牛世偉 安景文 宮亮 蔡廣興 何志剛 陳玥 劉子琪 隋世江

摘要：為了解和評價(jià)農(nóng)業(yè)種植區(qū)域地下水硝酸鹽含量狀況，2005～2012年采集遼河流域典型農(nóng)區(qū)2 839個(gè)井次的地下水樣品，分析硝酸鹽含量。結(jié)果表明，遼河流域典型農(nóng)區(qū)地下水硝態(tài)氮平均為22.75 mg/L，井深小于或等于30 m地下水硝酸鹽含量達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的年份較少，井深30～100 m的除2011年外均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，井深大于100 m的均能達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，各監(jiān)測時(shí)期的硝酸鹽含量和超標(biāo)率有較大相關(guān)性；不同井深地下水硝酸鹽含量差異明顯，井深小于或等于30 m硝酸鹽含量大于井深30～100 m的大于井深大于100 m的，隨著井深深度的增加，地下水硝酸鹽含量逐漸降低；以時(shí)間動(dòng)態(tài)來看，硝酸鹽含量總體呈逐年升高的趨勢，超標(biāo)可能性會(huì)進(jìn)一步加大。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)種植區(qū)域；地下水；硝酸鹽；時(shí)空變化；井深；遼河流域

中圖分類號(hào)：X523 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）05-1147-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.015

Spatial-temporal Change Characteristics of Nitrate in Groundwater in Typical Agricultural Areas of Liao River Basin

NIU Shi-wei，AN Jing-wen，GONG Liang，CAI Guang-xing，HE Zhi-gang，CHEN Yue，LIU Zi-qi，SUI Shi-jiang

（Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources，Liaoning Academy of Agricultural Sciences， Shenyang 110161，China）

Abstract： By sampling groundwater samples from 2 839 wells in typical agricultural areas of Liao river basin from 2005 to 2012， the nitrate concentration was analyzed to understand and evaluate nitrate status in groundwater of agricultural cultivation areas. The results showed that the average nitric nitrogen concentration of groundwater in typical agricultural areas of Liao river basin was 22.75 mg/L. The groundwater nitrate concentration from wells less than 30 meters depth reached the quality criterion of national groundwater in few years， from the wells in 30～100 meters depth， which met the quality criterion except for 2011， and from wells more than 100 meters depth， all attained Class II water standard， there was a significant correlation between nitrate concentration and over standard rate in different monitoring periods. Nitrate concentration of groundwater was significantly affected by different well depth， in the order of less than 30 m>30～100 m> more than 100 m. With the increase of well depth， nitrate concentration of groundwater decreased gradually. From temporal dynamics， nitrate concentration increased year by year， resulting in the further increase of over standard possibility.

Key words：agricultural cultivation areas； groundwater；nitrate；well depth

隨著集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，由于過于追求經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，在農(nóng)田中過量施用化肥和農(nóng)家肥，含氮物通過地表徑流及淋溶進(jìn)入水體，導(dǎo)致江河、湖泊、溪流及地下水等水源硝酸鹽含量過高[1-4]。研究表明，水體中的硝酸鹽進(jìn)入人體能被還原成亞硝酸鹽，能夠形成致突變和致癌的亞硝基化合物[5]。水體硝酸鹽含量超標(biāo)問題得到人們的關(guān)注，上世紀(jì)80年代開展了地下水硝酸鹽含量超標(biāo)和控制措施等方面的研究[6]，為防控地下水硝酸鹽超標(biāo)開辟了途徑。國內(nèi)外地下水硝酸鹽含量超標(biāo)問題日益嚴(yán)峻，國外報(bào)道加拿大的安大略湖南部1 292口監(jiān)測井有14%地下水硝酸鹽含量超標(biāo)[7]；澳大利亞東北農(nóng)區(qū)14%～21%的井水硝酸鹽含量超標(biāo)[8]，國內(nèi)學(xué)者研究山東省萊西地區(qū)施肥對地下水硝酸鹽含量的影響，含氮肥料對地下水硝酸鹽的補(bǔ)給量占當(dāng)次施肥量的24%和43%，地下水硝酸鹽含量分別達(dá)到130 mg/L和177 mg/L，高于本地正常硝酸鹽平均含量（63.5 mg/L）[9]。農(nóng)田過量的氮肥投入，土壤中殘留的氮素進(jìn)入到地下水中，造成地下水硝酸鹽含量超標(biāo)[10]。

地下水是農(nóng)村生活用水的主要來源，地下水硝酸鹽含量的高低影響著人們的身體健康[11]。本研究以遼河流域典型農(nóng)業(yè)種植區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，從2005年開始連續(xù)定位監(jiān)測其不同井深地下水硝酸鹽含量的變化，以闡明遼河流域典型農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽時(shí)空變化特征，為遼河流域及類似地區(qū)防控地下水硝酸鹽超標(biāo)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域慨況

調(diào)查區(qū)域?yàn)檫|河流域典型農(nóng)區(qū)的平原區(qū)，涉及沈陽市的于洪區(qū)、沈北新區(qū)、蘇家屯區(qū)、新民市和遼中縣，錦州市的北鎮(zhèn)市和黑山縣，鐵嶺市的鐵嶺縣、開原市和昌圖縣，共計(jì)10個(gè)縣區(qū)。區(qū)域耕地總面積約934 000 hm2，占全省總耕地面積的23.40%，研究區(qū)域?qū)儆跍貛О霛駶櫄夂騾^(qū)，年平均降水量在600 mm左右。其中，玉米主產(chǎn)區(qū)以旋耕播種為主，秸稈還田和施用有機(jī)肥較少，大部分只進(jìn)行根茬還田，幾乎不灌溉，化肥用量750～900 kg/hm2；水稻主產(chǎn)區(qū)長期連作，根茬還田，年灌水量7 500～12 000 t/hm2，化肥用量750～1 200 kg/hm2；蔬菜主產(chǎn)區(qū)長期連作，種植品種單一，有機(jī)肥用量50～120 t/hm2，年灌水量6 000～12 000 t/hm2，化肥用量3 000～4 500 kg/hm2；花卉主產(chǎn)區(qū)長期連作，品種較少，以玫瑰、百合為主，年灌水量4 500～9 000 t/hm2，有機(jī)肥用量45～60 t/hm2，化肥用量2 250～3 750 kg/hm2。

1.2 采樣及測定方法

調(diào)查時(shí)間主要為2005年5～10月，除2005年外每年5月和10月均調(diào)查2次。地下水取自農(nóng)村居民飲用水井，每個(gè)采樣井用GPS定位，記錄井深、水位、農(nóng)田利用類型等信息。采樣前進(jìn)行排水并反復(fù)沖洗采集瓶，采集后加少量硫酸和HgCl冷凍保存。本研究樣品共計(jì)2 839個(gè)，按照采樣水井深度，將井深分為小于或等于30 m、30～100 m和大于100 m三大類。井深小于等于30 m的采樣井?dāng)?shù)量最多，占67.49%，分布在玉米、水稻、花卉、蔬菜主產(chǎn)區(qū)；井深30～100 m的數(shù)量其次，占29.34%，分布在玉米、水稻、花卉、蔬菜主產(chǎn)區(qū)；井深大于100 m的最少，占3.17%，分布在水稻主產(chǎn)區(qū)。地下水硝酸鹽含量采用紫外分光光度計(jì)雙波長測定。

1.3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用中國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848-1993）進(jìn)行分類，即地下水硝酸鹽含量大于20 mg/L為超標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水硝酸鹽含量變化總體特征

2005～2012年遼河流域典型農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽平均含量為22.75 mg/L，超出我國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的20 mg/L。其中達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的年份有5個(gè)，超標(biāo)的有3個(gè)，以2011年的38.08 mg/L為最高，最低為2005年的14.60 mg/L，相差幅度為23.48 mg/L。以時(shí)間動(dòng)態(tài)來看，地下水硝酸鹽含量呈逐年上升的趨勢（圖1）。

不同井深的地下水硝酸鹽含量差異較為明顯（圖2），井深小于等于30 m的地下水硝酸鹽平均含量為27.38 mg/L，屬于Ⅳ類水，按國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)20 mg/L計(jì)算，超標(biāo)36.90%，適當(dāng)處理后才可作為生活飲用水；井深30～100 m的平均含量為14.19 mg/L，達(dá)到國家Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；井深大于100 m的平均含量3.48 mg/L，達(dá)到國家Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。這說明由于農(nóng)戶過量施肥，通過地表徑流和地下淋溶，大量的氮素下滲，致使淺層地下水硝酸鹽含量超標(biāo)[12-14]，而隨著井的深度增加，地下水硝酸鹽含量逐漸降低。可見，井深對地下水硝酸鹽含量有顯著影響。

2.2 井深小于或等于30 m地下水硝酸鹽含量變化特征

井深小于或等于30 m地下水硝酸鹽含量監(jiān)測結(jié)果（圖3）表明，各年平均硝酸鹽含量介于18.71～47.42 mg/L，其中，2006、2007、2008、2012年的超標(biāo)，2009年和2011年的嚴(yán)重超標(biāo)，2005年和2010年的合格，但表現(xiàn)為瀕臨超標(biāo)。其變異系數(shù)（CV）除2007年和2008年走高外，總體呈逐年降低趨勢，變異程度最高的為2008年的176.29%，最低的為2012年的76.28%。

2.2.1 不同監(jiān)測時(shí)期井深小于或等于30 m地下水硝酸鹽含量變化 從不同監(jiān)測時(shí)期結(jié)果（圖4）看，地下水硝酸鹽含量總體趨勢較為平穩(wěn)（除2011年雨季前外），變化幅度在16.90～68.00 mg/L之間，超標(biāo)的有10個(gè)監(jiān)測時(shí)期，達(dá)標(biāo)的有5個(gè)，超標(biāo)的多于達(dá)標(biāo)的。除2009年外，雨季前的地下水硝酸鹽含量均高于雨季后的。各監(jiān)測時(shí)期變異系數(shù)呈逐年下降的趨勢，說明其變異程度也在下降，監(jiān)測時(shí)期變異系數(shù)均在63.18%～166.73%之間。

2.2.2 不同監(jiān)測時(shí)期井深小于或等于30 m地下水硝酸鹽含量與超標(biāo)率變化 不同監(jiān)測時(shí)期硝酸鹽含量與超標(biāo)率結(jié)果表明（圖5），20 mg/L的超標(biāo)率在23.44%～78.63%之間，超標(biāo)幅度呈上升趨勢，其平均超標(biāo)率達(dá)到了45.06%。超標(biāo)率最高的為2011年的雨季前時(shí)期，其次為2009年雨季前的。20 mg/L超標(biāo)率和地下水硝酸鹽含量曲線軌跡幾乎一致。由此可見，同一時(shí)期地下水硝酸鹽含量與20 mg/L超標(biāo)率相關(guān)性較大。

2.3 井深30～100 m地下水硝酸鹽含量變化特征

從總體情況（圖6）可以看出，地下水硝酸鹽含量整體呈逐年升高的趨勢，各年硝酸鹽平均含量范圍在4.80～20.23 mg/L之間，超標(biāo)的只有2011年的20.23 mg/L，其余年度均達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，但逐年升高的趨勢表明，30～100 m地下水硝酸鹽含量已經(jīng)有超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。其變異系數(shù)處于75.13%～296.63%之間，除2005年外整體較為平穩(wěn)，變化不大。

2.3.1 不同監(jiān)測時(shí)期井深30～100 m地下水硝酸鹽含量變化 各監(jiān)測時(shí)期地下水硝酸鹽平均含量為4.80～21.00 mg/L，只有2011年雨季后超標(biāo)，雨季前和雨季后無明顯的規(guī)律性，整體呈平穩(wěn)態(tài)勢。變異系數(shù)除2005年雨季前變異程度最大外，總體也較為平穩(wěn)，變異系數(shù)在63.98%～135.82%之間（圖7）。

2.3.2 不同監(jiān)測時(shí)期井深30 m～100 m地下水硝酸鹽含量與超標(biāo)率變化 各監(jiān)測地下水硝酸鹽含量超標(biāo)率范圍在3.64%～43.86%之間，其超標(biāo)率和硝酸鹽含量平均值曲線趨勢幾乎一致，整體超標(biāo)率有上升的趨勢，說明各監(jiān)測時(shí)期的硝酸鹽含量和其超標(biāo)率有較大相關(guān)性（圖8）。

2.4 井深大于100 m地下水硝酸鹽含量變化特征

2.4.1 不同監(jiān)測時(shí)期井深大于100 m地下水硝酸鹽含量變化 2009年硝酸鹽含量最低為2.33 mg/L，2006的最高為4.60 mg/L，監(jiān)測期間地下水硝酸鹽平均含量為3.48 mg/L，達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ水標(biāo)準(zhǔn)，總體變化幅度較小，相對穩(wěn)定。其變異系數(shù)范圍為42.65%～133.68%，2009年的變異程度高于其他年份（圖9）。

2.4.2 不同監(jiān)測時(shí)期井深大于100 m地下水硝酸鹽含量變化 不同監(jiān)測時(shí)期結(jié)果表明（圖10），硝酸鹽含量峰值為2006年雨季后的4.49 mg/L，最低值為2009年雨季后的0.94 mg/L，相差幅度為3.55 mg/L，變化幅度較小，相對穩(wěn)定，各監(jiān)測時(shí)期均達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ類水要求。其變異系數(shù)出現(xiàn)2個(gè)高峰值，分別為2009年雨季后的133.69%和2012年雨季前的131.82%，變異程度高于其他監(jiān)測時(shí)期。其20 mg/L超標(biāo)率為0。由此可見，研究區(qū)域內(nèi)井深超過100 m的地下水硝酸鹽含量較低，受其他因素影響最小。

3 小結(jié)與討論

在遼河流域典型農(nóng)區(qū)調(diào)查的2 839個(gè)井次的地下水樣品中，其硝酸鹽平均含量為22.75 mg/L，超出國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（20 mg/L），達(dá)標(biāo)年份大于超標(biāo)年份，但硝酸鹽含量呈逐年上升的趨勢，超標(biāo)可能性進(jìn)一步加大，各監(jiān)測時(shí)期變異系數(shù)總體較為平穩(wěn)。不同井深地下水硝酸鹽含量差異明顯，井深小于或等于30 m的27.38 mg/L>井深30～100 m的14.19 mg/L>井深大于100 m的3.48 mg/L，隨著井深的深度增加，地下水硝酸鹽含量逐漸降低。井深小于或等于30 m地下水硝酸鹽含量達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的年份較少，雨季前的硝酸鹽含量均高于雨季后的，同一時(shí)期地下水硝酸鹽含量與20超標(biāo)率相關(guān)性較大。井深30～100 m地下水硝酸鹽含量除2011年外均達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但總體呈逐年升高的趨勢，其硝酸鹽含量已經(jīng)有超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，各監(jiān)測時(shí)期的硝酸鹽含量和超標(biāo)率也有較大相關(guān)性。井深大于100 m地下水硝酸鹽平均含量能達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，總體變化幅度較小，其20 mg/L超標(biāo)率為0，研究區(qū)域內(nèi)硝酸鹽含量較低，受其他因素影響小。

地下水硝酸鹽含量的影響因素不僅僅局限于采樣井深[15]，還要兼顧到采樣周圍的地形地貌、水文、地質(zhì)等環(huán)境因素，區(qū)域降雨量等自然因素，農(nóng)區(qū)種植類型、灌溉、施肥等人為因素，特別是集約型農(nóng)區(qū)受人為因素影響較大[16]，應(yīng)考慮其綜合因素進(jìn)行研究，由于本研究可獲數(shù)據(jù)的局限性，其他影響因素有待以后的研究中逐漸完善。

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