南通平原河網(wǎng)地區(qū)典型農(nóng)田系統(tǒng)地下水硝態(tài)氮污染調(diào)查

戴軒宇，徐愛蘭，姚穎

(南通市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 南通 226006)

南通平原河網(wǎng)地區(qū)典型農(nóng)田系統(tǒng)地下水硝態(tài)氮污染調(diào)查

(南通市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 南通 226006)

針對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)典型農(nóng)田系統(tǒng)灌溉施肥帶來的地下水環(huán)境污染問題，采集南通地區(qū)蔬菜地、水稻-小麥輪作地、水稻-油菜輪作地和桑地地下水樣品，分析了不同農(nóng)田種植體系下的地下水污染程度。結(jié)果表明，蔬菜、桑地、水稻-油菜輪作、水稻-小麥輪作地地下水的硝態(tài)氮(N)平均值分別為12.2，9.53，7.95和6.12 mg/L，與氮肥用量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；研究區(qū)域地下水硝態(tài)氮超III類標(biāo)準(zhǔn)率(>20 mg/L)的為4.8%，表明地下水已部分受到硝態(tài)氮污染。

平原河網(wǎng)地區(qū)；農(nóng)田；地下水；硝態(tài)氮；南通

地下水是水資源的重要組成部分，對(duì)支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的作用，同時(shí)，地下水資源又是重要的環(huán)境要素，能直接影響和改善生態(tài)環(huán)境狀況[1]。南通濱江沿海，為典型的沿海平原河網(wǎng)地區(qū)，感潮河網(wǎng)水系復(fù)雜，受沿海和河口潮汐影響，地表水與地下水密切聯(lián)系、轉(zhuǎn)化頻繁。南通平原河網(wǎng)地區(qū)屬于集約化農(nóng)業(yè)區(qū)，化肥施用過量現(xiàn)象嚴(yán)重，其中又以氮肥過量投入最為典型，氮肥的施用雖極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，但大量施到農(nóng)田的氮素肥料以硝態(tài)氮形式淋洗進(jìn)入地下水中，造成農(nóng)業(yè)面源污染，對(duì)地下水系統(tǒng)造成了不容忽視的影響[2-5]。

2015年5—10月，在南通市平原河網(wǎng)地區(qū)選擇典型村落為研究區(qū)域開展野外原位試驗(yàn)，通過野外調(diào)查取樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究不同農(nóng)田系統(tǒng)地下水硝態(tài)氮污染狀況，為有效控制地下水硝態(tài)氮污染提供依據(jù)。

1 調(diào)查方法

1.1 研究區(qū)概況

南通地處長(zhǎng)江下游沖積平原(北緯31°41′06″—32°42′44″、東經(jīng)120°11′47″—121°54′33″)，屬北亞熱帶和暖溫帶季風(fēng)氣候，海洋性氣候明顯，年平均氣溫14.0～15.1 ℃，年均降水量1 000～1 100 mm，年均蒸發(fā)量875 mm，無霜期226 d。土壤是以長(zhǎng)江沖擊物為主的江海沉積物。

根據(jù)南通市農(nóng)業(yè)資源開發(fā)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2013年末，南通市糧田面積51.99萬hm2，冬小麥夏水稻2季輪作為糧田主要種植制度；油菜種植面積10.50萬hm2，主要采取冬油菜夏水稻的2季輪作制度；蔬菜種植面積21.84萬hm2，其中設(shè)施蔬菜面積5.75萬hm2；桑田面積1.65萬hm2。

沿南村地處南通市西北部的如東縣袁莊鎮(zhèn)，境內(nèi)地勢(shì)平坦，河網(wǎng)密集，四季分明，雨量充沛，有水稻-小麥、水稻-油菜、蔬菜、桑田等種植體系，是南通地區(qū)具有代表性的平原河網(wǎng)農(nóng)田體系。

1.2 分析方法

1.2.1 地下水樣品采集及分析

沿南村選擇常年種植水稻-小麥、水稻-油菜、蔬菜地塊各2塊，桑地1塊。每個(gè)采樣地塊采集2個(gè)井位，井位選擇在種植體系成片分布的地方以便所選井位地下水不受地面人為因素影響。選擇小麥和油菜成熟收獲后的5月底、水稻成熟收割后的10月底分別進(jìn)行兩次采樣，每次采樣3批，其中第1批采樣時(shí)間為施肥后1～3 d，第2批采樣時(shí)間為施肥后第1次降雨(約5～8 d)，第3批采樣時(shí)間為施肥后約15 d。

采樣前充分抽汲，將水管中停滯的水和雜質(zhì)抽出后再進(jìn)行取樣，水樣裝入250 mL聚乙烯瓶中，立即密封，放入保溫箱冷藏后帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。地下水硝態(tài)氮分析測(cè)定根據(jù)《 地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 164—2004)中推薦的氣相分子吸收法，采用GMA 3380氣相分子吸收光譜儀測(cè)定。

1.2.2 氮肥施用量核算

不同形態(tài)的氮在土壤和地下水中會(huì)相互轉(zhuǎn)化。在適宜的溫度、水分和通氣條件下，在土壤微生物和酶的作用下，尿素水解為銨態(tài)氮，銨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮，夏季高溫季節(jié)轉(zhuǎn)化快。

采集地下水樣品的沿南村選取水稻-小麥種植農(nóng)戶10個(gè)，水稻-油菜種植農(nóng)戶10個(gè)，蔬菜種植農(nóng)戶10個(gè)，桑樹種植農(nóng)戶5個(gè)，調(diào)查采樣時(shí)間前3年(2012—2014年)的農(nóng)田施用肥料種類與數(shù)量，并根據(jù)肥料包裝所示養(yǎng)分含量核算一個(gè)種植周期氮肥施用量，見表1。2015年試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田保留了與往年同樣的施肥習(xí)慣。為減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果受施肥品種的干擾影響，選擇在夏季不同形態(tài)氮轉(zhuǎn)化率相對(duì)較高的季節(jié)采樣，同時(shí)盡量保證采樣期的施肥品種的一致性。

表1 不同作物種植體系的施肥狀況

1.3 地下水硝態(tài)氮污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—1993)中規(guī)定硝酸鹽(以N計(jì))的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下：≤2.0 mg/L為I類水，≤5.0 mg/L為II類水，≤20 mg/L為III類水，≤30 mg/L為IV類水，>30 mg/L為V類水。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域地下水硝態(tài)氮污染狀況

研究區(qū)域地下水ρ(硝態(tài)氮)見表2 。由表2可見，其地下水質(zhì)尚可，硝態(tài)氮平均值為8.06 mg/L。依據(jù)《GB/T 14848—1993》， I類水、 II類水、 III類水、 IV類水分別為0，11.9%，83.3%和4.8%?？梢?，其地下水受到了人類活動(dòng)的影響，且4.8%的樣品超過了地下水質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)20 mg/L。

表2 研究區(qū)域地下水ρ(硝態(tài)氮)及分布規(guī)律

2.2 不同種植系統(tǒng)地下水硝態(tài)氮污染狀況

為了解不同農(nóng)田種植系統(tǒng)氮肥施用對(duì)地下水硝態(tài)氮的影響，對(duì)水稻-小麥、水稻-油菜、蔬菜、桑地分類進(jìn)行采樣和分析。結(jié)果表明，蔬菜地地下水ρ(硝態(tài)氮)最高，為12.2 mg/L，桑地其次，為9.53 mg/L，其后為水稻-油菜輪作地，為7.95 mg/L，水稻-小麥輪作地最低，為6.12 mg/L，見圖3。由于蔬菜生長(zhǎng)周期短且產(chǎn)出量大，施用的化肥、農(nóng)藥和回灌量比其他耕地都要高，因此，其地下水硝酸鹽污染相對(duì)最嚴(yán)重。水稻田的氮肥施用量尚可，但地下水的ρ(硝態(tài)氮)反而較低，可能與水稻田灌溉稀釋和反硝化作用強(qiáng)烈有關(guān)[6]。

圖3 不同種植系統(tǒng)地下水硝態(tài)氮污染狀況比較

4種農(nóng)田利用類型下地下水ρ(硝態(tài)氮)的頻率分布比較見圖4(a)(b)(c)(d)。由圖4可見，24個(gè)水稻-小麥輪作種植體系下的地下水樣品中，10個(gè)樣品ρ(硝態(tài)氮)為2～5 mg/L，14個(gè)為5～10 mg/L，均不超III類標(biāo)準(zhǔn)；24個(gè)水稻-油菜輪作種植體系下的地下水樣品中，17個(gè)樣品ρ(硝態(tài)氮)為5～10 mg/L，6個(gè)在10～20 mg/L，1個(gè)超III類標(biāo)準(zhǔn)(>20 mg/L)，占4.2%；24個(gè)蔬菜種植體系下的地下水樣品中，4個(gè)樣品ρ(硝態(tài)氮)為5～10 mg/L， 17個(gè)在10～20 mg/L，3個(gè)超III類標(biāo)準(zhǔn)率(>20 mg/L)，占12.5%； 12個(gè)桑地種植體系下的地下水樣品中，8個(gè)樣品ρ(硝態(tài)氮)為5～10 mg/L，3個(gè)在10～20 mg/L，20 mg/L以上比例為8.3%。

2.3 氮肥施用量與地下水硝態(tài)氮含量的相關(guān)性

文獻(xiàn)[7-8]發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)以農(nóng)業(yè)面源污染為主的地方，施用農(nóng)用氮肥與造成地下水硝酸污染存在著明顯的相關(guān)性。硝酸鹽從地表施用的農(nóng)用氮肥釋放，在大氣降雨等水動(dòng)力載體帶動(dòng)下，硝酸鹽在重力和土壤水勢(shì)差作用控制下進(jìn)入地下水。

(a) 水稻-小麥輪作(n=24)

(b) 水稻-油菜輪作(n=24)

(c) 蔬菜(n=24)

(d) 桑地(n=12)

圖4 4種農(nóng)田利用類型下地下水ρ(硝態(tài)氮)的頻率分布

選取施肥時(shí)間和采樣時(shí)間相同的第1批樣品，對(duì)4種類型農(nóng)田種植系統(tǒng)冬、夏2季的氮肥用量和相應(yīng)的地下水ρ(硝態(tài)氮)進(jìn)行回歸分析。氮肥施用量與地下水ρ(硝態(tài)氮)關(guān)系見圖5。

圖5 氮肥施用量與地下水ρ(硝態(tài)氮)關(guān)系

由圖5可見，縱坐標(biāo)為4塊不同種植系統(tǒng)5月和10月2季施肥后第1批采樣樣品的ρ(硝態(tài)氮)均值(其中小麥地僅在秋季10月份進(jìn)行了監(jiān)測(cè))，橫坐標(biāo)為實(shí)際記錄的施肥量。結(jié)果表明，各地塊氮肥施用量與地下水ρ(硝態(tài)氮)之間相關(guān)系數(shù)約為0.94，呈顯著的正相關(guān)性。

3 討論

南通平原河網(wǎng)地區(qū)典型農(nóng)田系統(tǒng)中，研究區(qū)域地下水ρ(硝態(tài)氮)超III類標(biāo)準(zhǔn)率(>20 mg/L)為4.8%，可見該區(qū)域地下水已部分受到硝態(tài)氮污染。

其中蔬菜種植區(qū)域的地下水硝態(tài)氮污染明顯高于糧食種植區(qū)域，蔬菜地地下水的ρ(硝態(tài)氮)為12.2 mg/L，相當(dāng)于水稻-小麥輪作地的2.0倍，超III類標(biāo)準(zhǔn)率達(dá)到了12.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水稻-油菜輪作地和水稻-小麥輪作地。

農(nóng)田利用類型是影響地下水硝態(tài)氮污染程度的一個(gè)重要因素，農(nóng)田氮肥施用量與地下水ρ(硝態(tài)氮)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，氮肥的大量施用會(huì)導(dǎo)致地下水硝態(tài)氮污染風(fēng)險(xiǎn)顯著增大。在蔬菜種植日益擴(kuò)大的情況下，預(yù)計(jì)南通平原河網(wǎng)地區(qū)典型農(nóng)田系統(tǒng)地下水硝態(tài)氮污染將進(jìn)一步加劇。在充分考慮地理、水文、土壤等因素的基礎(chǔ)下，調(diào)整農(nóng)田種植體系，控制氮肥施用量，優(yōu)化水肥配套管理技術(shù)，進(jìn)而控制農(nóng)業(yè)面源污染將是控制農(nóng)田系統(tǒng)地下水硝態(tài)氮污染的有效途徑。

[1] 楊彥, 于云江, 王宗慶，等. 區(qū)域地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究[J]. 環(huán)境科學(xué),2013,34(2):653-661.

[2] 季曉，徐愛蘭，陸煒. 平原閘控感潮河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)分析方法[J]. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2009,1 (2)：18-21.

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Investigation on Nitrate Pollution of Groundwater in Typical Farmlands of Nantong Plain River Networks

DAI Xuan-yu，XU Ai-lan，YAO Ying

(NantongEnvironmentalmonitoringcenter,Nantong,Jiangsu226006，China)

In order to solve the problem of environmental pollution with fertilization and irrigation to typical farmlands in Nantong plain river networks, this article took vegetable, mulberry, rice-wheat rotation, rice-rape rotation corresponding groundwater samples in Nantong, analyzed the NO3-N accumulation of different farm utilization and its effects on groundwater. The results showed that, the content of NO3-N in vegetable, mulberry, rice-rape rotation, rice-wheat rotation corresponding groundwater were 12.2, 9.53, 7.95, 6.12mg/L, the concentration had a positive correlation with nitrogen fertilizer consomption. There were 4.8% of samples exceeding the maximum permissible limit for groundwater (20 mg/L), which indicated that the groundwater of investigative zone was partially polluted by NO3-N.

Plain river networks; Farmland; Groundwater; NO3-N；Nantong

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.03.

2016-08-09；

2017-01-20

江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)科研基金資助項(xiàng)目(1310)

戴軒宇(1983—)，女，工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境科研工作。

X523

B

1674-6732(2017)03-0053-03