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地表水和地下水硝酸盐污染不仅会对人类的生产生活用水安全造成隐患，同时也会造成水体季节性缺氧和水体富营养化等问题。近年来，由于工业化进程的加快，汾河流域受到人类活动干扰的强度也不断加大。汾河流域地表水和地下水硝酸盐污染日益严重，已对沿岸居民的生产生活造成影响。
准确掌握地表水和地下水转化过程和污染过程，甄别硝酸盐污染来源，区分点源污染与面源污染，是控制地表水和地下水硝酸盐污染的有效途径。汾河流域位于黄土高原东部，河岸带范围内人类活动的加剧、土地资源的不合理利用以及矿产资源的过度开发等对沿岸居民的生产生活造成严重影响。目前结合氢氧同位素和硝酸盐氮氧同位素对汾河流域地表水和地下水硝酸盐污染进行系统研究还相对较少。本研究于2013年4月至2016年2月在汾河流域共计设置48个采样点，在野外调查的基础上，结合氢氧同位素、水化学信息、硝酸盐氮氧同位素等方法，对汾河流域地表水和地下水转化过程以及硝酸盐污染过程和来源进行研究，以期为解决汾河流域水污染防治以及汾河流域生态系统的可持续发展提供理论依据。研究结果表明：
汾河流域地表水δD和δ18O的变化趋势与当地大气降水相似。汾河流域大气降水氘盈余(d-excess)变化范围最大，地下水和地下水的d-excess由于受采样点地理环境和人为因素影响，D和18O的分馏程度差异较大。地表水和地下水主要接受降水补给，地下水由于要经过地表水的下渗过程形成的二次同位素分馏，因此要比地表水更加富集重同位素。
汾河流域地表水和地下水化学离子含量的空间变异性显著。干流中下游以及各支流地表水水化学离子含量相对偏高，水化学离子的来源和浓度不仅受到地质背景的影响，同时也受到研究区人类活动等影响。Ca2+是汾河流域干流地表水和地下水中占优势的阳离子，HCO3-是汾河流域地表水和地下水中占优势的阴离子。汾河流域地下水和干流上游地表水化学离子的主要来源受水岩作用控制，干流中下游和支流地表水由于蒸发作用明显，部分采样点受水岩作用和蒸发结晶共同影响。人类活动输入对水化学离子含量及来源影响较大。汾河流域地表水和地下水水化学类型复杂多变，采矿活动对地表水和地下水水质有明显影响。上游地下水主要水化学类型为Ca2+-HCO3-型；中游地下水主要水化学类型为Ca2+-Mg2+-HCO3-型和Ca2+-Mg2+-HCO3--SO42-型；下游地下水主要水化学类型为Ca2+-Mg2+-HCO3--SO42-型。在榆次郊区、张家庄村和东湖潮村等采样点，由于受人类生产生活影响密集，地下水水化学类型为Ca2+-Mg2+-SO42--HCO3-型。干流上游地表水水化学类型为Ca2+-HCO3-型，从汾河小店断面开始，由于受人类生产生活影响增多，地表水水化学类型由Ca2+-HCO3-型向Ca2+-Mg2+-HCO3--SO42-型转化的趋势，在小店断面、义棠断面、霍州断面、河津断面等污染严重地区，水化学类型为Ca2+-Mg2+-SO42--HCO3-型。
汾河流域地表水污染严重，硝酸盐氮是汾河流域地表水和地下水含氮物质的主要存在形式，其次是氨氮。所有地下水样品中均未检出亚硝酸盐氮。汾河干流含氮物质呈现出沿河流方向增加的趋势，支流地表水和地下水含氮物质的空间分布特征无明显的规律性。主成分分析结果显示，在汾河流域上游山区，河流补给来源主要为大气降水，地表水水质较好；河流流经农业区、工业区、城镇区等人口密集的区域后，地表水水质明显变差。祁县、平遥、稷山等农业灌区土壤中未被农作物吸收的化肥通过地表径流汇入河水。而在义棠、霍州、河津等工业聚集区，煤化工企业产生的污水未经处理，直接排入河道，导致河水中的硝酸盐氮和总氮含量迅速升高。太原、临汾等区域的生活污水和人畜粪便通过地表漫流和管道集中排放的形式汇入河水，导致河水中的氨氮和总氮含量迅速升高。
汾河流域地表水硝酸盐污染严重，汾河干流古交断面以下，由于人类活动的增强，硝酸盐污染呈现出点源污染和面源污染重叠、各污染源相互影响的特点。土壤有机氮、农业化肥的施用、以及粪便和污水是汾河流域地表水和地下水硝酸盐污染的主要来源。硝化作用是汾河流域地表水和地下水硝酸盐的主要形成过程，反硝化作用仅在少数氮污染严重并且溶解氧含量低的断面(汾河干流义棠断面、灵石断面、霍州断面)发生。结合对总氮和氨氮的含量分析可知，河流流经太原、临汾、新绛等城镇居民聚集区时，生活污水和粪便是硝酸盐污染的主要污染源；河流流经义棠、灵石、霍州和河津等工业区时，工业污水和粪便是硝酸盐污染的主要污染源；河流流经祁县、平遥、稷山等农业灌溉区时，农业化肥的施用是硝酸盐污染的主要污染源。汾河流域生态系统地下水硝酸盐的主要来源是土壤有机氮，约占地下水硝酸盐来源的57.1%，其次是农业化肥的施用。榆次郊区、张家庄村和东湖潮村附近的地下水采样点受粪便和污水的影响较明显。
汾河流域健康综合指数较差。汾河流域生态系统已遭到较大程度破坏，尤其是中下游流域，河流生态功能退化最为严重。其中“健康”的断面个数为5，占总监测断面的17.86%；“亚健康”的断面个数为15，占总监测断面的53.57%；“差”的断面个数为8，占总监测断面的28.57%。
准确掌握地表水和地下水转化过程和污染过程，甄别硝酸盐污染来源，区分点源污染与面源污染，是控制地表水和地下水硝酸盐污染的有效途径。汾河流域位于黄土高原东部，河岸带范围内人类活动的加剧、土地资源的不合理利用以及矿产资源的过度开发等对沿岸居民的生产生活造成严重影响。目前结合氢氧同位素和硝酸盐氮氧同位素对汾河流域地表水和地下水硝酸盐污染进行系统研究还相对较少。本研究于2013年4月至2016年2月在汾河流域共计设置48个采样点，在野外调查的基础上，结合氢氧同位素、水化学信息、硝酸盐氮氧同位素等方法，对汾河流域地表水和地下水转化过程以及硝酸盐污染过程和来源进行研究，以期为解决汾河流域水污染防治以及汾河流域生态系统的可持续发展提供理论依据。研究结果表明：
汾河流域地表水δD和δ18O的变化趋势与当地大气降水相似。汾河流域大气降水氘盈余(d-excess)变化范围最大，地下水和地下水的d-excess由于受采样点地理环境和人为因素影响，D和18O的分馏程度差异较大。地表水和地下水主要接受降水补给，地下水由于要经过地表水的下渗过程形成的二次同位素分馏，因此要比地表水更加富集重同位素。
汾河流域地表水和地下水化学离子含量的空间变异性显著。干流中下游以及各支流地表水水化学离子含量相对偏高，水化学离子的来源和浓度不仅受到地质背景的影响，同时也受到研究区人类活动等影响。Ca2+是汾河流域干流地表水和地下水中占优势的阳离子，HCO3-是汾河流域地表水和地下水中占优势的阴离子。汾河流域地下水和干流上游地表水化学离子的主要来源受水岩作用控制，干流中下游和支流地表水由于蒸发作用明显，部分采样点受水岩作用和蒸发结晶共同影响。人类活动输入对水化学离子含量及来源影响较大。汾河流域地表水和地下水水化学类型复杂多变，采矿活动对地表水和地下水水质有明显影响。上游地下水主要水化学类型为Ca2+-HCO3-型；中游地下水主要水化学类型为Ca2+-Mg2+-HCO3-型和Ca2+-Mg2+-HCO3--SO42-型；下游地下水主要水化学类型为Ca2+-Mg2+-HCO3--SO42-型。在榆次郊区、张家庄村和东湖潮村等采样点，由于受人类生产生活影响密集，地下水水化学类型为Ca2+-Mg2+-SO42--HCO3-型。干流上游地表水水化学类型为Ca2+-HCO3-型，从汾河小店断面开始，由于受人类生产生活影响增多，地表水水化学类型由Ca2+-HCO3-型向Ca2+-Mg2+-HCO3--SO42-型转化的趋势，在小店断面、义棠断面、霍州断面、河津断面等污染严重地区，水化学类型为Ca2+-Mg2+-SO42--HCO3-型。
汾河流域地表水污染严重，硝酸盐氮是汾河流域地表水和地下水含氮物质的主要存在形式，其次是氨氮。所有地下水样品中均未检出亚硝酸盐氮。汾河干流含氮物质呈现出沿河流方向增加的趋势，支流地表水和地下水含氮物质的空间分布特征无明显的规律性。主成分分析结果显示，在汾河流域上游山区，河流补给来源主要为大气降水，地表水水质较好；河流流经农业区、工业区、城镇区等人口密集的区域后，地表水水质明显变差。祁县、平遥、稷山等农业灌区土壤中未被农作物吸收的化肥通过地表径流汇入河水。而在义棠、霍州、河津等工业聚集区，煤化工企业产生的污水未经处理，直接排入河道，导致河水中的硝酸盐氮和总氮含量迅速升高。太原、临汾等区域的生活污水和人畜粪便通过地表漫流和管道集中排放的形式汇入河水，导致河水中的氨氮和总氮含量迅速升高。
汾河流域地表水硝酸盐污染严重，汾河干流古交断面以下，由于人类活动的增强，硝酸盐污染呈现出点源污染和面源污染重叠、各污染源相互影响的特点。土壤有机氮、农业化肥的施用、以及粪便和污水是汾河流域地表水和地下水硝酸盐污染的主要来源。硝化作用是汾河流域地表水和地下水硝酸盐的主要形成过程，反硝化作用仅在少数氮污染严重并且溶解氧含量低的断面(汾河干流义棠断面、灵石断面、霍州断面)发生。结合对总氮和氨氮的含量分析可知，河流流经太原、临汾、新绛等城镇居民聚集区时，生活污水和粪便是硝酸盐污染的主要污染源；河流流经义棠、灵石、霍州和河津等工业区时，工业污水和粪便是硝酸盐污染的主要污染源；河流流经祁县、平遥、稷山等农业灌溉区时，农业化肥的施用是硝酸盐污染的主要污染源。汾河流域生态系统地下水硝酸盐的主要来源是土壤有机氮，约占地下水硝酸盐来源的57.1%，其次是农业化肥的施用。榆次郊区、张家庄村和东湖潮村附近的地下水采样点受粪便和污水的影响较明显。
汾河流域健康综合指数较差。汾河流域生态系统已遭到较大程度破坏，尤其是中下游流域，河流生态功能退化最为严重。其中“健康”的断面个数为5，占总监测断面的17.86%；“亚健康”的断面个数为15，占总监测断面的53.57%；“差”的断面个数为8，占总监测断面的28.57%。