肖亞奇

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

1 概述

近年來，焉耆盆地內(nèi)地下水的過度利用及氮肥的大量施用使得地下水中硝態(tài)氮含量面臨著快速增加的風(fēng)險(xiǎn)。硝態(tài)氮淋失是旱地土壤氮素?fù)p失的一個(gè)重要途徑，是導(dǎo)致區(qū)域性地下水硝酸鹽污染的重要原因[1]，受到土壤質(zhì)地、水文地質(zhì)條件等自然因素和灌溉施肥、土地利用方式及地下水資源開發(fā)等人為因素的綜合影響，由于淋洗到地下水的硝態(tài)氮存在巨大的危害性和難治理性，因此，明晰灌區(qū)硝態(tài)氮淋失遷移因素及污染情況，對(duì)改善綠洲農(nóng)田環(huán)境，控制地下水污染及保護(hù)居民生活健康有重要意義。早在20世紀(jì)80～90年代，一些發(fā)達(dá)國家已開始通過限定氮肥的施用量來控制地下水氮污染問題[2]?；趯?duì)環(huán)境問題的關(guān)注，近年來對(duì)區(qū)域氮平衡及施用氮肥造成地下水污染風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)成為我國農(nóng)業(yè)與環(huán)境研究的熱點(diǎn)[3]。由于干旱半干旱地區(qū)降雨較少，早期普遍認(rèn)為這種氣候條件下的硝態(tài)氮淋洗損失很少。然而越來越多的證據(jù)表明[4]，在旱地土壤硝態(tài)氮大量累積的情況下，其淋洗程度主要受到施肥和灌溉強(qiáng)度的影響。因此，硝態(tài)氮淋洗也是旱地土壤氮素?fù)p失的一個(gè)重要途徑，是導(dǎo)致區(qū)域性地下水硝酸鹽污染的重要原因，已經(jīng)成為全球集約農(nóng)區(qū)重大農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境問題。明確土壤硝態(tài)氮的產(chǎn)生、淋失過程及影響因素，并進(jìn)一步提出防控措施，具有重要的農(nóng)藝價(jià)值和環(huán)境意義。在該領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了長(zhǎng)期、大量的研究，并積累了豐富的資料。本文就干旱綠洲灌區(qū)土壤硝態(tài)氮淋失情況、影響因素及對(duì)地下水污染情況作簡(jiǎn)要綜述。本文以新疆焉耆盆地綠洲灌區(qū)土壤、地下水中硝態(tài)氮為研究對(duì)象，開展典型區(qū)域的硝態(tài)氮分布特征調(diào)查與分析，旨在明晰區(qū)域淋失因素及污染情況，進(jìn)而為改善綠洲農(nóng)田環(huán)境和控制地下水污染提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

焉耆盆地綠洲灌區(qū)位于天山東段南坡(東經(jīng)85°54′58″～87°29′6″，北緯41°43′33″～42°26′17″)，行政區(qū)隸屬新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州(以下簡(jiǎn)稱巴州)的焉耆縣、博湖縣、和靜縣及和碩縣(俗稱焉耆盆地北四縣，詳見圖1)。該區(qū)在遠(yuǎn)離海洋和高山環(huán)繞的綜合影響下，具有明顯的干旱區(qū)綠洲氣候特征，即干旱少雨、冬寒夏熱、光照充足、蒸發(fā)量大等，多年平均降水量為73 mm，多年平均氣溫為8.3℃，水面蒸發(fā)能力為1 096 mm(蒸發(fā)值為折算后的E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量)。灌區(qū)內(nèi)主要是以盆地內(nèi)的最大河流開都河為主要灌溉水源，其余的則為一些較小的河流，地下水主要由上游的地表徑流補(bǔ)給形成。盆地內(nèi)灌溉引用的開都河年均徑流量約為12×108m3，剩余水量注入博斯騰湖內(nèi)作為下游農(nóng)業(yè)用水及維系湖區(qū)生態(tài)。綠洲區(qū)內(nèi)以加工番茄和色素辣椒等經(jīng)濟(jì)作物為主，同時(shí)也種植小麥、玉米。

圖1 研究區(qū)地理位置示意

2.2 樣品采集及測(cè)定

通過2016—2017年野外調(diào)查取樣，獲取研究區(qū)灌區(qū)土壤及地下水中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等的指標(biāo)信息。其中在庫爾勒灌溉試驗(yàn)站(E86°10'24″，N41°35'14″)進(jìn)行了不同灌溉定額的冬灌大田試驗(yàn)，采集冬灌前后土樣12批，每個(gè)土壤取樣點(diǎn)均采用GPS定位，利用圓鑿鉆采集土樣，0～100 cm的土層每10 cm采集一個(gè)樣，100 cm以上每20 cm取一個(gè)樣；同時(shí)調(diào)查111眼井，共取地下水樣80個(gè)。采集的樣品由新疆地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)統(tǒng)一檢測(cè)。室內(nèi)測(cè)試指標(biāo)包括簡(jiǎn)分析、pH值、電導(dǎo)率、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、顆粒分析等；現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)天檢測(cè)指標(biāo)包括溫度、溶解氧。通過T6(新世紀(jì))紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定土樣、水樣中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的濃度，土壤含水率用烘干法測(cè)定，電導(dǎo)率值則按1:5水土比配制水溶液使用雷磁DDS—307型電導(dǎo)儀測(cè)定。所采集的樣品均嚴(yán)格依據(jù)《生活飲用水檢驗(yàn)方法(GB/T 5750—2006)》、《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—1999)》所規(guī)定的方法操作[5]。

3 結(jié)果與分析

3.1 硝態(tài)氮淋失自然因素影響分析

1) 土壤質(zhì)地

焉耆盆地土壤質(zhì)地從西北到東南依次為砂礫石、亞黏土、亞砂土及粉細(xì)砂。砂礫石主要分布在和靜縣以西、和碩縣以北的山前平原地帶；亞黏土主要分布在盆地中部平原區(qū)的焉耆縣和博湖縣；亞砂土主要分布在和靜縣及和碩縣；粉細(xì)砂分布在博斯騰湖以東山前平原區(qū)[6]。

通過對(duì)檢測(cè)水樣統(tǒng)計(jì)分析可知(見表1)，研究區(qū)共檢測(cè)水樣80個(gè)，檢出率達(dá)100%，在超限值為10 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)下，超標(biāo)率共13.8%，且大部分分布在土壤質(zhì)地為砂礫石的區(qū)域(采樣點(diǎn)11個(gè)，超標(biāo)點(diǎn)6個(gè)，超標(biāo)率54.6%)，其余分布在土壤質(zhì)地為亞黏土(采樣點(diǎn)37個(gè)，超標(biāo)點(diǎn)4個(gè)，超標(biāo)率10.8%)和亞砂土(采樣點(diǎn)32個(gè)，超標(biāo)點(diǎn)1個(gè)，超標(biāo)率3.1%)的區(qū)域。由此說明盆地灌區(qū)地下水超標(biāo)點(diǎn)主要分布在土壤質(zhì)地為砂礫石的區(qū)域，其土顆粒孔隙較大易于硝態(tài)氮垂向滲透和遷移[7]。

表1 焉耆盆地地下水組分檢出率與超標(biāo)率統(tǒng)計(jì)

2) 地下水埋深

地下水硝態(tài)氮主要由地表氮污染源隨降水或灌溉經(jīng)包氣帶進(jìn)入地下水，因此入滲過程對(duì)硝態(tài)氮有較大影響。不同埋深的地下水，其硝態(tài)氮濃度差異顯著[8]。

由調(diào)查結(jié)果(見表2、圖2)可知，地下水硝態(tài)氮濃度整體隨著埋深的增加而降低。0～5 m埋深最淺，但硝態(tài)氮最高含量達(dá)到28.73 mg/L，位于焉耆縣下五號(hào)渠村，超標(biāo)率達(dá)10%，嚴(yán)重超標(biāo)率達(dá)3%；在埋深5～10 m，硝態(tài)氮平均含量達(dá)到小峰值，13個(gè)樣本平均值為3.62 mg/L，最高值為12.48 mg/L，位于和靜縣巴潤(rùn)哈爾莫頓鎮(zhèn)查汗賽爾村，超標(biāo)率達(dá)8%。說明該區(qū)域潛水(埋深0～10 m)已受到硝態(tài)氮污染。而對(duì)于埋深在100 m以上的地下水樣品，其硝態(tài)氮含量最高已達(dá)4.6 mg/L，說明硝態(tài)氮已經(jīng)淋溶至100 m以下的地下水。

表2 不同埋深地下水硝態(tài)氮含量 mg/L

圖2 不同埋深地下水硝態(tài)氮含量示意

總體趨勢(shì)是，灌區(qū)淺層地下水(埋深0～20 m)硝態(tài)氮濃度已超出國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)(超限值>10 mg/L)，超標(biāo)率達(dá)11.67%，嚴(yán)重超標(biāo)率達(dá)1.7%；中深層地下水硝態(tài)氮濃度雖未超標(biāo)，但已具有受潛在污染的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 硝態(tài)氮淋失人為因素影響分析

1) 灌水量

硝態(tài)氮的淋失取決于灌水和硝態(tài)氮濃度兩個(gè)因子[10]。根據(jù)灌水量不同在庫爾勒灌溉試驗(yàn)站的試驗(yàn)地設(shè)置6個(gè)灌水處理，灌水時(shí)間為2016年11月21日，灌水定額分別為1 200 m3/hm2、1 800 m3/hm2、2 400 m3/hm2、3 000 m3/hm2、3 600 m3/hm2、4 200 m3/hm2，試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土和砂壤土，每個(gè)灌水定額均鉆取6個(gè)0～100 cm的土樣，且間隔10 cm取1個(gè)樣。為了減少樣本的差異性且節(jié)約成本，將同一灌水定額同一層次的土樣均勻混合，標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，檢測(cè)獲得數(shù)據(jù)即為硝態(tài)氮的平均含量。將取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)比分析冬灌前后土壤硝態(tài)氮變化情況。

通過表3、圖3、圖4可知，不同定額對(duì)土壤硝態(tài)氮的淋洗效果在表層(0～10 cm)最顯著，對(duì)于中部土層(20～60 cm)范圍，不同灌溉定額下硝態(tài)氮的淋洗程度不同，中部土層的平均淋洗率為33.7%、29.6%、28.9%、14.9%、-1.6%、30.2%；對(duì)于60～100 cm土層，隨著灌溉定額的增大，硝態(tài)氮的淋洗程度差異顯著。由表3可知，不同灌溉定額對(duì)整個(gè)0～100 cm土層剖面均有不同程度的淋洗，1 800 m3/hm2、2 400 m3/hm2對(duì)整個(gè)剖面淋洗程度較明顯。

表3 不同冬灌定額下土壤硝態(tài)氮淋洗率 %

圖3 不同灌溉定額土壤硝態(tài)氮淋洗率統(tǒng)計(jì)示意

圖4 不同灌水定額土壤硝態(tài)氮含量變化特征示意

2) 施氮量

施氮量是影響硝態(tài)氮累積和淋洗的重要因素[11-12]。焉耆盆地水土資源豐富，是新疆主要的特色農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)區(qū)之一。近年來，隨著集約化生產(chǎn)模式的形成，農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收更依賴于化學(xué)肥料的投入，氮肥施用量的增加引起的負(fù)效應(yīng)已表現(xiàn)的越來越突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，盆地耕地氮肥施用量在以年均7%左右的速度增長(zhǎng)，且整個(gè)巴州氮肥施用量(折純)由1998年的7.81萬t增至2017年的19.69萬t[13]，增長(zhǎng)了1.52倍，但利用率僅有30%～40%左右，比發(fā)達(dá)國家低10%～20%。圖5為焉耆盆地1998—2017年化肥施用量和單位面積純氮施用量的變化過程。對(duì)整個(gè)盆地而言，其化肥施用量在1998年僅為2.19萬t，而2017年達(dá)到5.06萬t，增加1.31倍(見表4)，盆地單位面積平均施氮量從1998年的176 kg/hm2增加到2017年的486 kg/hm2，增加1.76倍，增長(zhǎng)速度接近線性增長(zhǎng)(見圖5)。農(nóng)田施肥對(duì)地下水的污染主要受施氮量、灌溉量和土壤質(zhì)地等綜合作用的影響[14]。

圖5 各年總施肥量及單位面積平均施氮量變化過程

表4 焉耆盆地1998—2017年化肥施用量及平均施氮量

由研究區(qū)綠洲灌區(qū)內(nèi)1996—2017年潛水硝態(tài)氮濃度年際變化(見圖6)可知，潛水硝態(tài)氮平均含量已從1996年時(shí)0.02 mg/L增加到2017年的3.45 mg/L，呈現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)。這是由于潛水與包氣帶直接相通，其濃度變化除了受土壤質(zhì)地、地下水埋深等因素影響外，主要受降水量、灌溉用水量、氮肥施用量的干擾等較大。

通常情況下，由于硝態(tài)氮不易被土壤吸附，大量的降水是引起硝態(tài)氮淋洗的主要因素，氮素淋失和降雨量成正相關(guān)[15]。焉耆盆地1998—2016年降水量總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，年平均降水量為174.38×108m3，潛水硝態(tài)氮濃度總體變化趨勢(shì)與年降水量不完全一致，2014年后出現(xiàn)隨年降雨量的增大而增大的現(xiàn)象。這說明潛水硝態(tài)氮濃度的年際動(dòng)態(tài)不只是受降水量的影響，主要還受施肥和灌溉水量的影響。農(nóng)田灌溉在干旱綠洲灌區(qū)發(fā)揮重要作用，迅速增長(zhǎng)的氮肥施用量和農(nóng)田灌溉用水量將田間累積的氮素淋洗至地下水中，從而引起硝態(tài)氮濃度的增加。

由圖6可知，單位面積施氮量與灌區(qū)潛水硝態(tài)氮濃度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，灌區(qū)平均每年每公頃土地氮肥施用量增加15.50 kg，其潛水硝態(tài)氮平均濃度增加0.22 mg/L。因此，逐年增大的氮肥是影響潛水水質(zhì)不斷惡化的重要因素。

圖6 1996—2017年潛水硝態(tài)氮濃度年際變化示意

4 結(jié)語

1) 硝態(tài)氮在土壤剖面中的淋失受土壤質(zhì)地、水位埋深、灌水量、施氮量等多種因素影響，過程較為復(fù)雜。不同埋深對(duì)地下水硝態(tài)氮濃度影響不同，總體呈現(xiàn)出硝態(tài)氮含量隨深度的增加而減少的趨勢(shì)。其中冬灌是硝態(tài)氮淋失最直接的影響，不同灌溉定額對(duì)硝態(tài)氮的淋洗效果表層較整個(gè)土壤剖面更顯著。隨著冬灌定額的增加，中部土層(20～60 cm)的平均淋洗率為33.7%、29.6%、28.9%、14.9%、-1.6%、30.2%，對(duì)于60～100 cm土層，隨著灌溉定額的增大，硝態(tài)氮的淋洗程度表現(xiàn)差異。冬灌對(duì)整個(gè)0～100 cm土層剖面均有不同程度的淋洗。

2) 逐年增大的氮肥是影響潛水水質(zhì)不斷惡化的重要因素，其正在以平均每年15.50 kg/hm2的速度迅速增加，已造成潛水硝態(tài)氮濃度每年增加0.22 mg/L的趨勢(shì)。

3) 灌區(qū)淺層地下水已受到污染，超標(biāo)率(超限值>10 mg/L)達(dá)11.67%，嚴(yán)重超標(biāo)率(超限值>20 mg/L)達(dá)1.7%，且主要分布在土壤質(zhì)地為砂礫石的區(qū)域，中深層地下水硝態(tài)氮的濃度雖未超標(biāo)，但已具有受潛在污染的風(fēng)險(xiǎn)。