地下水中有机物的降解是富砷含水层中关键生物地球化学过程的主要驱动力，在地下水砷的富集过程中起着重要作用。微生物介导下有机物降解导致的铁氧化物还原性溶解并释放出砷是地下水富砷的最主要机理。然而，引起地下水砷富集的这部分生物活性有机物的来源一直存在着争议。地下水中的有机物通常认为有两个来源：一是地质历史时期植物碎屑与沉积物的共沉积（沉积物来源），二是地表水、灌溉水等入渗补给带来的有机物（地表来源）。一般认为，地表水中有机物的活性高于地下水。然而最近的研究表明，在渗透性较低的地层中被封存的有机物具有显著的微生物活性。因此，这里面的关键科学问题是，如何界定高砷地下水系统中的活性有机物，并找到一种合适的手段来示踪活性有机物的来源。
针对上述问题，我校水资源与环境学院高志鹏副教授、郭华明教授与合作者在我国东北松嫩盆地选择典型研究区展开研究，综合运用地下水三端元混合模型、有机物三维荧光特征及FT-ICR MS有机物分子组成的研究手段，基于三端元混合模型探究了浅层和深层承压含水层高砷地下水中地表水入渗补给、污水渗漏及侧向径流补给的相对贡献，基于地下水DOM荧光特征量化了浅层和深层地下水DOM中陆源和微生物来源有机物占比，并基于FT-ICR MS有机物分子组成将地下水DOM的来源与有机物降解机制建立联系，最终将上述成果用于解释浅层和深层地下水中砷的富集。研究取得的创新性认识如下：
（1）从地下水水量来源的角度计算得到，浅层地下水中地表水入渗补给的贡献占比（0%–100%; 平均24%）高于深层地下水（0%–57%; 平均17%），浅层地下水中污水渗漏的贡献占比（平均22%）远高于深层地下水（平均3%）。与之相反，深层地下水中侧向径流补给的占比（41%–98%；平均80%）则高于浅层地下水（0%–95%；平均 54%）；
（2）基于DOM的荧光指数FI计算了地表水和地下水DOM中陆源有机物来源占比，发现浅层地下水DOM主要为陆源来源的有机物，而深层地下水DOM的来源主要为微生物来源的有机物；
（3）基于FT-ICR MS的有机物分子组成计算了DOM的降解程度指数I_deg，发现深层地下水DOM的I_deg较高。DOM的降解程度I_deg与FI值呈正比，与DOM中陆源有机物的占比呈反比，说明DOM的降解程度越高，其中微生物来源有机物的占比也越高。
（4）深层高砷地下水DOM的BDOC/DOC、BIX、生物活性有机物分子数均高于浅层高砷地下水，说明深层地下水DOM的活性高于浅层地下水，是深层地下水砷浓度高于浅层地下水砷浓度的原因之一。地下水砷浓度与I_deg呈正比，与DOM中陆源来源有机物占比呈反比，因而DOM的降解程度越高地下水As浓度越高。
图1 研究区及采样点位置图
图2 地表水、浅层和深层地下水中DOM的分子特征。不同（a）O/C和（b）H/C比DOM分子的峰值强度
图3 基于δ18O值和Cl-浓度构建的三端元混合模型，分别指示浅层和深层地下水中地表水入渗补给、污水渗漏及侧向径流补给的贡献占比
图4 地表水、浅层地下水（GW）和深层GW中的DOM降解程度指数（I_deg）与（a）DOC浓度、（b）小分子有机物的总强度、（c）活性有机物的分子数、（d）FI、（e）中分子与小分子有机物的强度比（Imid/Ilow）及（f）DBEwa之间的关系
图5 地表水、浅层地下水（GW）和深层GW中DOM分子的ESI质谱强度
图6 地下水DOM分子特征和地下水As浓度对浅层和深层地下水DOM降解机制的响应示意图
上述研究成果发表在国际地球物理学权威期刊《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》上：Gao, Z.P., Guo, H.M.*, Qiao, W., He, C., Shi, Q., Ke, T.T., Cao, Y.Y., 2023. Dissolved organic matter sources in high arsenic groundwater from a sand-gravel confined aquifer. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 128, e2022JG007178. [IF2021=4.43]
全文链接：https://doi.org/10.1029/2022JG007178
