate Change Accelerates Nitrate Delivery to Groundwater）。该研究揭示了气候变化通过改变地下水补给与水位，显著加速了历史遗留硝酸盐向地下水的迁移，为全球地下水污染防控提供了新的科学依据与预警方向。

农业氮肥施用是地下水中硝酸盐的主要来源。尽管包气带通过减缓运移速度为含水层提供了缓冲，但其自身储存的硝酸盐总量可能比全球年氮肥施用量高出一个数量级以上，对地下水污染构成了潜在威胁，被称为“硝酸盐定时炸弹”（Nitrate Time Bomb，NTB）。目前缺乏一个能够定量评估全球硝酸盐迁移速率和硝酸盐累积量耦合作用下地下水硝酸盐污染风险的框架。

针对上述科学问题，研究团队通过将机器学习代理模型与全球水文模型（PCR-GLOBWB）及“硝酸盐定时炸弹”框架相耦合，在1958至2100年时间尺度上，对五种全球气候模式（GCMs）下的两种共享社会经济路径（SSP2-4.5和SSP5-8.5）进行了模拟分析。发现气候变化驱动的降水增加和地下水补给增强，加速了包气带中遗留硝酸盐的向下迁移。除热带地区外，全球各气候带的硝酸盐迁移速率均呈加速趋势，其中寒带和温带地区的增幅最为显著，在SSP2-4.5和SSP5-8.5气候情景下，寒带迁移速率分别增加了0.20和0.25米/年，温带增加了0.17和0.15米/年。同时，气候变暖导致的地下水位变浅进一步缩短了硝酸盐到达地下含水层的距离。在干旱地区，气候变化可使硝酸盐峰值到达地下含水层的时间提前约6至8年，局部地区甚至提前了20多年。

遗留硝酸盐峰值时间、幅度和深度剖面

进一步研究发现，在硝酸盐峰值于2100年前到达地下水的网格单元中，超过60%的单元在两种气候情景下均呈现加速趋势。值得注意的是，在经历全球首个硝酸盐累积峰值后，包气带淋溶剖面的硝酸盐累积量正呈现二次上升的趋势，表明包气带正进入新一轮硝酸盐加载阶段。综合遗留硝酸盐累积量与气候变化调整后的迁移速率，本研究精准识别出我国华北平原、南亚和西欧为全球NTB风险热点区域。这些地区或因历史氮肥投入巨大，或因水文条件加速了硝酸盐向地下水输送，面临较高的地下水硝酸盐污染风险。

该研究首次从全球尺度系统量化了气候变化对包气带硝酸盐迁移全过程的加速效应，揭示了一个令人警醒的事实——即便当下立即停止氮肥施用，已被埋藏在土壤深层的遗留硝酸盐等污染物仍可能在气候变化助推下提前“引爆”，对地下水水质构成持续威胁。这一发现强调了在气候变化背景下前瞻性实施地下水保护策略的紧迫性。

气候变化对硝酸盐累积峰值到达时间的影响

中国农业大学土地科学与技术学院博士研究生陈少卿为论文第一作者，胡克林教授为通讯作者。合作者包括浙江大学谷保静教授、中国农业大学李保国教授、陈永教授和冯璞玉副教授、河海大学梁浩教授、农业农村部环境保护科研监测所张贵龙研究员、奥本大学William D Batchelor教授等国内外学者。该研究得到了国家重点研发计划项目（2023YFD1701804和2021YFD1700904）、农业水资源高效利用全国重点实验室及中国农业大学2115人才培育发展支持计划（00109011）的资助。