郇 環(huán)，張軍軍，楊 昱，馬雄飛，廉新穎，賈永鋒，姜永海*

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.廣東省地質(zhì)局，廣州 510080；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

近幾十年來，NO-3-N作為世界范圍內(nèi)地下水中最為普遍的污染因子[1-3]，對人體健康造成了一定威脅和危害[4]。地下水具有一定的自凈能力，其中凈化NO-3-N的主要機(jī)制為反硝化作用[5]。含水層中的反硝化作用是NO-3-N在微生物作用下轉(zhuǎn)化為N2O或N2的過程[6]。反硝化作用強(qiáng)度越大，地下水中硝酸鹽的自凈能力越強(qiáng)。因此，掌握含水層中的反硝化作用強(qiáng)度及其影響因素，可為地下水硝酸鹽污染防控和修復(fù)提供重要理論依據(jù)。

反硝化作用強(qiáng)度可由反硝化速率或反硝化潛力表征。國內(nèi)外地下水中的反硝化作用強(qiáng)度研究一直以人為添加硝態(tài)氮的控制性試驗(yàn)為主，因此目前研究成果以反硝化潛力為主，反硝化速率的測定研究相對較少。地下水反硝化作用強(qiáng)度的測定研究相比于土壤要少得多，且在國外研究較多，國內(nèi)仍處于起步階段。目前國內(nèi)外研究者大多通過培養(yǎng)或模擬含水層材料等室內(nèi)試驗(yàn)[7-10]或利用地下水井原位試驗(yàn)[11-12]等方式來實(shí)現(xiàn)。反硝化作用試驗(yàn)以野外原位試驗(yàn)居多，其中地下水井抽注試驗(yàn)最為常見[13-14]。原位抽注試驗(yàn)通過對比NO-3-N消耗過程與Br-、SF6[15-16]等普通示蹤劑穿透曲線之間的關(guān)系[17-20]，或利用15N同位素示蹤計(jì)算反硝化產(chǎn)物速率等方式[11，21]得到反硝化強(qiáng)度值。試驗(yàn)過程中涉及的研究方法包括乙炔抑制法[22]、同位素稀釋法和氣壓過程分離法等[16]。用于野外原位反硝化試驗(yàn)的地下水井包括傳統(tǒng)常規(guī)監(jiān)測井、多級監(jiān)測井[23]以及有水力聯(lián)系的多個(gè)循環(huán)井[24]等類型。

水文地質(zhì)條件普遍存在明顯的垂向變化，不同含水介質(zhì)類型和不同取樣深度上發(fā)生反硝化作用的水化學(xué)環(huán)境不同，這些條件對反硝化作用強(qiáng)度有著重要影響。深層地下水的水文地質(zhì)條件更復(fù)雜（如斷層構(gòu)造導(dǎo)致的高滲透性或優(yōu)先流）[25]，且進(jìn)行無擾動采樣試驗(yàn)的難度很大，導(dǎo)致開展反硝化作用試驗(yàn)研究的難度非常大。因此，目前地下水反硝化作用的垂向空間分布規(guī)律尚不明了。Korom[26]曾對經(jīng)典的室內(nèi)外試驗(yàn)測定的反硝化速率結(jié)果進(jìn)行了簡單總結(jié)，研究成果截止到上世紀(jì)90年代初，因此也缺乏全面的含水介質(zhì)類型下的反硝化強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析。

整合分析是在同一研究主題下對不同研究成果的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和綜合分析[27-28]。本研究擬通過對目前國內(nèi)外已有的地下水反硝化強(qiáng)度的研究成果進(jìn)行整合分析，從宏觀上掌握不同含水介質(zhì)和不同深度上地下水反硝化強(qiáng)度的取值范圍和分布規(guī)律，從微觀上明確不同含水層環(huán)境因子對地下水反硝化強(qiáng)度的影響程度。研究結(jié)果可為地下水中硝酸鹽轉(zhuǎn)化過程機(jī)理研究、地下水硝酸鹽污染防控與修復(fù)等領(lǐng)域提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和質(zhì)量控制

同時(shí)以“地下水”和“反硝化”為主題，在中國知網(wǎng)、維普科技期刊數(shù)據(jù)庫、Web of Science（核心庫）中對1957—2017年間發(fā)表的論文進(jìn)行檢索，共獲得論文3185篇，其中與地下水反硝化強(qiáng)度有關(guān)的論文有740篇，包括中文論文485篇，英文論文255篇。篩選得到與地下水反硝化強(qiáng)度研究密切相關(guān)的文獻(xiàn)共38篇，涉及國內(nèi)外22個(gè)研究區(qū)，文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)為（1）具有明確的反硝化速率或反硝化潛力數(shù)據(jù)，或包括可解析計(jì)算反硝化作用強(qiáng)度的圖片或表格；（2）含有含水介質(zhì)類型、試驗(yàn)取樣地點(diǎn)、采樣深度、溶解氧等地下水背景理化性質(zhì)等信息。從這些文獻(xiàn)中共提取獲得80組地下水反硝化強(qiáng)度數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的地下水理化性質(zhì)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)信息見表1。所選文獻(xiàn)涉及的反硝化強(qiáng)度單位以μg·kg-1·d-1為主，個(gè)別單位為 mg·kg-1·a-1，后者乘以（365/1000）即可統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化為前者。反硝化強(qiáng)度單位意義指單位時(shí)間內(nèi)在單位質(zhì)量含水介質(zhì)中硝態(tài)氮發(fā)生反硝化作用的凈減量。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

本次研究的技術(shù)路線見圖1。首先對已獲得的地下水反硝化強(qiáng)度與理化性質(zhì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行整理和標(biāo)準(zhǔn)化。其次，總結(jié)各類典型含水介質(zhì)中的反硝化強(qiáng)度取值范圍。然后，對不同取樣深度的反硝化強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)反硝化強(qiáng)度的垂向空間分布規(guī)律。最后，重點(diǎn)探討不同取樣深度和溶解氧（Dissolved oxygen，DO）濃度分級條件下反硝化強(qiáng)度的影響因素。

表1 所獲數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息Table 1 Statistics of the data related to denitrification

圖1 技術(shù)路線圖Figure 1 Technical flowchart

2 結(jié)果與討論

2.1 不同含水介質(zhì)中的反硝化強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析

本研究在Korom總結(jié)基礎(chǔ)上，完善統(tǒng)計(jì)了室內(nèi)和野外原位不同試驗(yàn)條件下不同含水介質(zhì)中的反硝化強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，見表2和表3。對典型含水介質(zhì)類型下的反硝化強(qiáng)度進(jìn)行歸類后可知，黏土和粉土約730 μg·kg-1·d-1；砂壤土和壤砂土為1～330 μg·kg-1·d-1；細(xì)砂為 0.1～193 μg·kg-1·d-1；粗砂為 9～200 μg·kg-1·d-1；砂為190～3100 μg·kg-1·d-1；砂礫石為1.83～283.6 μg·kg-1·d-1，甚至可達(dá)到 7646 μg·kg-1·d-1[29]；砂卵石層中的反硝化強(qiáng)度為 4～82 μg·kg-1·d-1；碎石夾黏土為100～440 μg·kg-1·d-1；砂巖和頁巖為 9.2～470 μg·kg-1·d-1；灰?guī)r為 1.4～6.4 μg·kg-1·d-1。部分研究表明，不同的含水介質(zhì)有著不同的顆粒大小和粒間孔隙，孔隙過小可能會抑制反硝化微生物的生長，并影響其運(yùn)移[30]；也有學(xué)者認(rèn)為小孔隙（大約50 μm）不會對微生物的生長造成影響，而地下水流速才是抑制微生物膜生長的原因[31]。因此，粒間孔隙對于反硝化強(qiáng)度的影響還不確定，含水介質(zhì)類型與反硝化強(qiáng)度之間未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。

表2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測定的地下水反硝化強(qiáng)度Table 2 Groundwater denitrification intensity measured by laboratory experiment

2.2 不同取樣深度下的反硝化強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析

不同取樣深度下地下水中反硝化強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表4。結(jié)果表明，反硝化強(qiáng)度值在12～22 m區(qū)間內(nèi)達(dá)到峰值107.69 μg·kg-1·d-1，高于0～12 m和＞22 m區(qū)間內(nèi)的反硝化強(qiáng)度，反硝化強(qiáng)度沿含水層垂向上先逐漸增大后大幅減小，在某深度處存在峰值。Jah?angir等[23]的反硝化試驗(yàn)研究得出下層土與基巖接觸帶的地下水反硝化強(qiáng)度高于該深度的下層土及低于該深度的基巖所對應(yīng)的反硝化強(qiáng)度；Weymann等[9]開展的室內(nèi)試驗(yàn)觀察到自養(yǎng)區(qū)（地面以下6.5～7 m）的NO-3去除強(qiáng)度明顯高于淺層區(qū)域（地面以下1.5～4 m）。這均與本研究結(jié)論基本一致。

2.3 含水層反硝化強(qiáng)度的影響因素分析

含水層反硝化強(qiáng)度的影響因素包括NO-3-N濃度、DO濃度、營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素、Eh、pH、溫度、含水介質(zhì)孔隙、微生物活性、鹽度和抑制物質(zhì)等[42]。含水層中不同深度的水文地球化學(xué)環(huán)境不同，對于使反硝化作用發(fā)生的DO濃度限值的認(rèn)識也并不一致[23，43-45]。因此，本研究根據(jù)不同取樣深度和DO濃度分級研究了反硝化作用強(qiáng)度的影響因素。參照某一反硝化試驗(yàn)場地[23]的情況，取樣深度分為0～6、6～12、12～22 m和＞22 m四個(gè)等級。結(jié)合前人的研究成果將DO濃度分成0～0.2、0.2～2、2～6 mg·L-1和＞6 mg·L-1四個(gè)等級。

表3 野外抽注實(shí)驗(yàn)測定的地下水反硝化強(qiáng)度Table 3 Groundwater denitrification intensity measured by field experiment

2.3.1 不同取樣深度反硝化作用強(qiáng)度的影響因素

為識別不同深度下的地下水反硝化強(qiáng)度的主要影響因素，采用Spearman等級相關(guān)性系數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算結(jié)果見表5。結(jié)果表明，取樣深度為0～6 m時(shí)，反硝化強(qiáng)度與地下水位埋深（0.03～4.2 m）、NO-3-N濃度（0.40～27.59 mg·L-1）、DO 濃度（0.60～9.51 mg·L-1）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與溫度（12.0～21.4℃）和有機(jī)碳濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。推測對于淺層含水層，以異養(yǎng)反硝化作用為主，有機(jī)碳濃度是影響反硝化強(qiáng)度的主導(dǎo)因素，有機(jī)碳為反硝化微生物的生長和新陳代謝提供了足夠的能量，其含量越高，反硝化強(qiáng)度越大。地下水位埋深越大，淋濾進(jìn)入地下水的有機(jī)碳含量越低，不利于反硝化作用的進(jìn)行。NO-3-N濃度過高時(shí)，會抑制N2的生成而導(dǎo)致N2O不斷累積，不利于反硝化作用的進(jìn)行[46]。當(dāng)DO濃度較高時(shí)，分子態(tài)氧成為NO-3-N的競爭性電子受體氧化分解有機(jī)物，不利于反硝化作用的進(jìn)行。溫度主要通過影響反硝化微生物的活性來影響反硝化強(qiáng)度，12.0～21.4℃處于微生物生存的適宜范圍。取樣深度為6～12 m時(shí)，有機(jī)碳濃度（437.95～1 488.87 mg·L-1）仍是影響反硝化強(qiáng)度的主導(dǎo)因素，二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系。取樣深度為12～22 m時(shí)，反硝化強(qiáng)度與NO-3-N濃度（0.63～12.6 mg·L-1）呈顯著負(fù)相關(guān)。當(dāng)取樣深度大于22 m時(shí)，Eh（-24～276 mV）通過影響地下水中可溶性離子的存在形式成為影響反硝化強(qiáng)度的主導(dǎo)因素，二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 不同取樣深度下的地下水反硝化強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表（μg·kg-1·d-1）Table 4 Statistical of groundwater denitrification intensity under different sampling depths（μg·kg-1·d-1）

表5 不同取樣深度下反硝化強(qiáng)度和理化性質(zhì)之間的Spearman相關(guān)性分析Table 5 Spearman correlation analysis between denitrification intensity and physicochemical properties at different sampling depths

2.3.2 不同DO濃度等級反硝化作用強(qiáng)度的影響因素

表6統(tǒng)計(jì)了不同DO濃度等級下的地下水反硝化強(qiáng)度。結(jié)果表明，DO濃度為0.2～2 mg·L-1時(shí)反硝化強(qiáng)度最大，均值可達(dá)90.94 μg·kg-1·d-1；濃度為2～6 mg·L-1時(shí)反硝化強(qiáng)度次之，可達(dá)51.26 μg·kg-1·d-1；DO濃度大于6 mg·L-1時(shí)反硝化強(qiáng)度值明顯降低，均值為10.60 μg·kg-1·d-1。這三個(gè)DO濃度范圍的反硝化強(qiáng)度符合兩者之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系的普遍規(guī)律。但當(dāng)DO濃度小于0.2 mg·L-1時(shí)，反硝化強(qiáng)度值最低，均值為5.91 μg·kg-1·d-1，與前人[45]研究得到的該濃度下的反硝化強(qiáng)度最為理想的結(jié)論不一致。原因是DO濃度為0～0.2 mg·L-1的10個(gè)樣本的采樣深度由5 m變化至66.5 m，跨度較大，數(shù)據(jù)的代表性可能不強(qiáng)。

為進(jìn)一步了解在不同DO濃度下，影響反硝化強(qiáng)度的主要環(huán)境因素，本文分析了其他理化性質(zhì)與反硝化強(qiáng)度的相關(guān)性，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表7。結(jié)果表明，DO濃度為0～0.2 mg·L-1時(shí)反硝化強(qiáng)度與SO24（-5.10～52.03 mg·L-1）呈不顯著正相關(guān)關(guān)系，可能以自養(yǎng)反硝化作用為主；DO濃度為0.2～2 mg·L-1時(shí)反硝化強(qiáng)度與取樣深度、地下水位埋深、NO-3-N濃度和Eh均呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；DO濃度介于2～6 mg·L-1時(shí)，反硝化強(qiáng)度與取樣深度（0.65～3 m）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與溫度（12～18.6℃）呈顯著正相關(guān)；DO濃度大于6 mg·L-1時(shí)地下水屬強(qiáng)氧化環(huán)境，反硝化強(qiáng)度與Eh（163～387 mV）之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表6 不同DO濃度下的地下水反硝化強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表（μg·kg-1·d-1）Table 6 Statistics of groundwater denitrification intensity under different DO concentrations（μg·kg-1·d-1）

表7 不同DO濃度下反硝化強(qiáng)度和其他理化性質(zhì)之間的Spearman相關(guān)性Table 7 Spearman correlation between denitrification intensity and other physicochemical properties at different DO concentrations

2.4 統(tǒng)計(jì)結(jié)果的不確定性分析

本次研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在一定不確定性，主要來自于試驗(yàn)方法、計(jì)算方法和統(tǒng)計(jì)過程等方面。

（1）不同研究區(qū)所采用的反硝化強(qiáng)度測定方法不同。本文所統(tǒng)計(jì)的反硝化強(qiáng)度數(shù)據(jù)來自于室內(nèi)試驗(yàn)和野外試驗(yàn)。其中，室內(nèi)試驗(yàn)易創(chuàng)造嚴(yán)格的厭氧環(huán)境而使反硝化強(qiáng)度被高估[26]，相比來說，野外試驗(yàn)得到的反硝化強(qiáng)度結(jié)果更接近真實(shí)值。由于不同水文地質(zhì)條件下地下水水流速度的差異，不同類型的反硝化微生物對于外加硝酸鹽溶液的適應(yīng)能力的不同，大多野外試驗(yàn)均開展預(yù)試驗(yàn)以確定反硝化試驗(yàn)溶液在地下水井的培養(yǎng)時(shí)間，過早或過晚抽出都會影響試驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)時(shí)間幾小時(shí)到幾天不等[23]。

（2）不同研究區(qū)所采用的反硝化強(qiáng)度計(jì)算方法不同。一是本文所統(tǒng)計(jì)的反硝化強(qiáng)度測定試驗(yàn)多以反硝化作用產(chǎn)物N2O和N2進(jìn)行反算，而忽略了中間產(chǎn)物NO-2和NO，使得反硝化強(qiáng)度被低估[16]。不同研究者采用的N2O收集方法有所差異，其操作規(guī)范程度[47]以及產(chǎn)物N2和空氣中N2的區(qū)分情況也都可能影響計(jì)算結(jié)果。二是部分文獻(xiàn)忽略了含水層中存在的稀釋、平流和彌散等物理過程，使得反硝化強(qiáng)度被低估[48]。三是計(jì)算反硝化強(qiáng)度常采用15N同位素示蹤法或基于Br-、SF6等示蹤劑的濃度穿透曲線法，兩種計(jì)算精度不同，其中15N方法高于Br-和SF6方法[7，11]。15N同位素示蹤法是將地下水反硝化作用最終產(chǎn)物生成速率表征為反硝化強(qiáng)度，如下式所示[23]。

式中：Rdef表示地下水反硝化強(qiáng)度，μg·kg-1·d-1；M（15N2O-N）+M（15N2-N）表示反硝化反應(yīng)后單位體積水中含有的產(chǎn)物N2O和N2的總質(zhì)量，μg；DMS表示單位體積含水介質(zhì)的干質(zhì)量，kg；T表示反硝化反應(yīng)時(shí)間，d。

濃度穿透曲線計(jì)算法是通過測定示蹤劑Br-或SF6濃度、反應(yīng)物的殘留量（NO-3）和可能產(chǎn)物（如NO-2、NO、N2O、N2）的濃度，繪制成濃度穿透曲線[20（]圖2）。惰性離子或氣體示蹤劑用于計(jì)算C/C0，其中C表示注入井水后不同時(shí)間段的示蹤劑濃度，C0表示注入井水前的示蹤劑濃度。

圖2 用于計(jì)算反硝化強(qiáng)度的濃度穿透曲線圖Figure 2 Concentration breakthrough curve for calculating the denitrification intensity

（3）取樣深度和DO濃度所采用的劃分方法具有一定的主觀性。

3 結(jié)論

（1）大多含水介質(zhì)中的反硝化強(qiáng)度處于10-1～102μg·kg-1·d-1量級范圍內(nèi)，個(gè)別砂、砂礫石含水介質(zhì)可以達(dá)到103μg·kg-1·d-1量級范圍。含水介質(zhì)粒間孔隙大小與反硝化強(qiáng)度未呈明顯相關(guān)關(guān)系。

（2）反硝化強(qiáng)度沿含水層垂向上先逐漸增大后顯著減小，在某深度處存在峰值。但由于含水介質(zhì)等的不同，峰值對應(yīng)的深度存在明顯的區(qū)域差異。對于淺層含水層有機(jī)碳豐富的區(qū)域，以異養(yǎng)反硝化作用為主。反硝化強(qiáng)度主要受有機(jī)碳濃度影響，同時(shí)受NO3--N濃度、DO濃度、地下水位埋深、溫度等因素影響較大。在深層含水層中，反硝化強(qiáng)度主要受Eh值影響。

（3）DO濃度與反硝化強(qiáng)度值整體符合負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)DO濃度介于2～6 mg·L-1時(shí)，反硝化強(qiáng)度與取樣深度呈顯著負(fù)相關(guān)，與溫度呈顯著正相關(guān)；當(dāng)DO濃度大于6 mg·L-1時(shí)，Eh是反硝化強(qiáng)度的主導(dǎo)因素。

4 展望

目前，含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)、實(shí)際水文地質(zhì)狀況和水化學(xué)環(huán)境復(fù)雜、采樣過程難度大等原因造成國內(nèi)外含水層中反硝化強(qiáng)度研究成果相對較少。近十年，隨著同位素技術(shù)、微生物技術(shù)和地下水采樣技術(shù)的提升以及分子生物學(xué)、污染水文地質(zhì)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，研究重心從室內(nèi)試驗(yàn)轉(zhuǎn)向野外原位定量試驗(yàn)?；谠擃I(lǐng)域當(dāng)前發(fā)展水平下獲取的數(shù)據(jù)和認(rèn)識還比較有限，很多問題仍需進(jìn)一步研究：

（1）當(dāng)前的反硝化強(qiáng)度研究以控制性試驗(yàn)為主，測定的反硝化潛力是在添加外源硝態(tài)氮的條件下獲得的，為了能夠更加客觀確定含水層中反硝化強(qiáng)度，需加強(qiáng)直接測定反硝化速率的試驗(yàn)研究。

（2）目前在野外原位反硝化強(qiáng)度測定試驗(yàn)中多以單井抽注試驗(yàn)為主，為了更好地揭示含水層中硝酸鹽衰減規(guī)律，需加強(qiáng)開展多井抽注試驗(yàn)。

（3）含水層中硝酸鹽發(fā)生反硝化作用的必備條件有三個(gè)，一是存在硝酸鹽、反硝化微生物和電子供體（如有機(jī)碳、還原性鐵/硫等），二是厭氧或半?yún)捬鯛顟B(tài)，三是有利的環(huán)境條件，如適宜的溫度、pH、鹽度、硝酸鹽濃度、含水介質(zhì)等[42]。因此，應(yīng)加強(qiáng)含水介質(zhì)孔隙、阻礙反硝化作用的其他物質(zhì)（如重金屬、殺蟲劑和農(nóng)藥等[49]）和微生物活性[50]對地下水中反硝化強(qiáng)度的影響研究。特別是，對于反硝化作用中有效微生物的代謝途徑和特定微生物的特性仍不清楚[51]，加強(qiáng)反硝化微生物試驗(yàn)有利于探索影響反硝化作用的更深層次的因素。

（4）隨著全球范圍內(nèi)對糧食和能源日益增長的需求，人為投入的氮極大地改變了氮的生物地球化學(xué)循環(huán)，過量的氮素投入導(dǎo)致地下水硝酸鹽含量超標(biāo)等環(huán)境問題，因此量化研究地下水中的氮循環(huán)過程是區(qū)域環(huán)境和人類健康的重要議題[52]。含水層反硝化過程是全球氮循環(huán)過程中的重要組成部分，反硝化過程產(chǎn)生的N2、NO和N2O是氮支出比例最高的去向[53]，因此加強(qiáng)含水層反硝化強(qiáng)度精確定量研究，進(jìn)一步研究地下水氮素輸出量，對保護(hù)水生態(tài)環(huán)境、保持大尺度及全球氮循環(huán)動態(tài)平衡具有重要意義。