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随着工业化、城市化、现代化的发展，工业和生活“三废”的大量排放导致土壤、地表水和地下水的污染日益加重。硝酸盐是地下水中最为普遍的污染组分之一，人们摄取过量硝酸盐容易引起高铁血红蛋白血症，还会引发食道癌、胃癌和肠癌等。地下水中硝酸盐的污染具有多源性、隐蔽性及难治理性。为了防治硝酸盐污染，判断硝酸盐的来源、确定硝化和反硝化的氮循环转化过程至关重要，只有确定了硝酸盐的来源及迁移转化规律，防治措施才能对症下药，取得事半功倍的效果。但由于自然界氮循环复杂的物理、化学和生物过程，使得传统水文地球化学方法难以识别硝酸盐的污染来源。
由于不同氮来源的硝酸盐δ15N值存在重合，使得用其结果判断存在多解性，因此仅利用氮同位素示踪硝酸盐的污染仍不能准确判定硝酸盐污染来源，尤其是对于有机氮化物硝化作用形成的NO3-更是如此。随着同位素测试技术的发展，利用NO3-中的15N和18O同位素来研究NO3-的来源、污染机理和氮循环过程在一定程度上弥补了仅利用δ15N值识别其来源的不足，但对于复杂的系统仍存在较大的局限性。因此，本研究依托导师周爱国教授国家自然科学基金项目“硝酸盐三氧同位素在线测试新技术及其在地下水污染研究中的应用”(NO.40972157)的资助，在典型的食管癌高发区—豫北平原，尝试应用多元素(N、O、Cl)同位素分析研究地下水的水质特征及其演化规律、地下水中硝酸盐的氮氧同位素、氯化物的氯同位素组成、分馏机理及其影响因素与分布特征及其迁移转化机理、识别地下水中硝酸盐的来源，为食管癌高发区地下水硝酸盐污染的防治和安全饮水提供科学依据。
研究区位于河南省北部，西部紧邻为太行山中低山及丘陵区，东部为山前和漳卫河—黄河冲积平原，地层出露较全。断裂构造以北北东向为主，含水岩组划分为岩溶裂隙含水岩组、基岩裂隙含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组和松散岩类孔隙含水岩组。地下水主要由大气降水、河流入渗、侧向径流、河渠灌溉同渗补给等，整体流向自西向东，排泄方式主要以侧向径流、蒸发和人工开采为主。
通过地面调查，在研究区由西向东沿着地下水流向，选择不同地貌、地层、岩性和水文地质单元采集地下水样品38组，所有样品都进行了pH值、温度、电导率、主要阴阳离子、水的氧、氘同位素(δ18OH2O、δ2H)、硝酸盐氮和氧同位素(δ15N、δ18O)及氯化物的氯同位素组成(δ37Cl)测定。通过对测试结果的综合对比分析，取得以下认识:
(1)豫北平原地下水水化学特征具有明显的规律性
西部山区水化学类型为HCO3—Ca·Mg型水，林州市北部受到了轻微污染;安阳市区西北部出现了大面积SO4·HCO3和SO4·Cl型水;安阳市区以东变为HCO3·SO4·Cl型水和Cl·HCO3型水。主要离子含量由西向东逐步递增，局部存在工业、生活和采矿污染;致癌的几个微量元素(Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Mo、Se)在研究区西部含量较高，可能成为食管癌高发的原因之一，其来源与花岗岩、矿体分布及污染有关。
(2)地下水的补给来源主要为大气降水
研究区地下水样品的δ18O和δ2H值都落在大气降水线附近，表明地下水的来源主要为大气降水，并且以活塞流的形式从西部山区向东部平原运动;地下水环境同位素特征还表明西部山区岩溶地下水与现代大气降水的水力联系紧密，地下水年龄较轻，说明主要为现代地下水;自西向东、自上而下地下水年龄逐渐变老，与大气降水和地表水的联系变差，说明接受补给的能力变弱。
(3)地下水中超标的硝酸盐的与食管癌呈正相关关系
研究区西部地下水中硝酸盐含量高于东部平原，西部食管癌发病率高于东部也证明了其发病率与地下水中硝酸盐含量呈正相关;林州市北部地区饮用水中NO3-含量多数高于生活应用水卫生标准普遍≥30mg/L;林州市南部地区饮用水中NO3-含量多数低于或接近生活饮用水卫生标准。
林州地区浅层地下水硝酸盐含量一般大于30mg/L，而深层岩溶裂隙水硝酸盐含量一般都小于小于25mg/L;旱井水（或水窖水）的硝酸盐含量大于机井水，并且机井水存于水窖中的时间越长，硝酸盐的含量就增高得越多，其原因一是旱井水容易受到污染。二是在富氧条件下有利于硝化反应的发生;东部平原承压地下水的隔水顶板有较好的防污作用，同时深部承压水属于厌氧还原环境，有利于反硝化作用的进行因而NO3-含量一般较低。
研究区化肥厂附近或高效农业区NO3-含量明显高出周围地下水;安阳县铜冶镇矿区周围为硝酸盐高值区。这些地区硝酸盐的主要污染来源可能由工、矿企业排放废水和化肥的不合理施用;地表岩性的防污性能对浅层地下水的硝酸盐污染具有重要的作用，地表岩性颗粒粗，渗透性好，防污性能较差，各种来源的硝酸盐容易进入地下水造成污染。
(4)NO3-的来源识别
利用NO3-和δ15N的相关关系，结合水文地质条件和其他信息，对研究区地下水NO3-的来源进行识别:①大气来源的氮:其特征是NO3-—N的含量低于25mg/L，δ15N值为负数，其来源主要是生物体（植被腐烂），其分馏机理主要为生物固氮作用。②天然土壤来源的氮:其特征是NO3-—N的含量低于10mg/L，δ15N值介于0～+8‰之间，其来源主要为天然土壤有机氮或腐植质的硝化或降解。③粪便来源的氮:其特征是NO3-—N的含量变化范围较大，为24.86～72.16mg/L，δ15N值为高值，15.78～18.35之间，其来源主要是禽畜粪便引起的污染，与氨的挥发作用较强所致。④混合来源的氮:其特征是NO3-和δ15N含量变化范围较大，由于工业污水的氮同位素比值接近于氮化肥，因而仅靠NO3-和δ15N的相关关系难以识别出其来源是氮化肥还是工业废水或生活污水，需要结合其他同位素进行识别和区分。
土壤有机氮的矿化和硝化作用形成的NO3-是研究区NO3-—N的主要来源;其次是化肥和粪便，这是本研究新的认识之一。
(5)硝化和反硝化作用
土壤的硝化作用与通气状况、土壤酸度、土壤水分、有机质含量密切相关;而土壤碳源的供应状况、土壤水分湿度、土壤氧供应等则对土壤反硝化作用的有明显的影响。硝化作用是研究区氮循环的主要形式，从大气降雨开始，N即从大气经过植被进入岩（土），在固氮作用、同化作用、氨化作用、硝化作用下，不断形成NO3-;研究区发生的反硝化作用有两类，一是发生在粪便来源的δ15N和NO3-分布区（氨挥发）;二是发生在氮肥生产与施用或工业污水源的NO3-分布区;食管癌高发区主要分布在硝化作用为主的地区，反硝化作用区多为食管癌低发区但同时也发生在高发区。
δ15N—NO3-和δ18O—NO3-资料证明，食管癌高发区分布于山区和山前地带，是地下水的补给区，这里以硝化作用为主。安阳地区以东，为地下水的承压区，为食管癌的低发区，这里以反硝化作用为主，这是本研究区新认识之二。
(6)37Cl同位素特征
①氯化物与硝酸盐的分布规律
研究区Cl-与NO3-的在空间上的分布具有高度的一致性，高值区分布在铜冶镇周围，主要受工矿企业废水排放的影响;西部丘陵山区Cl-和NO3-的含量都较高，山前平原区（微承压水区）Cl-和NO3-的分布关系基本是正相关关系，东部平原（承压区）Cl-和NO3-的分布关系是高Cl-和低NO3-。
②δ37Cl与Cl-、δ18O、δ2H和地下水埋深相关关系
第四系孔隙水的δ37Cl值随着Cl-离子浓度增大而变小或者变成负值，而岩溶水的δ37Cl值与Cl-浓度没有明显的相关性;地下水的δ18O和δ2H同位素分馏机理与37Cl同位素的分馏机理不同，因而地下水的δ37Cl值与δ18OH2O和δ2HH2O值没有相关性;西部丘陵山区岩溶水Cl-浓度与埋深没有相关性，δ37Cl值与深度也无关。
③δ37Cl与δ15N的相关性
δ15N值和δ37Cl值结合可以区分来源于大气降水中的硝酸盐和来源于土壤中的硝酸盐，同时利用δ37Cl值的差异判断泉水出露地层是碳酸盐还是非碳酸盐;利用δ15N值的差异和δ37Cl的相关关系，识别出δ15N值来源是化肥还是动物粪便;碳酸盐分布区δ37Cl值和δ18O值均较高，可能受到了化肥污染;第四系分布区δ37Cl值低和δ18O值较高，可能受到了养殖粪便污染。
④37Cl同位素分馏机理
奥陶系灰岩中石膏的溶解使岩溶水的δ37Cl值增大是大气降水与岩溶水混合的结果;第四系承压水的δ37Cl值随着埋深加大而变小，同时Cl-浓度随着埋深加大而增大，这是由于离子渗透作用引起的氯同位素分馏形成的。这是本研究的新认识之三。
本研究紧密结合豫北平原安阳地区水文地质条件，以地下水循环演化为主线，运用多种同位素技术(N、O、Cl)对豫北平原浅层地下水中硝酸盐氮和氧、氯化物中氯同位素的组成、分布特征及其分馏机理进行了系统研究，全方位揭示了地下水中硝酸盐的来源及其与食管癌高发的关系。首次利用δ15N与δ37Cl等相关关系，在研究区识别出大气来源的氮、土壤来源的氮、氮肥来源的氮、粪便来源的氮、生活或工业污水等不同来源的硝酸盐;为研究区硝酸盐污染的防治和食管癌高发区的安全饮水提供了科学依据，具有一定的科学价值和应用前景。