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无机氮组分是当前地下水中最常见的污染物之一,长期饮用氮含量超标的地下水会危害人体健康,而且,含有高浓度氮的地下水向地表水排泄还会导致流域内河流湖泊的富营养化。因此,查明地下水中氮的来源、反应迁移过程和最终归宿对于地表水和地下水水质管理意义重大。而水动力条件变化不仅会改变地下水中氮组分的物理迁移路径,还会影响相关地球化学/生物地球化学过程,最终改变地下水中氮的浓度分布。目前,水动力过程和地球化学/生物地球化学反应耦合作用下地下水中氮的反应迁移机制是当前研究的重点。作为我国重要的粮食产区和农产品生产基地,强烈的农业活动导致江汉平原浅层地下水中广泛分布有高浓度的铵氮和硝态氮,然而,其来源和迁移富集机制还存在争议。基于上述背景,结合学科前沿和实际需要,本研究围绕“江汉平原水动力驱动下地下水中氮的反应迁移与归趋”这一关键科学问题,选取江汉平原为研究区,通过收集地质、水文地质背景资料,综合分析水化学和稳定同位素数据,联合溶解性有机质特征和机器学习的方法,初步判断研究区多级含水层系统中氮的来源和主控过程;采用高分辨质谱技术分析沉积物中溶解性有机质的分子组成,结合沉积物对铵的吸附特征,查明含水介质中氮的主要赋存形式;通过开展室内土柱实验,识别不同地表水-地下水作用模式下控制地下水中铵氮（NH4-N）和硝态氮（NO3-N）浓度分布的主要过程;根据场地多年水位与水化学动态监测数据,识别水动力条件对地下水中氮的反应迁移过程的控制作用;随后构建地下水中氮的反应迁移模型,验证地表水-地下水相互作用下氮的反应迁移机制;最后,将实验室和场地尺度获得的氮的反应迁移机理应用于区域尺度,揭示大型河流盆地水动力过程和地球化学过程控制下地下水中氮的储存释放机制。通过本研究主要得出以下几点认识:1、江汉平原浅层和深层地下水中均分布有高浓度氮组分,浅层地下水中氮主要来自人类活动,深层地下水中氮则来自沉积物中含氮有机质的分解释放。含氮有机质和可交换态NH4-N是含水介质中氮的主要赋存形式。区内地表水和地下水中无机氮的主要赋存形式为NH4-N和NO3-N。垂向上,高浓度的NO3-N主要分布于较浅处（0～10m）,且随深度持续降低;NH4-N浓度峰值通常出现在地表以下20～30m处,随后随深度降低,进入深层承压含水层（深度＞100m）后,NH4-N浓度明显回升。浅层地下水中NO3-和NH4+稳定同位素组成分布于动物粪便、生活污水来源氮的δ15N特征值区间,且高浓度NH4-N与K+和Cl-的浓度具有较强相关性,指示了农业活动输入氮的过程。浅层与深层含水层之间的水力联系较弱限制了地表来源的氮向深层含水层迁移,深层地下水中高浓度的NH4-N主要来自沉积物中溶解态含氮有机质（DON）的分解释放。浅层沉积物中氮的赋存形式包括有机氮和可交换态NH4-N。虽然浅层沉积物中总有机碳（TOC）含量很高（～23930mg/kg）,但是可生物利用的溶解性有机碳（DOC）含量相对有限（～670mg/kg）,溶解性有机质（DOM）中含氮分子（CHON）占比也较低（～17%）。而沉积物中可交换态NH4-N的含量可达240mg/kg。溶解性含氮有机质和可交换态NH4-N均为靠近地表的粘土沉积物中含量最高。2、室内土柱实验表明,不同水化学组成会导致地下水中氮的反应迁移过程发生改变:地表水补给过程会促进硝化-反硝化作用,地下水排泄过程会增强沉积物对NH4+的吸附作用,地表水-地下水频繁交换会同时促进反硝化和吸附作用,从而使NH4-N在沉积物中富集。土柱实验中,分别通过改变DO浓度和改变水化学组成,查明地下水中氮的浓度主要受到硝化、反硝化和阳离子交换反应的控制。而且,不同地表水-地下水作用模式下,由于地下水的水化学组成改变,NH4-N和NO3-N浓度的地球化学/生物地球化学主控过程也随之改变。当含有较高浓度DO的地表水补给地下水时,会促进硝化作用和后续的反硝化作用,此时沉积物对NH4+的吸附作用最弱。当NH4-N浓度较高、溶解氧的（DO）浓度较低,同时Ca2+、Mg2+等阳离子浓度较高的地下水向地表排泄时,会抑制硝化-反硝化作用,此时沉积物对NH4+的吸附作用增强。当地表水和地下水频繁交换时,不仅反硝化反应增强,而且沉积物对NH4+的吸附作用达到最强。3、在浅层含水系统中,NH4-N和NO3-N浓度的时空变化主要受地表水与地下水的相互作用过程控制,地表水与地下水作用带内的水化学组分的动态改变,诱导了硝化-反硝化和NH4-N的吸附-解吸过程的转变。地表输入的NH4-N有一部分迅速被地表附近的粘土沉积物吸附。进入地下水中的NH4-N在有氧条件下被转化为NO3-N,导致较浅处NO3-N的富集。沿水流路径上DO会被不断消耗,进入厌氧环境后,生成的NO3-N可能会发生反硝化和硝酸盐异化还原为铵（DNRA）反应,由于DNRA反应速率较低,研究区主要的NO3-N还原机制为反硝化作用。深层地下水中高浓度的NH4-N与沉积物中DON的分解过程相关。研究区沙湖监测场季节性水位波动会导致地表水-地下水之间发生频繁交换。地表水补给地下水过程中会使地下水中DO浓度升高,促进硝化作用,使更多NH4-N被氧化为NO3-N,造成地下水中NH4-N浓度降低,而NO3-N明显富集,同时沉积物中吸附的NH4-N较少;随着DO被不断消耗,硝化作用逐渐减弱,反硝化作用增强,伴随着NH4-N逐渐累积与NO3-N的消耗;地下水向地表排泄过程中,高浓度的NH4+交换出沉积物表面吸附的Ca2+和Mg2+,使沉积物中NH4-N的吸附量升高。此外,研究区近十年来地下水水位显著下降,导致地表水的入渗强度增大,促进了沉积物中吸附的NH4+的解吸附,同时硝化作用增强,更多NH4-N转化为了NO3-N。4、在区域尺度,受到沿流动路径上的水动力和地球化学/生物地球化学耦合过程的控制,地下水中NO3-N浓度持续降低,同时NH4-N逐渐富集。大型河流盆地沿水流方向上地表水-地下水作用模式发生改变,补给区地表水持续补给地下水;排泄区地表水-地下水显示出季节性相互作用关系。由于地表水中NH4-N浓度往往较低,补给区地表水的入渗会促进沉积物中吸附的NH4+的解吸附。此外富含DO的地表水进入地下水中后,会促使NH4-N经硝化作用转化为NO3-N,导致地下水中NH4-N浓度降低,而NO3-N浓度则明显升高。沿水流方向上DO浓度降低,硝化作用逐渐减弱,反硝化作用增强,伴随着NH4-N逐渐累积与NO3-N的消耗,进入排泄区后,NH4-N浓度达到最高,同时NO3-N相对最低。排泄区频繁的地表水-地下水交换会加强沉积物对NH4-N的吸附作用,导致更多的NH4-N储存于靠近地表的粘土沉积物中。因此,排泄区沉积物中可交换态NH4-N的含量远高于补给区。