熊本大学研究生院尖端科学研究部的细野高启教授、日本综合地球环境学研究所（简称，地球研）、北里大学、琉球大学、美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校等组成的研究团队，以冲绳县宫古群岛多良间岛的淡水透镜体（岛屿地下形成的透镜状淡水层）为模型区域，对全岛展开调查，成功估算了流域内的脱氮率（反硝化反应率）。研究人员通过观测井等实地测量证实，脱氮区域广泛分布于淡水透镜体底部及其周边发育形成的咸淡水交界面。结合水量平衡与氮收支核算结果可知，约三分之一的氮污染物被去除。该成果有望为地下水管理和沿岸生态系统保护提供科学依据。相关研究成果已发表在期刊《Water Research》的3月12日刊上。
图1 多良间岛陆地至海洋的水流与氮收支概念图（供图：熊本大学）
氮污染会引发地下水污染和水体富营养化，已成为全球性课题。在自然界中，依靠含水层等处的微生物作用将硝态氮转化为无害氮气的自然净化作用（脱氮），在一定程度上抑制了氮从陆地向海域的流出。
另一方面，对这类自然净化作用开展定量评估一直存在难度。此类评估需要掌握地下脱氮区域的三维空间分布，并结合流域内氮负荷信息开展综合分析。
为此，研究团队将目光聚焦于被公认易发生脱氮的咸淡水交界面所环绕的淡水透镜体。淡水透镜体是在含海水含水层上部，因密度差而呈透镜状漂浮的淡水区域，常见于加勒比海和太平洋等的岛屿，是当地重要的水资源。
多良间岛是日本淡水透镜体研究的重要基地，拥有全球罕见的密集观测孔网络，同时可获取源于活跃农畜产业的氮负荷数据。该岛东西长约6公里、南北约4公里、面积19.75平方公里，整体为近乎圆形的平坦岛屿。地质由珊瑚礁成因的第四纪石灰岩构成，地下形成了厚度达数米的雨水渗透而成的典型淡水透镜体。
该岛土地利用以甘蔗田和牧场为主，岛民饮用水依赖淡水透镜体的地下水，因此一直担心农业活动对地下水硝态氮浓度产生影响。近年来，已有报告指出，沿岸海域营养盐浓度上升、珊瑚覆盖率有所下降。
研究团队在2018年11月25～29日、2021年7月12～14日、2022年4月27～30日共进行了三次实地调查，对分布于全岛的观测井、挖掘井、天然涌泉、表层土壤及不同深度的海底地下水进行了水位测量和水样采集的调查。研究人员采用多种同位素示踪技术，来推测脱氮区域的三维空间分布。
通过结合区域水量平衡与氮负荷统计数据、地下水中氮浓度测定结果进行简易的氮收支计算，估算了脱氮率。结果显示，淡水透镜体内外的大部分地下水并未受到显著的脱氮影响。
另一方面，部分区域随着深度增加，脱氮作用变得显著，在微咸水区和海水区最为突出。研究表明，渗入淡水区域的硝酸在向淡水透镜体底部及周缘的咸淡水界面输送的过程中被还原，转化为氮气。另外，经推算可知，渗入地下的氮气中约三分之一，会在淡水透镜体底部与边缘的咸淡水交界面通过脱氮作用被去除。
将该测算结果换算为年度总量后可得出：每年渗入地下水的103.7吨氮气中，有34.6吨在地下经脱氮去除，剩余69.1吨将通过地下水径流流入沿岸海域。
细野教授表示：“本研究首次定量阐明了地表负荷的氮气成分在地下的自然净化功能，这是兼具学术价值与社会价值的研究成果。期待本研究成果能为地区的环境保护和合理的资源管理发挥作用。目前，我们正将研究区域从多良间岛扩展至整个石西礁湖，且还在推进沿岸海域富营养化实态与珊瑚覆盖率关联性的调查。今后我们也计划进一步深化相关研究，并广泛对外传播研究成果。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Water Research
论文：Quantitative assessment of denitrification rates at the freshwater-saltwater interface of a limestone island based on isotopic tracers and mass balance calculation
DOI：doi.org/10.1016/j.watres.2026.125742
