干旱荒漠綠洲區(qū)不同土地利用類型淺層地下水硝態(tài)氮變化趨勢

李晶，王建兵，何志斌，馬登科，3，王麗莎，3

（1.甘肅省社會科學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院臨澤內(nèi)陸河流域研究站，中國科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水分重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

地下水硝酸鹽污染已成為普遍存在的環(huán)境問題，過量的硝酸鹽會對水生生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成威脅［1-2］。地下水硝酸鹽含量過高將會改變地下水資源屬性，破壞生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)，水體富營養(yǎng)化等［3］；長期飲用含有高濃度硝酸鹽的地下水會引起新生兒患“藍(lán)嬰癥”及人體消化道癌變等［4-5］。為此，國內(nèi)外學(xué)者對地下水硝酸鹽污染狀況進(jìn)行了大量的調(diào)查研究。美國、印度、日本、加拿大、以色列等國家都有關(guān)于地下水硝酸鹽濃度嚴(yán)重超標(biāo)的報道記載［6-8］。我國早在20世紀(jì)70年代就展開了地下水硝酸鹽調(diào)研工作。北京、天津、河北、成都及長江中下游農(nóng)業(yè)區(qū)等地，均有地下水硝酸鹽超標(biāo)現(xiàn)象［9-11］。隨著時間推移，不同地區(qū)地下水硝酸鹽濃度呈不同的變化趨勢。西北關(guān)中地區(qū)2017年淺層地下水硝態(tài)氮超標(biāo)率為2.4%（>20 mg/L），與2001年相比下降30%；華北平原2016～2018年期間，淺層地下水硝酸鹽超標(biāo)率達(dá)18.9%，高于1998年7.1%，呈上升趨勢［12］。

通常人類活動頻繁的地區(qū)其地下水硝酸鹽濃度普遍高于人類干擾較少的地區(qū)［13］，在農(nóng)區(qū)，農(nóng)業(yè)不合理的施肥、較高的灌溉水量是引起地下水硝酸鹽濃度偏高的主要原因［14-15］。土地利用方式?jīng)Q定了氮肥輸入量和灌溉水量的多少，進(jìn)而影響地下水硝酸鹽濃度的變化［16］。耕地、林地受施肥和灌溉的影響，其淺層地下水硝酸鹽濃度普遍高于荒地、居民用地、草地；蔬菜種植區(qū)氮肥施用量較高、灌溉頻繁，地下水污染程度高于大田、果園等土地利用類型［17-18］。因此，從土地利用變化的角度研究地下水硝酸鹽濃度變化是十分必要的。

河西走廊綠洲地處我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)，是典型的灌溉農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)。近幾十年來，隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人口急劇增長，河西走廊大面積的荒漠開墾為新農(nóng)田。這種新墾沙地農(nóng)田土壤肥力低，保水保肥性能差，是干旱區(qū)綠洲灌溉耗水和化肥施用最大的區(qū)域，也是地下水硝酸鹽污染風(fēng)險較高的區(qū)域［19］?，F(xiàn)有調(diào)查研究表明，綠洲區(qū)地下水硝酸鹽濃度超標(biāo)率為32.4%，呈持續(xù)增長狀態(tài)［20-21］。然而，河西走廊綠洲土地利用類型豐富多樣，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，關(guān)于地下水硝態(tài)氮濃度時空變化規(guī)律及不同土地利用類型對地下水硝態(tài)氮濃度的影響機(jī)制缺乏系統(tǒng)認(rèn)識，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對硝態(tài)氮淋失的影響還缺乏定量的評估。因此，研究干旱區(qū)地下水硝酸鹽污染現(xiàn)狀及污染機(jī)理對維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡具有重要意義。鑒于此，本文立足西北干旱區(qū)黑河中游綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，在黑河中游荒漠綠洲過渡帶（平川鎮(zhèn)）垂直河道方向選取不同土地利用類型地下水觀測井進(jìn)行長期定位觀測地下水NO3--N含量，以此研究地下水NO3--N含量時間變化規(guī)律，以期為地下水硝酸鹽污染機(jī)理及污染源解析提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣地概況

研究區(qū)域位于西北干旱荒漠綠洲區(qū)黑河中游地帶，屬溫帶暖溫帶干旱荒漠氣候，年均氣溫7.6℃，年均最高溫為39.1℃（8月），年均最低溫為-27℃（1月）；多年平均降水量為117 mm（1965～2010年），降水主要發(fā)生在7～9月份；年均蒸發(fā)量2 390 mm，年均無霜期為112～165 d，初霜期一般在10月上旬至中旬；農(nóng)田區(qū)域地下水位介于4～6 m。土壤母質(zhì)主要為第四紀(jì)砂礫洪積-沖積物。土壤類型有黑河沿岸分布的綠洲潮土和灌淤土，以及綠洲邊緣由荒漠土開墾后長期灌溉耕種形成的灌耕灰棕漠土和灌耕風(fēng)沙土［22］。由于開墾年限不同，形成熟化程度各異的沙地灌溉農(nóng)田，土壤砂粒含量高、有機(jī)質(zhì)含量低、持水性能低是其主要特征［23］。為探究該研究區(qū)不同土地利用類型地下水硝酸鹽動態(tài)變化過程，在中科院臨澤內(nèi)陸河流域研究站（N 39°14′～39°24′，E 100°02′～100°21′，海拔1 350～1 400 m）附近，垂直黑河河道方向（SW-NE）選擇不同景觀帶地下水觀測井進(jìn)行定位觀測地下水埋深并采集水樣（圖1，表1）。每月1號進(jìn)行觀測和取樣，觀測時間段為2016年4月至2017年9月。

表1 觀測井位置及土地利用狀況Table 1 Distribution area of observation wells and land use

圖1 定位采樣觀測井分布圖Figure 1 Location sampling observation wells distribution map

1.2 數(shù)據(jù)來源、樣品采集及測定

不同水體硝態(tài)氮數(shù)據(jù)：不同水體硝態(tài)氮數(shù)據(jù)來源于中科院臨澤內(nèi)陸河流域綜合研究站，主要為臨澤站近10 a（2005～2014）不同水體（地下水、地表水和水庫）硝態(tài)氮含量監(jiān)測結(jié)果。

地下水水井取樣及測定：每個樣點采集250 mL水樣，用聚乙烯瓶盛放，收集瓶用待采集的水樣涮洗3～5次后盛取水樣，收集到的水樣貼好標(biāo)簽后帶回實驗室放入冰箱冷凍保藏。

樣品的測定方法：待測水樣解凍后用中速定性濾紙過濾直至澄清，采用水化學(xué)間斷分析儀（Smart Chem-140）測定水樣中NO3--N的質(zhì)量濃度。測定量程為0.025～10 mg/L，當(dāng)測定結(jié)果大于10 mg/L時，則需要稀釋后再次測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 19.0（Chicago，IL，USA）軟件進(jìn)行分析處理，用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水體NO3--N含量年際變化趨勢

由荒漠綠洲區(qū)近10 a不同水體NO3--N含量變化趨勢可知（圖2），地下水NO3--N含量呈明顯上升趨勢，2014年地下水NO3--N濃度為2005年的7.1倍；地表水和水庫NO3--N含量變化則較為平穩(wěn)，無明顯上升或下降趨勢。2005～2014年間地表水和水庫NO3

圖2 2005～2014年地下水、地表水及水庫NO3--N含量時間變化Figure 2 Temporal changes of nitrate-N concentration in shallow groundwater，reservoir and river water

--N含量變化范圍相近，分別介于0.29～4.18 mg/L和0.29～5.92 mg/L之間，低于WHO規(guī)定的地下飲用水NO3--N含量標(biāo)準(zhǔn)10 mg/L，地下水NO3--N平均質(zhì)量濃度為8.42 mg/L，變化范圍介于0.72～21.5 mg/L。由地下水NO3--N含量年際變化曲線可知，2011年8月起至2014年地下水NO3--N含量超出WHO地下飲用水NO3--N含量標(biāo)準(zhǔn)，2012、2013和2014年NO3--N平 均 含 量 分別 超出WHO地下飲用水標(biāo)準(zhǔn)15.8%、30.6%和36.3%。

2.2 不同土地利用類型淺層地下水埋深及NO3--N含量季節(jié)變化趨勢

2.2.1 垂直河道方向變化趨勢不同土地類型GW1～GW9觀測井之間其埋深存在顯著性差異（P<0.05），位于農(nóng)田的觀測井GW2～GW5，受土壤類型和灌溉強(qiáng)度的不同，其地下水埋深也存在顯著性差異（P<0.05）。同時，垂直河道SW-NE方向地下水埋深基本呈升高趨勢，距離河道最近位于河漫灘處的觀測井GW1其埋深最淺（（0.7±0.1）m），而距離河道最遠(yuǎn)位于戈壁處的觀測井GW9其埋深最深（（11.0±0.3）m），觀測井GW2～GW8埋深變化范圍則介于2.3～4.6 m之間（圖3-A）。

垂直河道SW-NE方向觀測井NO3--N含量并無明顯上升或下降趨勢，不同土地類型GW1～GW9觀測井NO3--N含量存在顯著性差異（P<0.05，圖3-B），GW6觀測井NO3--N質(zhì)量濃度顯著高于其他觀測井（P<0.05），其均值為（36.5±6.7）mg/L，其次為GW8（（20.8±8.6）mg/L），與觀測井GW6均超出我國地下飲用水NO3--N含量標(biāo)準(zhǔn)（20 mg/L），處于地下水硝酸鹽污染狀態(tài)；盡管GW3、GW4、GW5及GW9觀測井NO3--N濃度平均值均低于20 mg/L，但顯著超出WHO地下飲用水NO3--N含量標(biāo)準(zhǔn)（10 mg/L），也處于硝 酸 鹽污染 狀態(tài)；GW1、GW2和GW7顯著 低于10 mg/L，處于未被硝酸鹽污染狀態(tài)。

圖3 不同土地類型地下水埋深（A）和NO3--N含量（B）Figure 3 Groundwater depth and Nitrate-N concentration under different land use types

2.2.2 季節(jié)變化情況2016年4月至2017年9月不同土地類型地下水埋深表現(xiàn)出不同的季節(jié)變化特征（圖4-A）。除觀測井GW1和GW9之外，觀測井GW2～GW8地下水埋深在10、11月份呈明顯下降至最低點，12月份則逐漸回升，翌年3、4月份觀測井GW4、GW5、GW6、GW7地下水水位下降，而GW2和GW8呈上升或無明顯波動趨勢。

觀測期間不同土地類型地下水NO3--N含量在時間尺度上并未呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，呈上下波動變化狀態(tài)（圖4-B）。其中，GW1、GW2和GW7觀測井NO3--N含量分別介于2.7～8.7、1.9～5.4、0.8～4.3 mg/L，上下變化幅度較小，觀測期內(nèi)始終小于10 mg/L；位于新農(nóng)田區(qū)域的GW3、GW4、GW5觀測井NO3--N含量變化范圍分別為7.7～29.9、11.2～19.9、2.0～19.5 mg/L，上下波動明顯；位于荒漠區(qū)域觀測井GW6和GW8的NO3--N含量變化范圍分別為20.8～45.5、8.4～35.3 mg/L。監(jiān)測井GW9因2017年4月干涸，NO3--N監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)，結(jié)果未在圖中展示。

圖4 地下水埋深和NO3--N含量月變化趨勢Figure 4 Monthly variation of groundwater depth and Nitrate-N concentration

2.3 地下水埋深與NO3--N濃度的關(guān)系

研究區(qū)域地下水埋深與NO3--N含量沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。如圖5所示，地下水埋深與NO3--N含量呈線性函數(shù)關(guān)系y=1.0x+1.9（P<0.001），其中R2為0.340。

圖5 地下水埋深和NO3--N含量的關(guān)系Figure 5 Linear relationship between nitrate concentration and groundwater depth

3 討論

將該區(qū)域近十年（2004～2014）的地下水NO3--N含量與地表水（來自黑河）及水庫NO3--N含量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，地下水NO3--N含量呈明顯上升趨勢，2011年8月起地下水NO3--N含量超出WHO既定標(biāo)準(zhǔn)，截止2014年，地下水NO3--N含量升高7.1倍，說明該區(qū)域地下水存在被硝酸鹽污染的風(fēng)險或已經(jīng)污染。地下水硝酸鹽污染的原因較為復(fù)雜，通常是地形、土壤質(zhì)地、氣候和人類活動共同作用的結(jié)果。在農(nóng)業(yè)種植區(qū)，灌溉、施肥、耕作等農(nóng)業(yè)管理是引起地下水硝態(tài)氮含量強(qiáng)烈變化的主要因素。2009年監(jiān)測到地下水硝態(tài)氮含量出現(xiàn)驟降后又上升的情況，我們認(rèn)為這可能是采集水樣時剛好為灌溉后不久，地下水硝態(tài)氮含量受地表水的稀釋作用而降低，受稀釋作用維持了很短的時間，硝態(tài)氮含量又呈升高狀態(tài)，說明此時地下水硝態(tài)氮濃度已經(jīng)高于地表水了。蘇永中等［24］在同一研究區(qū)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，2012年11月冬灌后，新墾沙地區(qū)地下水位呈升高狀態(tài)，地下水硝態(tài)氮含量出現(xiàn)了驟降現(xiàn)象，分析認(rèn)為地表水稀釋作用使得地下水硝態(tài)氮濃度有所降低。

研究分析不同土地類型觀測井埋深季節(jié)變化情況發(fā)現(xiàn)，垂直河道SW-NE方向埋深基本呈升高趨勢，距離河道最近位于河漫灘處的觀測井GW1其埋深最淺（（0.7±0.1）m），而距離河道最遠(yuǎn)位于戈壁處的觀測井GW9其埋深最深（（11.0±0.3）m），觀測井GW2～GW8埋深變化范圍則介于2.3～4.6 m之間；并且距離河道最近和最遠(yuǎn)的觀測井GW1和GW9其埋深年內(nèi)變化動態(tài)波動幅度較小，位于綠洲農(nóng)田、沙丘、荒漠土地利用類型的觀測井GW2～GW8其埋深上線波動幅度較大，部分觀測井呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性變化規(guī)律，如GW2～GW8地下水埋深在10～11月份呈明顯下降至最低點，12月份則逐漸回升，翌年3～4月份觀測井GW4、GW5、GW6、GW7地下水水位下降，而GW2和GW8呈上升或無明顯波動趨勢。觀測井所在范圍系屬于黑河平川灌區(qū)，屬地表水與地下水聯(lián)合灌溉區(qū)域，地下水位的變化主要受地表水入滲補(bǔ)給和井水抽灌的影響，因而觀測井埋深年內(nèi)變幅明顯。

灌溉可使土壤中殘留的NO3--N淋失至地下水圈，增加硝酸鹽濃度，但也有可能因灌溉的稀釋作用降低地下水硝酸鹽濃度。同樣，研究通過分析不同土地類型地下水硝酸鹽季節(jié)變化情況發(fā)現(xiàn)，地下水NO3--N含量呈上下波動的變化狀態(tài)，但并未呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律。位于黑河河漫灘的觀測井GW1、老綠洲農(nóng)田的GW2以及東沙丘地帶的GW7其NO3--N含量變化幅度較小，介于2.7～8.7、1.9～5.4、0.8～4.3 mg/L之間，觀測期內(nèi)NO3--N濃度觀測值始終低于WHO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（10 mg/L），未受到NO3--N污染；位于新墾沙地農(nóng)田的GW3、GW4和GW5觀測井NO3--N含量均值分別為18.5、15.4、10.4 mg/L，處于NO3--N污染狀態(tài)或臨界狀態(tài)，顯著高于老綠洲農(nóng)田GW2。

究其原因，與農(nóng)田土壤質(zhì)地及施肥灌溉習(xí)慣密切相關(guān)。老綠洲農(nóng)田有機(jī)質(zhì)及黏粉粒含量較高，黏粉粒較強(qiáng)的養(yǎng)分保持能力在一定程度上阻礙了NO3--N向下遷移［25］；同時，老綠洲農(nóng)田經(jīng)過長期的耕作歷史，耕作層土壤結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定［26］，灌溉量及化肥投入量相對新綠洲較小，因而地下水NO3--N污染風(fēng)險低。而新墾沙地農(nóng)田具有耕作年限短，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育尚未成熟，土壤砂粒含量高、有機(jī)質(zhì)含量低，持水保肥性能差等特點，加之作物生產(chǎn)過程中灌溉量大、化肥投入量高，導(dǎo)致土壤中大量氮素淋溶至地下水圈，是引起地下水NO3--N含量較高的主要原因。同樣，蘇永中等［23］研究認(rèn)為老綠洲農(nóng)田130 cm土層以下形成以壤土或黏壤土為主的滯水層，在一定程度上阻礙了土壤水分和溶質(zhì)向下的滲漏遷移，加之黑河與綠洲農(nóng)田區(qū)域地下水之間的平流交換稀釋了地下水NO3--N濃度，這就很好地解釋了老綠洲農(nóng)田地下水NO3--N濃度低的原因。李晶［27］在黑河中游荒漠綠洲區(qū)利用土柱模擬試驗進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，老綠洲農(nóng)田“蓄水保墑”生態(tài)效應(yīng)優(yōu)于新墾沙地綠洲農(nóng)田，新綠洲農(nóng)田每年有將近18.7%～34.2%的氮肥淋溶出200 cm土層，由此更加證實新綠洲農(nóng)田地下水NO3

--N污染風(fēng)險高于老綠洲農(nóng)田。此外，研究還發(fā)現(xiàn)新綠洲農(nóng)田地下水埋深及硝態(tài)氮濃度對灌溉、施肥及耕作等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動極為敏感。如2016年10月下旬至11月初該區(qū)域進(jìn)行大面積的地表水冬季灌溉，觀測井GW5地下水埋深由4.22 m急劇下降至1.98 m，在地表水稀釋作用下NO3--N濃度逐漸下降，降至翌年3月份最低值4.3 mg/L，但到4月份NO3--N濃度又急劇上升至13.4 mg/L，說明新綠洲農(nóng)田地下水硝酸鹽污染程度較為嚴(yán)重。值得注意的是，地下水是新墾沙地農(nóng)田區(qū)域的主要灌溉水源，含有高濃度NO3--N的地下水灌溉有利于作物生長發(fā)育，但多次循環(huán)灌溉-滲漏很有可能加劇NO3--N污染［28］，因此，建議在生育期內(nèi)進(jìn)行地表水和地下水聯(lián)合灌溉或交叉灌溉的方式?；哪G洲過渡帶GW6、GW8和GW9觀測井NO3--N濃度較高的原因可能是由于新綠洲農(nóng)田地下水向過渡帶水平流動，NO3--N在荒漠區(qū)域富集，誘發(fā)NO3--N濃度升高。但解釋同樣在過渡帶的GW7觀測井NO3--N含量較低的原因，需觀測分析土壤剖面NO3--N分布情況或借助同位素示蹤技術(shù)辨析污染源。

一般而言，包氣帶厚度決定了土壤硝態(tài)氮淋溶路程和時間，包氣帶厚度越大，氮素淋溶至地下水水圈的距離和時間越長，地下水受硝酸鹽污染影響較小。但在黑河中游荒漠綠洲區(qū)，淺層地下水埋深與NO3--N含量沒有明確的關(guān)系，即使在埋深較小的河漫灘處其地下水NO3--N濃度受河水入滲稀釋的作用而低于埋深較深的農(nóng)田區(qū)域。戈壁距離河道較遠(yuǎn)、埋深較大，但其地下水因農(nóng)田區(qū)域含有高濃度NO3--N的地下水向荒漠-戈壁方向水平流動使得NO3--N富集在此，地下水遭受硝酸鹽污染。

綜上所述，黑河中游荒漠綠洲區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)地貌、荒漠-綠洲化歷史進(jìn)程以及人類活動特征使得該區(qū)域地下水硝酸鹽含量時空變化具有自身特色。該區(qū)域地下水NO3--N含量變化對自然條件和人類活動敏感性較強(qiáng)，尤其是新墾綠洲農(nóng)田對灌溉表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性，是地下水硝酸鹽污染的敏感區(qū)域。

4 結(jié)論

1）2004～2014年荒漠綠洲邊緣區(qū)地下水NO3--N平均質(zhì)量濃度為8.42 mg/L，NO3--N含量呈明顯上升趨勢，2014年地下水NO3--N濃度為2004年的7.1倍，2011年8月起至2014年地下水NO3

--N含量超出WHO地下飲用水NO3--N含量標(biāo)準(zhǔn)。

2）黑河中游荒漠綠洲邊緣不同景觀帶地下水埋深存在顯著性差異。垂直河道方向地下水位基本呈下降趨勢，位于灌溉區(qū)域的觀測井GW2～GW8埋深變化幅度較大，觀測井GW4、GW5、GW6、GW7埋深變化呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性變化規(guī)律。

3）黑河中游荒漠綠洲邊緣不同景觀帶地下水NO3--N含量存在顯著性差異，垂直河道方向地下水NO3

--N含量無明顯遞增或遞減趨勢。位于黑河河漫灘（GW1）、老綠洲農(nóng)田（GW2）及東沙丘（GW7）區(qū)域的地下水NO3--N含量顯著低于其他土地類型的地下水；新墾沙地農(nóng)田（GW3、GW4、GW5）地下水NO3--N含量已經(jīng)嚴(yán)重超出WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)，對灌溉表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性，是地下水硝酸鹽污染的敏感區(qū)域，建議在新墾沙地農(nóng)田區(qū)實施減少氮淋溶灌溉施肥管理方案；荒漠綠洲過渡帶GW6、GW8和GW9觀測井NO3--N濃度呈增加趨勢。