遼河流域典型農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽時空變化特征

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到國家地下水質(zhì)量標準的年份較少，井深30～100 m的除2011年外均達到標準，井深大于100 m的均能達到Ⅱ類水標準，各監(jiān)測時期的硝酸鹽含量和超標率有較大相關性；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；以時間動態(tài)來看，硝酸鹽含量總體呈逐年升高的趨勢，超標可能性會進一步加大。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)種植區(qū)域；地下水；硝酸鹽；時空變化；井深；遼河流域

中圖分類號：X523 文獻標識碼：A 文章編號：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入水體，導致江河、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問題得到人們的關注，上世紀80年代開展了地下水硝酸鹽含量超標和控制措施等方面的研究[6]，為防控地下水硝酸鹽超標開辟了途徑。國內(nèi)外地下水硝酸鹽含量超標問題日益嚴峻，國外報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[7]；澳大利亞東北農(nóng)區(qū)14%～21%的井水硝酸鹽含量超標[8]，國內(nèi)學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給量占當次施肥量的24%和43%，地下水硝酸鹽含量分別達到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入到地下水中，造成地下水硝酸鹽含量超標[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)域為研究區(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)域為遼河流域典型農(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10個縣區(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肥較少，大部分只進行根茬還田，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。采樣前進行排水并反復沖洗采集瓶，采集后加少量硫酸和HgCl冷凍保存。本研究樣品共計2 839個，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的采樣井數(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雙波長測定。

1.3 評價標準

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

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)量標準的20 mg/L。其中達到國家地下水質(zhì)量標準的年份有5個，超標的有3個，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。以時間動態(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)量標準20 mg/L計算，超標36.90%，適當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，達到國家Ⅲ類水標準；井深大于100 m的平均含量3.48 mg/L，達到國家Ⅱ類水標準。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[12-14]，而隨著井的深度增加，地下水硝酸鹽含量逐漸降低?？梢?，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，2009年和2011年的嚴重超標，2005年和2010年的合格，但表現(xiàn)為瀕臨超標。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，超標的有10個監(jiān)測時期，達標的有5個，超標的多于達標的。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)測時期變異系數(shù)均在63.18%～166.73%之間。

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

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，超標的只有2011年的20.23 mg/L，其余年度均達到國家地下水質(zhì)量標準要求，但逐年升高的趨勢表明，30～100 m地下水硝酸鹽含量已經(jīng)有超標風險。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)測時期井深30～100 m地下水硝酸鹽含量變化 各監(jiān)測時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，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)測時期井深30 m～100 m地下水硝酸鹽含量與超標率變化 各監(jiān)測地下水硝酸鹽含量超標率范圍在3.64%～43.86%之間，其超標率和硝酸鹽含量平均值曲線趨勢幾乎一致，整體超標率有上升的趨勢，說明各監(jiān)測時期的硝酸鹽含量和其超標率有較大相關性（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，達到國家地下水質(zhì)量標準Ⅱ水標準，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)測時期井深大于100 m地下水硝酸鹽含量變化 不同監(jiān)測時期結(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)測時期均達到國家地下水質(zhì)量標準的Ⅱ類水要求。其變異系數(shù)出現(xiàn)2個高峰值，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)測時期。其20 mg/L超標率為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)量標準（20 mg/L），達標年份大于超標年份，但硝酸鹽含量呈逐年上升的趨勢，超標可能性進一步加大，各監(jiān)測時期變異系數(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到國家地下水質(zhì)量標準的年份較少，雨季前的硝酸鹽含量均高于雨季后的，同一時期地下水硝酸鹽含量與20超標率相關性較大。井深30～100 m地下水硝酸鹽含量除2011年外均達到國家地下水質(zhì)量標準，但總體呈逐年升高的趨勢，其硝酸鹽含量已經(jīng)有超標風險，各監(jiān)測時期的硝酸鹽含量和超標率也有較大相關性。井深大于100 m地下水硝酸鹽平均含量能達到國家地下水質(zhì)量標準Ⅱ類水標準，總體變化幅度較小，其20 mg/L超標率為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]，應考慮其綜合因素進行研究，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。

參考文獻：

[1] RASS D J，RITHIE J T，PETERSON W R.Nitrogen management impacts on yield and nitrate leaching in inbred maize systems[J].J Environ Qual，1999，28：1365-1371.

[2] SPALDING R，EXNER M E.Occurrence of nitrate in groundwater a re view[J].Environ Qual，1993，22：392-402.

[3] WASSENAAR L I.Evaluation of ehe origin and fate of nitrate in the abbotsford aquifer using ehe isotopes of 15N and 18O in NO3-[J].Applied Geochemistry，1995，10（4）：391-405.

[4] 雷 剛，崔彩賢，田義文.農(nóng)村飲用水安全問題研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2007，35（5）：1481-1482.

[5] 陳懷滿.土壤中化學物質(zhì)的行為與環(huán)境質(zhì)量[M].北京：科學出版社，2002.

[6] OVERGAARD K. Trends in nitrate pollution of groundwater in Denmark[J].Nordic Hydrology， 1989，15（4/5）：177-184.

[7] GOSS M J， BARRY D A J， RUDOLPH D L. Contamination in Ontario farmstead domestic wells and its association with agriculture：1. Results from drinking water wells[J]. Journal of Contaminant Hydrology，1998，32（3/4）：267-293.

[8] THORURN P J， BIGGS J S， WEIER K L， et al. Nitrate in groundwaters of intensive agricultural areas in coastal Northeastern Australia[J]. Agricultue， Ecosystems and Enviornment，2003，94（5）：49-58.

[9] 王鐵軍，鄭西來，崔俊芳.萊西地區(qū)施肥對地下水硝酸鹽污染的過程[J].中國海洋大學學報，2006，36（2）：307-312.

[10] 馬洪斌，李曉欣，胡春勝.中國地下水硝態(tài)氮污染現(xiàn)狀研究[J].土壤通報，2012，43（6）：1532-1536.

[11] 劉宏斌，李志宏，張云貴，等.北京平原農(nóng)區(qū)地下水硝態(tài)氮污染狀況及其影響因素研究[J].土壤學報，2006，43（3）：405-412.

[12] 閔 炬，陸扣萍，陸玉芳，等.太湖地區(qū)大棚菜地土壤養(yǎng)分與地下水水質(zhì)調(diào)查[J].土壤，2012，44（2）：213-217.

[13] 張麗娟，巨曉棠，劉辰琛，等.北方設施蔬菜種植區(qū)地下水硝酸鹽來源分析——以山東省惠民縣為例[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2010， 43（21）：4427-4436.

[14] 王慶鎖，孫東寶，郝衛(wèi)平，等.密云水庫流域地下水硝態(tài)氮的分布及其影響因素[J].土壤學報，2011，48（1）：141-150.

[15] 崔寶榮，鄧惠玲，敬燕燕，等.農(nóng)村生活飲用水源井的水質(zhì)調(diào)查分析[J].環(huán)境衛(wèi)生學雜志，2012，2（6）：280-284.

[16] 李文娟，趙同科，張成軍，等.北京市集約化農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽含量變化分析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2013，32（7）：1445-1450.