锈迹斑斑的灌溉管道暗示地下水中缺乏硝酸盐

“哦，我们不必担心那个区域。他们有红色枢轴。”从表面上看，这件轶事已经很清楚了。问题中的“红色”，特洛伊吉尔摩知道，是铁锈。与此同时，枢轴是中心枢轴：围绕中心点旋转的高架灌溉管道以圆形模式分配水，从30,000英尺处最明显，灌溉作物就像巨大的绿色跳棋，挤满了玉米带的田园棋盘。

至于担心?那就是硝酸盐，一种可以渗入地下水的肥料衍生化合物

尽管如此，内布拉斯加大学林肯分校的副教授还是觉得这个随意的评论有点令人惊讶。即使拥有广泛的水文学背景，吉尔摩也从未听说过生锈的枢轴与地下水硝酸盐之间有任何联系。但是，HastingsUtilities的环境主管MartyStange正在解释最近投入使用的反渗透水处理设施。

所以Gilmore继续听着，将好奇心抛在脑后。最终，他会向他当时的博士生导师MikaelaCherry提起这件事，她正在自然资源学院攻读博士学位。

“我们就像，‘你知道吗?我们真的应该研究一下，’”Cherry回忆道，她于2021年12月从内布拉斯加州大学获得博士学位。“‘那是一回事吗?有红色枢轴的地方，没有硝酸盐?'”

现在，经过数十小时的卫星图像查看、数据电子表格编制以及在内布拉斯加州中南部的乡村道路上行驶，Cherry和她的同事们有充分的理由怀疑Stange是对的。根据他们的研究，红色中心枢轴——具体来说，那些完全涂有红棕色铁的枢轴，是从下面的含水层抽取的——似乎表明流经其管道的地下水不含硝酸盐。

这并不是说没有铁锈就意味着附近的地下水一定含有高硝酸盐。

“一个不生锈的枢轴并不能真正告诉你任何事情，”Cherry说，她现在是美国地质调查局内布拉斯加州水科学中心的物理科学家。“但那些生锈的枢轴的存在表明地下水中没有(太多)硝酸盐。”

“他们不是随机的”

当Gilmore与Cherry分享Stange的轶事时，她的第一直觉是出去通过一些很好的老式实地调查来测试它。不幸的是，COVID-19大流行的早期阶段已经暂时停止了其中的大部分。但Cherry有一个想法：也许她至少可以识别中心枢轴——甚至可以辨别它们的表面积有多少

“我花了很长时间盯着谷歌地球上的枢轴，”她笑着说。“然后，一旦我们可以再次开始做更多的实地考察，出去仔细检查我在谷歌地球上看到的生锈的支点在现实生活中是否真的生锈了。”

Cherry在位于巨大的Ogallala蓄水层之上的三个灌溉密集型Cornhusker州县(Adams、Kearney和Phelps)驻扎，自2018年抵达内布拉斯加州以来，她已经在那里进行了研究。在上路之前，Cherry挑选了277个枢轴点进行检查。

她不会孤单。大流行病还扰乱了大峡谷的旅游业，米凯拉的姐姐贝瑟尼(Bethany)在那里担任公园管理员。有了一些新的空闲时间，Bethany决定骑猎枪参加为期三天的研究公路旅行。姐妹们一起追踪了枢轴，拍摄并成功地对其中的大约250个进行了分类。

“这很有趣，”米凯拉说。“你有点进入节奏。”

事实证明，她的谷歌地球侦察是值得的：在83%的案例中，姐妹们基于地面的枢轴分类与Mikaela基于卫星的分类相匹配。然后，她根据内布拉斯加州农业部和内布拉斯加大学林肯分校共同开发的地下水数据库，着手将每个枢轴的生锈度与供给它的地下水的最新硝酸盐读数进行比较。

Cherry特别感兴趣的是硝酸盐浓度是高于还是低于每升10毫克，环境保护局于1991年将其确定为人类食用的最大安全浓度。该标准源于蓝色婴儿综合症的出现，在这种情况下，婴儿的皮肤会变成蓝色——这通常是饮用由高硝酸盐井水配制的配方奶的结果，这会降低血液中的氧气含量。多项研究同样将硝酸盐与较高的先天缺陷和多种癌症发病率联系起来。

在将支点的位置与其地下水硝酸盐浓度进行交叉对照后，Cherry发现，注入全锈支点的76口地下水井中，没有一口井中的硝酸盐含量超过10mg/L阈值。事实上，这些来源的平均硝酸盐浓度仅为2.4毫克/升。大多数(尽管不是全部)供应给部分锈蚀枢纽的地下水也低于硝酸盐阈值，平均浓度为4.5毫克/升，但最大值接近23毫克/升。

尽管大多数无锈枢轴确实取自低于EPA阈值的地下水井，平均7.8毫克/升，但许多其他枢轴却没有。其中一口提供防锈枢轴的油井测得浓度接近44mg/L，是EPA限值的四倍多。统计分析证实了与全锈枢轴和无锈枢轴相关的硝酸盐浓度之间存在明显差异——这种差异不太可能是偶然的。

“因此，铁锈和硝酸盐之间似乎存在很强的相关性，”Cherry说，他确实指出，更大的样本量可以进一步支持该团队的结论。

在为期三天的穿越内布拉斯加州中南部的实地考察期间，Cherry也开始注意到一种模式，这种模式在她后来根据地面分类绘制枢轴图时得到了证实。

“生锈的支点往往成片出现，”她说。“它们不是随机的。你会在整个研究区域看到它们聚集在一起。”

微生物、士力架和农夫年鉴

自然地，Cherry、Gilmore和其他研究人员JeffreyWestrop、YusongLi和TiffanyMesser很好奇究竟是什么导致了硝酸盐-铁锈联系。他们仍然不确定，但他们确实有一个假设——一个涉及生活在土壤和地下水中的无数微生物，尤其是细菌。

栖息在含水层中的微生物通常将它们的生存归功于有机碳，有机碳为它们提供了促进新陈代谢的电子。然而，一些对它们的生存至关重要的化学反应也取决于向附近的元素或化合物提供电子。多种元素和化合物愿意接受微生物电子，但微生物只会以最节能的方式提供这些电子。

“他们‘吃’的是基于那里的东西以及能量最简单的东西，”Cherry说。“这就像一个人决定吃士力架而不是生菜。士力架会给他们最简单的能量。”

因此，微生物会优先考虑电子的接受者：首先是溶解氧，然后是硝酸盐、锰，然后是铁。通过将电子借给地下水中的铁，微生物将其转化为氧化或生锈的形式，如果它被泵送到地表并暴露在氧气中——这解释了为什么一些中心枢轴即使在它们没有腐蚀。

但切里说，微生物只有在用完硝酸盐后才会求助于铁这一事实表明，同一地下水中的大部分或全部可用硝酸盐已经被消耗掉。这可能可以解释为什么红色枢轴似乎表明其下方的含水层中不存在硝酸盐。

“这只是我们提议的机制，”Cherry说。“从逻辑上讲，这就是我们认为可能发生的事情。”

当然，含水层必须含有铁才能使其上方的枢轴首先变红。由于并非所有含水层都如此，Cherry表示提议的颜色编码系统仅适用于具有公平份额元素的区域。通常，这些地区是靠近溪流或河流的地区——包括普拉特，就内布拉斯加州中南部而言。

除了丰富的含水层灌溉农田外，内布拉斯加州中南部是Cherry研究的主要地点，部分原因是该地区的自然资源区(NRD)长期以来一直在监测地下水中的硝酸盐和其他污染物。虽然奥马哈、林肯和其他都市区拥有持续监测其所有饮用水的基础设施，但农村地区的NRD轮流对其地下水位置的子集进行采样。Cherry说，在内布拉斯加州中南部，Tri-Basin和LittleBlueNRD每年大约花一个月的时间对井进行采样。尽管这个过程可能已经很成熟，但它并不便宜。

与此同时，一项针对内布拉斯加农村地区的新调查发现，大约25%的人从私人水井取水。在这部分人中，只有55%的人表示他们对水进行了专门的硝酸盐检测。Cherry说，她可以设想这样一种未来，在这种情况下，农村居民甚至NRD会咨询中心支点，将其作为一种农民年历的速记，用来筛选可能缺乏硝酸盐的区域。

“如果你所在的地区你知道这个乡镇几乎只有生锈的支点，也许你只会对一两个井进行采样。而这个(其他)乡镇没有任何生锈的支点。也许你采样那里有更多的井，所以你可以更好地了解硝酸盐的位置，”她说。“所以你可以根据你认为硝酸盐可能成为问题的地方进行战略性抽样。”

Cherry说，这种方法在巴西等正在广泛扩大灌溉用途的国家可能特别适用。目前缺乏定期对地下水进行采样的资源的发展中国家也可能会发现转向其支点以寻求指导的一些价值。

“在一个理想的世界中，”她说，“这可能是一种应用程序，可用于在硝酸盐污染发生之前找出风险较高或较低的区域。”