综述：全球地下水系统中的砷：来源、水生生物地球化学控制因素及未来展望

《Earth-Science Reviews》：Arsenic (As) in global groundwater system: Sources, hydro-biogeochemical controls, and future perspectives

　　苏海勒·A·洛恩|吉尔阿尼|阿比吉特·穆克吉|比拉尔·A·巴特|沙希德·A·巴特|纳迪姆·哈比布|阿迪尔·M·巴特印度斯利那加克什米尔大学地质系，邮编190006摘要地下水中的砷污染是全球性的重大水质问题，影响着全球约3亿至5亿人的饮用水安全与粮食供应。多项研究已明确了控制砷迁移的主要地球化学和微生物机制，但由于难以将这些过程与地下水流动动态以及不断变化的水文气候条件进行定量结合，因此对砷迁移的预测能力仍有限。本综述通过整合氧化还原反应、pH值依赖的吸附-解吸作用、微生物代谢、地下水流动动态以及不同含水层系统中的气候驱动的水文变化，总结了目前关于砷迁移、归趋和传输的知识。含水层结构对污染在空间上的持续存在起着决定性作用，而气候变率、土地利用变化以及地下水抽取则通过改变补给路径、氧化还原稳定性、停留时间以及含水层连通性，进一步加剧污染。文中特别强调了山区前陆带地区，那里的冰冻圈变化会影响补给、沉积物输送以及地下水流动，进而影响到人口密集的冲积盆地。我们提出了一种综合的水文-生物地球化学框架，将气候影响、地下水流动、微生物活动以及地球化学反应联系起来，用以解释不同水文地质环境中的砷分布情况。该框架将砷污染视为一种受气候影响的动态过程，强调了开展预测建模、长期监测以及制定具有气候适应能力的地下水管理策略的必要性引言地下水是全球重要的淡水资源之一，为全球近一半的人口提供饮用水，支撑着约43%的灌溉农业，在不同气候和地质条件下为近25亿人提供主要水源（Gleeson等人，2012；Taylor等人，2012；联合国教科文组织，2022；Cooper和Hiscock，2025）。尽管地下水通常被视为天然保护的淡水资源，但它却日益受到地质源性和人为污染物的影响，这些污染物对水资源安全、生态系统健康以及人类福祉构成严重威胁（Appelo和Postma，2005；Smedley和Kinniburgh，2002；Lapworth等人，2022；Xing等人，2023；Xu等人，2026）。砷因其在全球范围内的普遍存在、持久性以及长期健康危害，成为最严重且最广泛的地下水质量问题之一（Bundschuh等人，2012；世界卫生组织，2002；Xie等人，2024；Li等人，2026a）。长期接触含砷地下水会导致多种健康问题，包括皮肤病、心血管疾病、神经系统损伤以及各类癌症（Naujokas等人，2013；Alarcón-Herrera和Gutiérrez，2022；Yuan等人，2025）。全球范围内，地下水中砷的浓度常常超过世界卫生组织规定的10微克/升的标准值，影响了约3亿至5亿人，尤其在南亚地区引发了严重的公共卫生问题（图1，Argos等人，2010；Podgorski和Berg，2020；Ghosh等人，2020；Ravenscroft等人，2011，Murthy等人，2024）。除了饮用水之外，含砷地下水还可能通过灌溉方式进入食物链，形成水-食物共同暴露途径。使用含砷地下水进行灌溉会使砷进入农业土壤和作物中，尤其是在以水稻为主的种植系统中，较低的土壤pH值会提高砷的生物可利用性及其被植物吸收的程度（Meharg和Zhao，2011；Bhowmick等人，2018；Li等人，2020；Shaji等人，2021；Zhou等人，2021；Feng等人，2026）。由于水稻是近30亿人的主食，通过饮食摄入砷也成为加剧受污染地区整体砷风险的重要途径（Norton等人，2023；Moore等人，2024；Adje等人，2025）。这些相互关联的暴露途径表明，地下水砷污染的影响远远超出了饮用水系统范畴。砷污染的全球重要性最初是在孟加拉湾地区被发现的，那里的广泛污染已成为一项重大的环境健康危机（Chakraborti等人，2018）。后续研究表明，砷污染存在于多种水文地质环境中，包括冲积盆地、硬岩含水层、喀斯特系统以及地热区域（Smedley和Kinniburgh，2002；Guo等人，2014；Morales-Simfors等人，2020；Qiao等人，2023）。在印度-恒河-孟加拉前陆盆地，由于第四纪厚层冲积沉积物来自喜马拉雅山的侵蚀，这里形成了全球砷含量最高的含水层之一（McArthur等人，2019；Glodowska等人，2021）。然而，砷在不同地质环境中的存在表明，其迁移并非由单一机制控制，而是受到岩性、地球化学因素以及水文条件的共同影响（Bhowmick等人，2026）。地下水中砷的迁移受复杂的地球化学、微生物学和水文过程相互作用所调控。在许多含水层系统中，微生物介导的Fe(III)（水合）氧化物还原溶解是砷释放的主要机制，但其重要性因含水层岩性、有机碳含量、地下水停留时间以及现有的水化学条件而异（Smedley和Kinniburgh，2002；Andersen等人，2020；Michael和Voss，2021；P'erez-de-Mora等人，2024；Jeelani等人，2020；Jin等人，2025）。砷的存在形态，尤其是砷酸根[As(V)]与亚砷酸根[As(III)]之间的转化，对砷的迁移性和毒性有着重要影响，通常在还原环境中，更易移动的亚砷酸根形式更为常见（Fendorf等人，2010；Jha和Tripathi，2021；Du等人，2024）。此外，包括砷酸根还原、甲基化、硫循环以及甲烷介导的氧化还原反应在内的微生物过程，也通过对矿物稳定性、氧化还原状态以及硫代砷等复杂物质形成的影响，逐渐成为控制砷行为的重要因素（Planer-Friedrich等人，2010；Stolz等人，2021；Yin等人，2022；Goren等人，2022；Wang等人，2023；Chen等人，2025；Xu等人，2026；Feng等人，2026）。尽管这些过程已有较多研究记载，但往往都是单独研究的，以往的研究多分别关注地球化学控制因素、水文地质因素、气候影响或治理方法（Smedley和Kinniburgh，2002；Fendorf等人，2010；Bondu等人，2016；Akintomide等人，2021；Kannan等人，2025）。但实际上，地下水中砷的存在是由水文、地球化学、微生物、气候以及人为因素在多个空间和时间尺度上的动态相互作用所决定的。地下水流动影响着补给路径、停留时间、含水层连通性、地下水混合以及氧化还原分区，而这些又进一步调控着微生物活动及地球化学变化。同样，溶解氧、有机碳、营养物质以及电子受体的输送也会影响氧化还原反应的进程，以及砷在含水层沉积物中的迁移或衰减。尽管人们越来越认识到这些相互关联，但由于水文地质、地球化学、微生物学以及气候控制因素很少被整合在一个统一的理论框架中，因此对砷存在的预测能力仍然有限。这样一来，不同水文地质环境下各过程及其相互作用的相对重要性就难以准确界定，从而阻碍了在环境条件变化时预测砷污染风险的工作。气候变率通过改变控制砷迁移的水文和生物地球化学边界条件，为问题增添了更多复杂性。降水模式的变化、极端水文事件、温度变化、地下水抽取以及土地利用方式的变化都可能改变补给动态、地下水停留时间、氧化还原稳定性以及流动路径，进而影响砷的释放和迁移（IPCC，2021；Shamsudduha等人，2015；Winkel等人，2021；Cai等人，2025）。在山区前陆带地区，冰冻圈驱动的过程，如冰川退缩、雪融水变化以及沉积物输送，会对下游的地下水补给、沉积物输入以及水文地球化学演变产生显著影响（Immerzeel等人，2020；Azam等人，2021）。这种上下游之间的关联性凸显出，需要在更广泛的水文-生物地球化学框架下考虑地下水砷污染问题，该框架应明确地将气候影响、地下水流动动态、微生物活动以及地球化学过程联系起来。在本综述中，我们通过整合地球化学反应、微生物过程、地下水流动动态、气候变率以及人为影响，全面总结了目前关于地下水中砷迁移、归趋和传输的认识。我们没有孤立地研究这些控制因素，而是构建了一个综合的水文-生物地球化学框架，揭示了它们在调控砷的迁移、传输、衰减和持久性方面的相互作用与反馈机制。其中特别关注了山区前陆带的水文地质系统，因为那里的高海拔补给区与下游冲积含水层之间存在水文联系，使得冰冻圈动态与地下水过程紧密相连。本综述的具体目标包括：（一）总结控制砷迁移的关键地球化学、微生物学和水文过程；（二）分析这些过程在不同水文地质环境中的差异；（三）评估气候变率、冰冻圈变化以及人类活动对砷行为的影响；（四）构建综合的水文-生物地球化学框架，并确定推动预测能力提升以及制定具有气候适应能力的地下水管理策略的关键研究方向。章节节选地下水水文地质环境与砷的全球分布即使在同一流域内，砷的存在也存在很大差异，相邻井水中的砷浓度往往相差数个数量级。这种差异反映了岩性、沉积相、有机碳含量、地下水流动格局、氧化还原分区以及水-岩相互作用时间等局部因素的强烈影响。表1汇总了全球不同地质/构造环境中的砷浓度变化情况。氧化还原过程氧化还原条件对地下水中砷的存在形态、迁移性以及归趋起着决定性作用。砷是一种多价元素，在自然环境中可呈现多种氧化态，但在大多数地下水系统中，它主要以无机亚砷酸根[As(III)]和砷酸根[As(V)]的形式存在（Smedley和Kinniburgh，2002；Fendorf等人，2010）。这些形态的相对丰度主要受氧化还原电位（Eh）和pH值的影响，二者共同决定了砷的存在形式。地下水流动动态与砷的迁移地下水流动动态对不同水文地质环境中的砷积累、重新分布以及持久性有着重要影响。地下水流速、停留时间以及水力梯度的变化会显著影响水-岩相互作用程度、氧化还原过程以及溶解态砷的迁移或衰减。在许多含水层系统中，较长的地下水停留时间加上较低的水力梯度，会促进更长时间的水-岩相互作用，进而影响砷的迁移过程。气候对含水层系统中砷归趋的调控作用地下水中的砷污染主要源自地质因素，但越来越多的研究表明，气候变化通过改变控制砷迁移的水文地质和生物地球化学条件，成为影响砷归趋和传输的关键因素。气候变化并非直接将砷引入含水层系统，而是通过改变补给动态、地下水流动路径、氧化还原稳定性以及反应动力学，从而影响砷出现的时机、范围以及持续时间。气候与冰冻圈对氧化还原动态及砷释放的调控作用地下水中的砷污染是由地球化学反应、微生物代谢以及地下水流动动态在含水层系统中的相互作用所导致的，而这些系统又日益受到气候变率以及人类用水活动的影晌。砷的迁移并非某种静态的地球化学现象，而应被视为对不断变化的水文和生物地球化学边界条件的动态响应。喜马拉雅山脉及其他高海拔地区……砷迁移的综合水文-生物地球化学框架前文已表明，地下水中砷的迁移是由地下水流动、氧化还原过程、微生物代谢、沉积物-水相互作用以及气候驱动的水文变化等多种因素之间的复杂相互作用所控制的。尽管这些控制因素常常被单独研究，但它们的作用实际上彼此紧密关联，且在不同空间和时间尺度上同时发挥作用。因此，将这些过程整合到一个统一的框架之中至关重要。地下水砷的缓解与去除技术地下水中砷的浓度在区域和局部尺度上都存在明显的横向差异。在许多冲积含水层中，深度超过地面以下约150米处，几乎不会出现高于50微克/升的砷浓度（Tareq，2023；Mukherjee等人，2024）。由于这种深度依赖性的分布特征，人们普遍建议打更深的家庭水井，因为大多数家庭水井的深度都在100米以内，这是一种较为简单的缓解措施。知识缺口与未来研究方向尽管已有三十多年的研究历程，但全球许多地区的地下水砷污染问题仍未得到有效控制。这一现状不仅反映了砷的地球化学特性本身的复杂性，也反映出一系列系统性知识缺口，这些缺口继续制约着我们对砷污染的预测能力，也限制了缓解措施的长期效果（图7）。现有研究的一个主要局限在于对砷迁移过程的探讨较为零散。氧化还原驱动结论本综述通过整合全球主要含水层系统中的地球化学、微生物学、水文、气候以及人为控制因素，总结了目前关于地下水中砷迁移的认识。通过综合分析可以得出一个核心结论：砷污染无法用单一的主导机制来解释。实际上，这种现象反映了地下水流动、氧化还原反应、微生物代谢、矿物转化之间的动态相互作用。Abbas等人，2018年；Asaithambi等人，2016年；Banerjee等人，2020年；Bhattacharya等人，2010年；Bhowmick等人，2013年；Biswas等人，2012年；Bundschuh和Pichler，2013年；Cano-Lamadrid等人，2015年；Chandrajith等人，2020年；Chen等人，2016年；Cheraghi等人，2025年；Cui等人，2018年；Dharpure等人，2025年；Fresno等人，2016年；Gan等人，2014年；Genchi等人，2022年；Geng等人，2024年；Ghosh等人，2021年；Gorny等人，2015年；Guo等人，2020年；Guo等人，2024年；Gupta和Chen，1978年；Hsu等人，2012年；Huang，2014年；Islam等人，2014年。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：作者衷心感谢斯利那加克什米尔大学为他们提供了访问各种学术数据库和期刊平台的权限，包括Elsevier、Springer Nature、Wiley、Taylor & Francis、Scopus以及Web of Science，这些资源极大地便利了文献综述和研究工作。本研究未获得任何资助机构的支持。