北方區(qū)域尺度地下水-包氣帶硝酸鹽分布與變化特征*

李曉欣，王仕琴，陳肖如，2，雷玉平，高鵬程，胡春勝**，馬 林

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022； 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 楊凌 712100)

中國是個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，保障國家糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品有效供給一直是建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的首要任務(wù)。20 世紀(jì)80年代，我國在解決人口糧食問題、保障糧食安全和提高農(nóng)作物單產(chǎn)的同時(shí)，成倍地增加了化肥的投入，雖滿足了人們糧果蔬需求，但也給環(huán)境造成了巨大的壓力，引起水體富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽超標(biāo)、溫室氣體排放等一系列環(huán)境問題。北方的黑土區(qū)、潮土區(qū)和褐土區(qū)作為我國糧食主要生產(chǎn)區(qū)，大部分農(nóng)田為集約化生產(chǎn)，氮肥施用量遠(yuǎn)超過作物對氮素的需求，過量氮肥投入造成包氣帶土壤剖面累積大量硝態(tài)氮[1-5]，這些累積的硝酸鹽在遭遇強(qiáng)降雨后可隨水向下運(yùn)移，進(jìn)入地下水，對地下水安全造成了威脅和隱患[6-8]。

我國對地下水硝酸鹽研究開始于20 世紀(jì)70年代地下肥水的調(diào)研[9-14]，陜西關(guān)中農(nóng)民在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)一種含有相當(dāng)數(shù)量硝態(tài)氮的淺層地下水(肥水)，應(yīng)用此水澆灌可提高糧食產(chǎn)量，隨后華北、東北地區(qū)也都發(fā)現(xiàn)了肥水的存在，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域范圍內(nèi)對地下水硝酸鹽的調(diào)研和監(jiān)測，當(dāng)時(shí)肥水主要圍繞居民點(diǎn)出現(xiàn)，埋藏淺，多集聚存在于淺層地下水中，人們對肥水的研究著重于如何開發(fā)利用肥水，提高作物產(chǎn)量[15-18]。隨著人們對肥水的集中開采利用，以及清除污染源、保護(hù)水源等工作的開展，地下肥水中硝酸鹽濃度逐漸降低，直至消失。20 世紀(jì)90年代科研人員再次將目光轉(zhuǎn)向了地下水硝酸鹽超標(biāo)的研究，指出北京地區(qū)很多地點(diǎn)的地下水含量已超過歐盟飲用水硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)(50 mg·L?1)，有些地區(qū)甚至高達(dá)300 mg·L?1，地下水硝酸鹽含量超標(biāo)與農(nóng)田氮肥過量投入密切相關(guān)[19-22]。隨后科研人員在環(huán)渤海7 省市開展了北方地下水硝酸鹽污染的調(diào)研，對河北、河南、山東地下水硝酸鹽污染進(jìn)行了取樣分析[23-28]，主要集中在華北平原區(qū)，東北和西北的調(diào)查相對較少[29-30]，對區(qū)域尺度上農(nóng)區(qū)淺層地下水硝酸鹽污染程度和特征尚沒有統(tǒng)一定論。

包氣帶作為硝酸鹽進(jìn)入地下水最后的生態(tài)屏障，對土壤硝酸鹽淋失進(jìn)入地下水具有儲存和減緩的作用，目前我國針對農(nóng)田包氣帶硝酸鹽淋溶和阻控的研究多為田間尺度，對區(qū)域尺度硝酸鹽累積存儲的研究較少[31-33]。Ascott 等[34]在2017年應(yīng)用模型對全球包氣帶土壤硝態(tài)氮累積存儲進(jìn)行了計(jì)算，指出北美、中國和歐洲包氣帶存儲了大量的硝酸鹽。硝酸鹽在包氣帶的存留會(huì)對地下水水質(zhì)造成潛在威脅，降低為保護(hù)地下水所采取的農(nóng)業(yè)控水控肥措施的實(shí)施效果。與地表水相比，地下水中硝態(tài)氮濃度的變化對農(nóng)業(yè)的變化反應(yīng)相對緩慢，并受天氣事件的影響[35]。同樣的原因，進(jìn)入地下水的硝酸鹽去除和治理是一個(gè)更加漫長的過程，因此防控地下水硝酸鹽污染對安全供水非常重要[36-39]。正確評估區(qū)域范圍的硝酸鹽存儲，并將其與地下水硝酸鹽污染研究結(jié)合，探尋硝酸鹽在包氣帶-地下水的分布變化規(guī)律及其影響因素，對保護(hù)地下水具有積極作用。

本文以東北典型黑土區(qū)、華北潮土區(qū)和西北褐土區(qū)農(nóng)田為研究對象，結(jié)合地下水采樣分析，搭建北方農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽監(jiān)測網(wǎng)，分析地下水硝酸鹽污染的區(qū)域差異，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對地下水硝酸鹽時(shí)空變化進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，對華北平原區(qū)域尺度厚包氣帶土壤硝酸鹽存儲量及分布特征進(jìn)行調(diào)查，分析不同種植模式對包氣帶硝態(tài)氮累積存儲的貢獻(xiàn)，結(jié)合淺層地下水的分布特征，進(jìn)一步解釋地下水硝酸鹽污染途徑及潛在風(fēng)險(xiǎn)，旨在加深對大區(qū)域尺度淺層地下水硝酸鹽分布特征和影響因素的認(rèn)識，為區(qū)域尺度開展硝酸鹽淋失阻控研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對保護(hù)厚包氣帶區(qū)域地下水的安全具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法

1.1 北方典型土壤區(qū)地下水硝酸鹽含量分析

1.1.1 樣點(diǎn)設(shè)定

聚焦我國北方農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，選擇具有典型土壤特點(diǎn)的東北黑土區(qū)(黑龍江東部、吉林省中部)、華北潮土區(qū)(河北平原、北京南部)以及分布在關(guān)中、晉南、豫西等盆地的褐土區(qū)作為主要研究區(qū)域，此類區(qū)域集約化程度高，過量施肥問題突出，氮淋溶損失及地下水污染問題嚴(yán)重。種植作物為小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、水稻(Oryza sativa)和蔬菜，屬典型農(nóng)業(yè)高產(chǎn)類型區(qū)。2016—2020年依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上分別對東北黑土、華北潮土、西北褐土的主要農(nóng)業(yè)種植區(qū)(糧田、菜地、果樹種植區(qū))的淺層地下水進(jìn)行采樣與硝酸鹽測定，結(jié)合前人的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立了北方主要農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽監(jiān)測網(wǎng)(圖1)，為長期追蹤和研究地下水硝酸鹽的變化提供基礎(chǔ)保障。

1.1.2 取樣和測定

地下水樣品采集與測定： 2016—2020年期間分別對華北潮土、西北褐土、東北黑土區(qū)的淺層地下水進(jìn)行調(diào)查采樣，采用網(wǎng)格法確定樣點(diǎn)，利用GPS定位海拔及經(jīng)緯度，每個(gè)樣點(diǎn)采集500 mL水樣，裝入潔凈的塑料采樣瓶內(nèi)，放入4 ℃保溫箱，帶回實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用紫外分光計(jì)測定水樣硝酸鹽含量。共采集測定地下水樣品876個(gè)(表1)。

地下水硝酸鹽歷史數(shù)據(jù)的收集： 收集了1998年在華北平原北緯38°帶地區(qū)取樣測定的地下水硝酸鹽數(shù)據(jù)，2005年環(huán)渤海地區(qū)的地下水硝酸鹽數(shù)據(jù)，以及2010年白洋淀流域的地下水硝酸鹽數(shù)據(jù)，同時(shí)收集了1993—2017年地下水硝酸鹽監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境公報(bào)發(fā)布的水質(zhì)數(shù)據(jù)、以及歷史文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

1.2 典型厚包氣帶土壤硝酸鹽累積調(diào)研與采樣

華北平原耕作歷史悠久，平原土層深厚，是我國重要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，其糧食、蔬菜種植面積占土地利用面積的47%以上，主要糧食作物為小麥、水稻、玉米等，蔬菜種植分為大棚和露天兩種種植方式。依照流域的劃分將黃淮海平原分為4 大區(qū)域： 海河流域、黃河流域、淮河流域和山東半島區(qū)域。2019年10月針對不同區(qū)域的菜地、糧田進(jìn)行包氣帶土壤樣品的采樣，采樣點(diǎn)包括河南省的濮陽、新鄉(xiāng)、安陽、開封、商丘，山東省境內(nèi)的聊城、禹城、淄博、壽光，河北省邯鄲、衡水、南皮、欒城，安徽境內(nèi)的亳州、江蘇省的徐州等地。應(yīng)用Geoprobe model 54D取樣儀器采集包氣帶土壤樣品，取樣深度由包氣帶厚度決定，盡可能取至土壤飽和含水層。包氣帶土柱取出后，立即進(jìn)行切割，記錄土壤質(zhì)地。0～1 m 深土柱按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm 的深度分層，1 m 以下土柱每50 cm 分一層，分層后土壤放入密封保存袋，帶回實(shí)驗(yàn)室4 ℃以下冷鮮保存，測定土壤含水量和硝態(tài)氮含量。土壤含水量的測定采用烘干法； 土壤硝態(tài)氮的測定采用1 mol·L?1的氯化鉀(KCl)溶液以1∶5 比例振蕩浸提過濾后，用雙波長紫外分光光度計(jì)(島津UV-2450)測定濾液中的硝態(tài)氮含量。

表1 采樣時(shí)間與數(shù)據(jù)收集Table 1 Groundwater sampling and history data collection

華北平原區(qū)域不同種植模式下的硝酸鹽累積分布通過GIS的反距離權(quán)重插值(IDW)作圖呈現(xiàn)，區(qū)域的地下水埋深數(shù)據(jù)由國家氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)站和地方水利部門獲取。

1.3 數(shù)據(jù)分析及作圖

所有數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2013 處理，采樣點(diǎn)分布圖及硝態(tài)氮空間分布特征圖采用ArcMap 10.2.2 繪制，其他圖采用Sigmaplot 10.0 繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 北方典型土壤區(qū)地下水硝酸鹽時(shí)空變化特征

根據(jù)地下水采樣監(jiān)測結(jié)果(圖2，圖3)，東北黑土區(qū)農(nóng)田地下水硝酸鹽超標(biāo)率最高，達(dá)39.6%，地下水硝酸鹽的平均濃度也最高； 其次為華北潮土區(qū)，超標(biāo)率為19.3%； 西北褐土區(qū)的地下水硝態(tài)氮超標(biāo)率最低，為14.9%。東北黑土區(qū)作物種植和畜牧生產(chǎn)集約化程度高、地下水位淺，地下水硝酸鹽濃度明顯較高，其中吉林黑土區(qū)的硝酸鹽平均濃度最高(91.9 mg·L?1)，松嫩平原次之(87.8 mg·L?1)，三江平原的硝酸鹽濃度最低(14.1 mg·L?1)。作物種植類型與地下水硝酸鹽濃度高低也密切相關(guān)，吉林黑土區(qū)蔬菜種植區(qū)地下水硝酸鹽超標(biāo)率為64.2%，玉米種植區(qū)地下水硝酸鹽超標(biāo)率為44.3%，水稻種植區(qū)和花生(Arachis hypogaea)種植區(qū)的地下水硝酸鹽超標(biāo)率分別為29.2%和20.1%； 不同種植類型區(qū)地下水硝酸鹽濃度為蔬菜區(qū)(60.7 mg·L?1)>玉米區(qū)(46.6 mg·L?1)>花生區(qū)(37.6 mg·L?1)>水稻區(qū)(34.4 mg·L?1)，蔬菜種植區(qū)地下水硝酸鹽濃度顯著大于玉米、水稻和花生種植區(qū)，相較于糧食種植區(qū)，蔬菜種植區(qū)的高施肥和高灌溉是地下水硝酸鹽濃度上升的直接原因，而水稻種植淹水造成的厭氧環(huán)境促進(jìn)了反硝化反應(yīng)的發(fā)生，黏重的犁底層同時(shí)阻礙了土壤水的下滲，這是導(dǎo)致水稻種植區(qū)地下水硝酸鹽濃度較低的主要原因。華北潮土區(qū)地下水硝酸鹽超標(biāo)點(diǎn)主要分布在山前平原(包括低山丘陵區(qū))和東部濱海平原區(qū)，地下水硝酸鹽濃度平均值表現(xiàn)為： 濱海平原(27.1 mg·L?1)>山前平原(24.2 mg·L?1)>中部平原(8.3 mg·L?1)，華北平原不同土地利用類型區(qū)地下水硝酸鹽的數(shù)據(jù)同樣也證明了蔬菜種植區(qū)地下水硝酸鹽濃度高于小麥-玉米糧食種植區(qū)。西北褐土區(qū)地下水硝酸鹽污染程度較低，關(guān)中平原西部與中東部地下水硝酸鹽含量較高，中部與東部含量較低，超標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)分散在周至縣、眉縣、乾縣與渭南北部； 山西盆地地下水硝酸鹽超標(biāo)點(diǎn)主要分布在太原以南的汾渭地區(qū)。

隨時(shí)間的推移，不同區(qū)域地下水硝酸鹽污染呈現(xiàn)不同的變化。西北關(guān)中地區(qū)2001年淺層地下水的硝態(tài)氮超標(biāo)率為32.9%(>20 mg·L?1)，超標(biāo)水樣主要分布在農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)烈的灌區(qū)和人口居住密集、工業(yè)相對發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)區(qū)； 而2017年關(guān)中地區(qū)淺層地下水硝態(tài)氮超標(biāo)率降為2.4%，究其原因可能是2001—2017年期間，關(guān)中地區(qū)污水排放得到了有效控制，地表及河道環(huán)境明顯改善，地下水硝態(tài)氮污染來源減少。華北平原區(qū)域尺度地下水硝酸鹽污染則隨時(shí)間推移有逐漸加重的趨勢，1998年淺層井地下水硝酸鹽超標(biāo)率為11.8% (在Chen 等[36]數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上剔除深層飲用水采樣點(diǎn)數(shù)據(jù))； 而2016—2018年403個(gè)采樣點(diǎn)中，淺層地下水硝酸鹽超標(biāo)率達(dá) 18.9%，其中上游低山丘陵補(bǔ)給區(qū)、山前平原區(qū)和濱海平原區(qū)地下水硝酸鹽濃度均顯著升高。

2.2 區(qū)域尺度包氣帶硝酸鹽的存儲分布

華北平原是我國的主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，也是我國厚包氣帶的典型區(qū)，其糧食、蔬菜種植面積占土地利用面積的47%以上，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中施入的化肥在作物吸收后大多殘留存儲在包氣帶中，是潛在的危險(xiǎn)源。華北平原包氣帶硝酸鹽的存儲分布如圖4a-b 所示。黃河流域包氣帶糧田土壤剖面硝酸鹽存儲量最高，可達(dá)3911 kg(N)·hm?2，其次是海河流域和山東半島，淮河流域的硝酸鹽存儲量最低； 蔬菜地包氣帶硝酸鹽累積量以山東半島為最高，可達(dá)5040 kg(N)·hm?2，其次是海河流域和黃河流域，淮河流域的硝酸鹽累積量最低。

華北平原包氣帶厚度由西向東、自北向南逐漸降低(圖4c)，海河流域、黃河流域的包氣帶厚度最高可達(dá)50 m，明顯高于淮河流域(<10 m)的包氣帶厚度。從表2 可知，華北平原區(qū)淺層地下水埋深為6 m 的區(qū)域面積最大，占總面積的31.0%，其次為3 m 埋深區(qū)域，占總面積的30.2%，地下水埋深10 m 和16 m 的區(qū)域分別占總面積的11.6%和8.7%； 而地下水埋深小于2 m 和大于40 m 的區(qū)域所占面積僅為5%左右。6 m地下水埋深區(qū)糧田和蔬菜種植面積最大，包氣帶存儲硝態(tài)氮量也最高，3 m 地下水埋深區(qū)次之，這兩個(gè)埋深區(qū)包氣帶存儲硝態(tài)氮量占了華北平原硝態(tài)氮存儲總量的57.4%； 而地下水埋深大于40 m 的地區(qū)包氣帶存儲硝態(tài)氮量僅占華北平原硝態(tài)氮存儲總量的5.6%。

通過對區(qū)域包氣帶不同深度硝酸鹽分層分布進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)： 0～6 m 是硝酸鹽主要存儲深度區(qū)，10 m以下除河北省中部地區(qū)還有明顯的土壤硝酸鹽存儲外，其他地區(qū)基本沒有存儲累積，將單位面積包氣帶硝酸鹽存儲量與地下水埋深進(jìn)行相關(guān)分析，隨著包氣帶厚度的增大，區(qū)域累積存儲的硝態(tài)氮量呈增加趨勢，但兩者不存在正比例關(guān)系。

2.3 不同種植模式對包氣帶硝酸鹽的存儲貢獻(xiàn)

根據(jù)華北平原不同種植區(qū)包氣帶硝態(tài)氮的測定和計(jì)算結(jié)果，整個(gè)華北平原存貯累積硝態(tài)氮總量可達(dá)1854 萬t，其中基本糧田區(qū)存儲的硝態(tài)氮量達(dá)1453 萬t，蔬菜種植區(qū)包氣帶存儲的硝態(tài)氮量為401萬t。根據(jù)華北平原不同區(qū)域的糧田、菜田所占比率，計(jì)算了區(qū)域的糧食種植、蔬菜種植對農(nóng)田包氣帶土壤存儲硝態(tài)氮的貢獻(xiàn)率(圖5a-b)，華北平原糧食種植對硝態(tài)氮累積存儲的貢獻(xiàn)率由東北至西南呈逐漸增長趨勢，其中黃河以北地區(qū)作為我國糧食主要種植區(qū)，糧食種植對區(qū)域硝態(tài)氮累積存儲的貢獻(xiàn)率為81%以上，最高可達(dá)94%。以壽光為代表的山東半島蔬菜種植區(qū)，蔬菜種植面積所占比率最高，可達(dá)土地面積的 11%，與糧食種植面積的比例為1∶2，該區(qū)域蔬菜種植貢獻(xiàn)了當(dāng)?shù)?5%以上的包氣帶硝酸鹽累積存儲，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。

表2 華北平原不同地下水埋深區(qū)域包氣帶土壤硝態(tài)氮存儲量Table 2 -N storage of vadose zone under different groundwater table depths in the North China Plain

表2 華北平原不同地下水埋深區(qū)域包氣帶土壤硝態(tài)氮存儲量Table 2 -N storage of vadose zone under different groundwater table depths in the North China Plain

糧田 Grain field 菜地 Vegetable field 地下水埋深Groundwater table depth (m)區(qū)域面積Area(km2)種植面積Planting area(km2)硝態(tài)氮存儲量Nitrate nitrogen storage(×104 t N)種植面積Planting Area(km2)硝態(tài)氮存儲量Nitrate nitrogen storage(×104 t N)2 12 712 5212 55 3 75 451 31 186 351 6 77 501 39 332 494 10 21 870 8967 143 16 29 114 9317 197 25 20 776 6025 129 40 11 618 3486 76 50 957 287 8 801 21 4753 100 9300 119 2078 43 3203 58 1309 39 662 19 55 2

3 討論

影響地下水硝酸鹽含量的因素除肥料投入外，還與灌溉管理、土地利用類型、水文地質(zhì)條件、地下水埋深密切相關(guān)。淋失進(jìn)入地下水硝態(tài)氮的量由臨近淺層地下水界面的土壤層中硝態(tài)氮含量和下滲水量共同決定，北方的黑土區(qū)、潮土區(qū)和褐土區(qū)作為我國主要農(nóng)業(yè)種植區(qū)，高產(chǎn)集約化種植過程中，氮肥施用量遠(yuǎn)超過作物對氮素的需求量，過量的氮肥在作物收獲后存留在包氣帶土壤，當(dāng)降水和灌溉發(fā)生時(shí)會(huì)隨水下滲進(jìn)入地下水。地下水埋深淺，硝酸鹽進(jìn)入地下水途徑變短，更易淋失進(jìn)入地下水。東北地區(qū)地下水埋深淺，地下水硝酸鹽超標(biāo)率最高，西北褐土區(qū)地下水埋深最深，雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)種植面積大，降雨造成水的下滲主要補(bǔ)給了包氣帶的土壤含水量[40]，這是該區(qū)域地下水硝酸鹽超標(biāo)率低的主要原因。華北潮土區(qū)地下水超標(biāo)樣點(diǎn)主要分布在地下水埋深較淺的東部低平原區(qū)和山前平原區(qū)，山前平原區(qū)地下水中硝酸鹽超標(biāo)的主要原因是低山丘陵區(qū)強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí)，有機(jī)肥和生活垃圾中的氮隨巖石裂隙入滲進(jìn)入淺層地下水，進(jìn)而造成山前平原區(qū)的地下水硝酸鹽含量增高[41]。地下水硝酸鹽中氮、氧同位素的測定結(jié)果顯示，華北山前平原種植區(qū)地下水硝酸鹽主要來源為農(nóng)田施用的化肥和有機(jī)肥，與山區(qū)丘陵地下水補(bǔ)給源區(qū)硝酸鹽的主要來源一致，而濱海低平原區(qū)則以化肥為主(數(shù)據(jù)未發(fā)表)，進(jìn)一步佐證了山前平原和濱海低平原地下水的來源及運(yùn)移途徑。

蔬菜種植過程的高水、肥投入是造成北方蔬菜種植區(qū)包氣帶硝態(tài)氮累積存儲量大，地下水中硝酸鹽濃度較高的主要原因，這與我們區(qū)域地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)和包氣帶硝態(tài)氮累積存儲結(jié)果一致。Ascott 等[34]指出，1975—2000年北美、中國和東歐包氣帶土壤累積存儲了大量硝態(tài)氮，中國東部平原由于高肥投入、包氣帶厚度深和土壤水下滲速度慢的原因，使得單位面積土壤包氣帶硝態(tài)氮存儲量高達(dá) 4000 kg(N)·hm?2，該研究結(jié)果與文中華北平原多點(diǎn)取樣測定的結(jié)果基本一致。中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站不同氮投入的定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示[32]： 厚包氣帶的硝態(tài)氮累積主要發(fā)生在12 m 以上土層，2～6 m 是土壤剖面硝酸鹽的大量累積層，這與區(qū)域采樣的測定結(jié)果也一致，說明地下水埋深深的地區(qū)多年施肥造成的硝態(tài)氮淋失還未到達(dá)更深層次土壤，距離進(jìn)入地下水還有一定距離。

采用有效的措施減少和阻控包氣帶存儲硝態(tài)氮淋溶進(jìn)入地下水是降低地下水硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵，目前應(yīng)用的阻控措施大都是從水肥管理角度考慮，通過減少施肥投入量、促進(jìn)植物吸收、提高氮肥利用效率等技術(shù)從源頭上減少硝態(tài)氮?dú)埩簦@些水肥管理措施能有效地降低當(dāng)季施入氮肥的土壤殘留，但對于包氣帶根系吸收層以下殘留累積硝態(tài)氮并沒有降低效果[42-45]。Mathieu 等[46]用15N 同位素示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳可以促進(jìn)土壤氮?dú)馀欧牛@為利用有機(jī)碳實(shí)現(xiàn)包氣帶硝酸鹽的安全減排提供了新思路。添加可溶性有機(jī)碳的試驗(yàn)[47-48]表明： 給土壤剖面中的微生物提供反硝化脫氮所需要的可溶性碳源，能夠激發(fā)土壤反硝化強(qiáng)度，反硝化的硝態(tài)氮絕大部分能夠轉(zhuǎn)化為無害的N2排出土體，這為降低土壤存儲累積硝態(tài)氮量提供了新的技術(shù)和思路。根據(jù)區(qū)域地下水埋深分布、地下水硝酸鹽污染現(xiàn)狀和包氣帶硝態(tài)氮累積特點(diǎn)選擇適宜的硝態(tài)氮淋失阻控措施：一方面在采用控肥技術(shù)的基礎(chǔ)上調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，減少地下水埋深較淺區(qū)域的蔬菜種植比例，降低該區(qū)域的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)； 另一方面可通過添加碳源，促進(jìn)包氣帶土壤反硝化降低包氣帶硝態(tài)氮的存儲累積，減少對地下水硝酸鹽污染的威脅。

4 結(jié)論

1)北方主要農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽超標(biāo)以東北黑土區(qū)最高，硝酸鹽超標(biāo)率達(dá)39.6%； 其次為華北潮土區(qū)，超標(biāo)率為19.3%； 西北褐土區(qū)的地下水硝酸鹽超標(biāo)率最低，為14.9%。

2)華北平原區(qū)淺層地下水埋深為3～6 m 的區(qū)域面積最大，占總面積的61.2%，該埋深區(qū)包氣帶存儲硝態(tài)氮量占華北平原硝態(tài)氮存儲總量的 57.4%，而地下水埋深大于40 m 的地區(qū)包氣帶存儲硝態(tài)氮量僅占華北平原硝態(tài)氮存儲總量的5.6%。

3)華北平原區(qū)糧食種植對包氣帶硝態(tài)氮累積存儲的平均貢獻(xiàn)率為78.3%，高于蔬菜種植的貢獻(xiàn)率。不同區(qū)域蔬菜種植對當(dāng)?shù)匕鼩鈳跛猁}累積存儲的貢獻(xiàn)率差異很大，其中山東半島蔬菜種植對當(dāng)?shù)赝寥腊鼩鈳跛猁}累積存儲的貢獻(xiàn)率最高。

4)將農(nóng)田地下水硝酸鹽污染現(xiàn)狀與包氣帶硝態(tài)氮累積存儲結(jié)合起來進(jìn)行分析，互相驗(yàn)證，有利于采取針對性的技術(shù)減少區(qū)域尺度硝態(tài)氮淋溶，保護(hù)地下水。