王嘉琦，鄧浩亮

（河西學(xué)院土木工程學(xué)院/河西走廊水資源保護(hù)利用研究所 甘肅，張掖 734000)

張掖市位于河西走廊中部，以張掖市城區(qū)及周邊集約化農(nóng)區(qū)為主要研究區(qū)域，總面積約為110km。該范圍內(nèi)兩條河流穿過，其一為祁連山發(fā)源的黑河流經(jīng)城西至正北方向，其次為山丹河，方向?yàn)槌潜毕蛭鞅?。農(nóng)作物主要以玉米、小麥和稻谷等為主，相較于工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，農(nóng)業(yè)則為主要產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，人口分布較為均勻，但近年人口增長速度加快，地下水過量開采以及工業(yè)污水的違規(guī)排放、耕地的過分開發(fā)等情況加劇了地下水的污染程度，加速了地下水的硝態(tài)氮的污染，使點(diǎn)源污染擴(kuò)散到面源污染。在研究區(qū)中，西部的地下水類型為單一型大厚度砂礫卵石孔隙潛水，多層性砂礫石潛水——承壓水為東部主要類型，表層以亞砂土與亞粘土覆蓋為主，城北區(qū)域大多為湖沼沉積層。通過實(shí)地考察，以集約化農(nóng)區(qū)為研究區(qū)域，結(jié)合降雨前后時(shí)間段采集數(shù)據(jù)，確保采集到的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行客觀分析。按照國家《水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，采樣點(diǎn)通過GPS定位，以地下50cm為抽汲水準(zhǔn)，將采集到的樣品進(jìn)行編號(hào)排列進(jìn)行分析，整合數(shù)據(jù)，完成資源獲取。

1 地下水的污染形式與危害

1.1 地下水硝酸鹽的主要來源與污染形式

地下水資源被污染具有一定的復(fù)雜性與特征性，主要污染來源包括生活污水、大氣層內(nèi)氮的沉降、牲畜禽養(yǎng)殖以及化肥有機(jī)肥等多種來源。同時(shí)地下水硝酸鹽也出現(xiàn)多源性特點(diǎn)，污染類型分為兩大類：點(diǎn)源型與非點(diǎn)源型。工業(yè)污水，城市居民污水，污水管道泄露等屬于點(diǎn)源污染；非點(diǎn)源污染包括污水灌溉、化肥有機(jī)肥的施用、建筑工地地表污染等。非污染源相較于點(diǎn)源污染，污染面積更為廣泛且更難于治理。污染的遷移與轉(zhuǎn)化過程以物理、化學(xué)變化為主：物理過程包含補(bǔ)給速率、水文遷徙等：化學(xué)變化以礦物組成和氧還反應(yīng)為主。大多數(shù)研究結(jié)果顯示施氮量過高，水分輸入量大以及土壤的進(jìn)水效率較高，孔隙率高或缺少氮消減的環(huán)節(jié)，都會(huì)造成氮含量過高造成地下水硝酸鹽含量超標(biāo)?？沙掷m(xù)利用地下水資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。地下水污染具有隨機(jī)性、不確定性、復(fù)雜性以及滯后性。在水資源的循環(huán)過程中，氮元素會(huì)經(jīng)過一系列硝化、氨化等化學(xué)反應(yīng)，逐步的擴(kuò)大硝酸鹽的污染范圍，控制難度也逐步加大。

1.2 地下水硝酸鹽污染危害

1.2.1 硝酸鹽對人體的危害 適量的硝酸鹽對人體不會(huì)造成直接的損害，其本身也為一種自然界所存在的物質(zhì)，但經(jīng)過與人體環(huán)境相反應(yīng)的階段后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷θ梭w有直接傷害的亞硝態(tài)氮。血液內(nèi)血色素與亞硝酸鹽以1:2的方式結(jié)合會(huì)形成高鐵血紅蛋白，該種物質(zhì)是一種血液病，在酸性條件下，高鐵血紅蛋白促進(jìn)硝酸根離子與亞硝酸離子的轉(zhuǎn)化，加快了反應(yīng)速度。該種情況下，血紅細(xì)胞對氧份的正常吸收被阻礙，導(dǎo)致嬰兒窒息死亡。成年人同樣易被該類物質(zhì)誘發(fā)肝癌、食管癌以及胃癌等，嚴(yán)重威脅到人類的身體健康。自“硝酸鹽亞硝酸鹽中毒”研究時(shí)期開始，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽經(jīng)過一系列變化轉(zhuǎn)化為亞硝胺，作為強(qiáng)致癌物質(zhì)，過量的硝酸鹽以及亞硝酸鹽極易誘發(fā)胃癌等疾病。

1.2.2 硝酸鹽對作物的影響與危害 氮元素是作物生長發(fā)育過程中必不可少且需求含量最高的生長元素，導(dǎo)致氮肥成為多種肥料中選擇數(shù)量最大的肥料。但在施用氮肥的同時(shí)，作物對于氮的利用效率僅僅只有30%左右，大量的氮肥殘留在土壤中，通過各種途徑轉(zhuǎn)移到其他環(huán)境當(dāng)中，擴(kuò)大了污染面積。當(dāng)?shù)卦谕寥篮退修D(zhuǎn)化為硝酸鹽時(shí)，飼料作物大量吸收并累積，并且在一定條件下釋放出NO等氣體，可能會(huì)導(dǎo)致禽類家畜吸入過量有害氣體死亡。如果用硝酸鹽超標(biāo)的飼料飼養(yǎng)牲畜會(huì)導(dǎo)致急性中毒，嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致死亡。

2 張掖市周邊集約化農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽污染的主要成因分析及危害

2.1 施肥污染

農(nóng)村地下水污染占比較大的便是農(nóng)田施肥對地下水的影響。作物在生長過程中需要多次施肥，以此來增加土壤肥力，保證其正常生長。農(nóng)田肥料除以動(dòng)物糞便為主的有機(jī)肥外，還有合成的化學(xué)肥料等。作物無法夠吸收土壤2m 以下的土壤肥力，而在農(nóng)作物播種過程中，會(huì)大量使用含有氮磷鉀等化學(xué)肥料會(huì)使得肥料內(nèi)部的化學(xué)元素不斷積累沉淀，最終通過水的滲透作用進(jìn)入地下，從而污染地下水。

2.2 農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖污染

部分農(nóng)村地區(qū)，大范圍進(jìn)行農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖，對環(huán)境和地下水的污染比較嚴(yán)重。據(jù)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)顯示，農(nóng)村畜牧業(yè)飼養(yǎng)一頭肉豬，每年形成的污染排放量相當(dāng)于10 人所有的生活污染量；而一頭牛的污染排放量可以達(dá)到25 人平均生活污染排放量。土地對污染承載量也比較大，平均每公頃承載動(dòng)物的糞便超過15t。動(dòng)物的糞便除了會(huì)污染空氣外，糞便中的氨氮、有機(jī)氮等元素還會(huì)逸出到空氣和土壤中，降雨時(shí)，隨著雨水直接進(jìn)入土壤，隨著下滲而污染地下水。

3 地下水硝態(tài)氮污染的防治

早期國外研究以美國為例，主要利用EPIC 模型評(píng)估免耕法，該方法研究表明免耕法有利于減少地下水硝態(tài)氮的污染。另有研究萵苣——冬季覆蓋物——馬鈴薯輪作利用NLEAP 模型模擬其對水質(zhì)的保護(hù)效率，研究結(jié)果體現(xiàn)該種輪作方式中，早種冬季覆蓋物提高了氮的利用率，同時(shí)降低硝態(tài)氮在土壤中的殘留，減少了硝態(tài)氮對土壤的淋溶作用，達(dá)到對地下水硝態(tài)氮防治作用。西歐國家主要應(yīng)用多種生態(tài)農(nóng)業(yè)措施，如推行環(huán)保政策，提高氮肥施肥效率，減少氮肥使用量，目的在于保持高產(chǎn)水平狀態(tài)下加強(qiáng)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的良性循環(huán)，緩解硝態(tài)氮對地下水的污染狀況。在中國科學(xué)院“九五”重大科研項(xiàng)目中，對長效碳酸氫銨的機(jī)理與效應(yīng)進(jìn)行研究，得出長效碳銨中含有DCD，可以與碳銨離解時(shí)產(chǎn)生的游離態(tài)銨形成氫鍵的特點(diǎn)，該特點(diǎn)使得在氨揮發(fā)時(shí)期土壤pH值降低0.2～0.4，大幅度減少了N 的損失。利用長效碳酸氫銨會(huì)減緩施肥后硝態(tài)氮的生成，減少了硝酸鹽對地下水的污染。同時(shí)我國利用農(nóng)業(yè)牲畜糞便、廢棄秸稈與生活垃圾等進(jìn)行堆肥，再將形成的垃圾肥添加一定比例的無機(jī)N、P、K肥，制成特定作物的有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥料。研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該種肥料施肥效率高于普通復(fù)合肥，能有效減少地下水硝態(tài)氮污染。滴灌施肥技術(shù)也對于地下水硝態(tài)氮的減輕具有重要作用。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

張掖市周邊集約化農(nóng)區(qū)地下水硝態(tài)氮污染主要由農(nóng)業(yè)化肥施肥量過度，工業(yè)廢水以及生活垃圾的非標(biāo)準(zhǔn)處理所導(dǎo)致，使得近年地下水硝態(tài)氮污染狀況加劇，威脅到了我們的身體健康。經(jīng)過查閱、分析大量國內(nèi)外對于地下水硝態(tài)氮污染的資料，得出以下結(jié)論：

有關(guān)于地下水硝態(tài)氮的主要研究其污染的遷移及轉(zhuǎn)化機(jī)理過程，污染的來源與形式，治理措施等。地下水硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化過程主要由礦化——吸附、固化、硝化和反硝化構(gòu)成：點(diǎn)源與面源污染是硝態(tài)氮的主要污染途徑。防治措施主要集中在農(nóng)業(yè)工程方面。

人類的生產(chǎn)生活極大的影響了硝態(tài)氮對地下水的污染。在對于地下水硝態(tài)氮的來源分析中，分析表明大量硝態(tài)氮來源于農(nóng)業(yè)施肥灌溉當(dāng)中，而對于垃圾填埋該類情況是否影響硝態(tài)氮污染地下水尚未進(jìn)行報(bào)道。

4.2 展望

硝酸循環(huán)遷移與土壤水分不可分離研究，注重兩者相結(jié)合，在傳統(tǒng)研究方法上進(jìn)行突破，更透徹的探究硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化機(jī)理以及改進(jìn)防治措施。

氮的轉(zhuǎn)化與地下水硝態(tài)氮污染需要從微觀角度來探究，但研究時(shí)影響因素較多，如人類活動(dòng)，土地類型等。

在研究硝態(tài)氮對地下水的研究時(shí)，需要結(jié)合多種農(nóng)業(yè)生態(tài)，糧食種植，城市環(huán)境等宏觀因素。地下水硝態(tài)氮污染的遷移與平衡對人類生活影響是全球性問題。