不同土地利用方式和地下水埋深對水中硝態氮濃度分布的影響*

耿玉棟 張千千 孫繼朝 劉景濤(.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北 石家莊 05006；2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 00083)

地下水硝態氮污染已經成為全世界普遍關注的環境問題[1-2]。近年來，由于城市化、工業化進程加快，人口快速增長，廢棄物大量排放，化肥施用量增加，導致地下水硝態氮污染問題日益嚴重，引起了國內外學者的普遍關注[3-5]。

硝態氮在人體內可被還原為亞硝態氮，亞硝態氮會誘發高鐵血紅蛋白癥、消化系統癌癥等疾病[6-7]。此外，地下水中硝態氮濃度過高還會加劇河流、湖泊等地表水的富營養化，引發生態環境問題[8]。因此，世界衛生組織(WHO)規定，飲水中硝態氮質量濃度不得超過10 mg/L[9-10]。

近年來，學者們針對地下水硝態氮濃度的影響因素開展了大量的研究工作。MARTNEZ等[11]針對阿根廷馬德普拉塔市人類活動強度不同的4個地區，研究其地下水硝態氮濃度，結果表明，人類活動強度顯著影響地下水硝態氮濃度。地下水硝態氮濃度受季節變化的影響，且冬季濃度高于夏季[12]183-184,[13]4376。地下水硝態氮濃度與地下水埋深呈負相關性[14]216-218,[15]1011-1012。此外，CHEN等[16]對黃河三角洲地下水硝態氮空間分布狀況進行分析，發現越遠離河道，硝態氮濃度越低。

我國針對地下水硝態氮污染的研究主要集中于東北—西南連線[17]，而針對城市化程度較高的地區研究較少。自改革開放以來，珠江三角洲城市化水平迅速提高，人口和工業高度聚集，相伴而來的是廢棄物大量排放，然而，城市污水、垃圾的處理設施發展相對滯后，地下水環境受到了巨大威脅[18]。本研究針對快速城市化進程下的廣州市，對其地下水硝態氮污染狀況及影響因素進行分析，揭示廣州市地下水硝態氮污染的來源，以期為快速城市化地區地下水硝態氮污染防治提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

廣州市位于廣東省中南部、珠江三角洲中北緣，112°57′23.0″N～114°3′23.0″N， 22°33′48.2″E～23°56′15.4″E。廣州市屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為20～22 ℃，4—9月為雨季，年平均降水量約為1 720 mm。珠江及其眾多支流貫穿廣州市。廣州市是珠江三角洲城市群的核心，人口密度大，工業化程度高，經濟發展迅速，城市化率超過73%[19]。

廣州市西部、南部及東南部為平原區，地下水主要為松散巖類孔隙水，含水層巖性主要為淤泥質粉砂粘土和淤泥質砂土，滲透性較低；中部和北部為丘陵區，地下水主要為基巖裂隙水，含水層顆粒較粗，透水性較強[20]。廣州市土地利用類型大致分為城區、水稻田、菜園、林地4類。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集

2008年11—12月，在廣州市采集203個地下水樣品(見圖1)。樣品均采集自民井和現場開挖的采樣坑。民井地下水埋深一般小于10 m，采樣前，盡量抽干井中地下水，等水位恢復后，用地下水定深原位采樣器在水下0.5 m處采集。對于采樣坑，挖至潛水位以下0.5 m左右，將最初滲出的地下水排出，等水位穩定后進行采集。所用采樣瓶為2.5 L聚乙烯塑料瓶，樣品采集后放入冰箱中保存。

1.2.2 樣品測試

1.2.3 數據分析

203個樣品中，183個用于分析廣州市地下水硝態氮污染狀況，其余20個為同一采樣點不同深度的樣品，用于研究地下水硝態氮濃度與地下水埋深的關系。本研究按照WHO規定的飲用水硝態氮限值，將硝態氮質量濃度大于10 mg/L定為超標。數據分析使用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0。

2 結果與分析

2.1 地下水硝態氮污染總體狀況

由表1可見，廣州市地下水硝態氮質量濃度為(8.53±7.57) mg/L，接近WHO規定的飲用水硝態氮限值(10 mg/L)。不同采樣點的硝態氮質量濃度差異很大，最小值為0 mg/L，最大值為38.04 mg/L，變異系數達88.82%。共有64個樣品硝態氮濃度超標，超標率為34.97%。其中，有17個樣品硝態氮質量濃度大于20 mg/L，為WHO規定的飲用水硝態氮限值的2倍以上。可見，廣州市地下水已經受到了硝態氮污染的威脅，局部地區污染較嚴重。

廣州市地下水硝態氮濃度呈現出明顯的地理分布特征，與地形相吻合。硝態氮超標點相對集中于平原區，而在丘陵區分布較少且分散(見圖1)。平原區地下水硝態氮質量濃度和超標率分別為(10.19±7.70) mg/L、46.81%，分別相當于丘陵區的1.5、2.1倍。王慶鎖等[13]4374對巢湖流域地下水硝態氮空間分布狀況的研究也得出相似的結論。這是因為地下水硝態氮的空間分布與人類活動密切相關。廣州市平原區人口、工業聚集，并且有農田大面積集中分布，點源污染與面源污染交錯，導致該地區地下水硝態氮濃度較高。

2.2 地下水硝態氮來源

2.2.1 生活污水

圖1 廣州市地下水采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Guangzhou

表1 廣州市地下水硝態氮統計Table 1 Statistics of nitrate nitrogen in groundwater of Guangzhou

2.2.2 工業廢水

2.2.3 農業化肥

表2 廣州市地下水中離子的相關系數1)Table 2 Pearson correlation coefficients for the ions in groundwater of Guangzhou

注：1)“*”表示在α=0.05水平上顯著相關；“**”表示在α=0.01水平上極顯著相關。

表3 廣州市不同土地利用類型地下水硝態氮統計Table 3 Statistics of nitrate nitrogen in groundwater under different land use types of Guangzhou

2.2.4 酸 雨

2.3 地下水硝態氮濃度的主要影響因素

2.3.1 土地利用類型

廣州市不同土地利用類型的地下水硝態氮平均濃度排序為城區>水稻田≈菜園>林地(見表3)。

城區地下水硝態氮污染最嚴重，56個樣品硝態氮質量濃度為(11.26±8.47) mg/L，超過WHO規定的飲用水硝態氮限值，超標率達48.22%。城區城市化發展迅速，人口密度大，工業化程度高，生活與工業排污量大，進而導致城區地下水硝態氮污染嚴重。金贊芳等[30]和趙新鋒等[31]分別在杭州市、珠海市香洲區的研究結果表明，杭州市和珠海市的地下水硝態氮超標率均為40%左右。而廣州市、杭州市和珠海市都城市化發展迅速，可見，我國一些大城市在快速城市化的同時，可能導致地下水硝態氮濃度升高。因此，為防止快速城市化地區地下水硝態氮污染進一步惡化，應提高污水的處理效率，嚴禁超標排放。

菜園地下水硝態氮污染程度與水稻田基本相當，80個樣品硝態氮質量濃度為(8.28±7.42) mg/L，超標率為36.25%。含氮化肥施用過多，且利用率低、流失量大，是導致菜園地下水硝態氮濃度偏高的主要原因。另外，菜園主要分布于城區周邊，灌溉多采用地表水，而城區地表水污染嚴重，進而加重了硝態氮污染。可見，污水灌溉也是導致菜園地下水硝態氮濃度偏高的原因[27]492,[28]208。

林地地下水硝態氮污染程度在4種土地利用類型中最輕，32個樣品硝態氮質量濃度為(4.47±5.09) mg/L，僅有2個樣品硝態氮濃度超標(超標率為6.25%)。實地調查發現，林地受人類活動影響小，硝態氮來源少，因此林地地下水硝態氮污染程度輕，與ZHANG等[15]1010、王慶鎖等[35]144的研究結果一致。

2.3.2 地下水埋深

地下水硝態氮主要由地表氮污染源隨降水或灌溉經包氣帶進入地下水。氮在入滲過程中經歷復雜的生物化學反應，最終主要以硝態氮形式存在于地下水中，因此入滲過程對硝態氮有較大影響。不同埋深的地下水，其硝態氮濃度差異顯著[14]216-218,[15]1011-1012,[35]147。

用于研究地下水硝態氮濃度與地下水埋深關系的20個樣品均取自菜園。從圖2可以看出，地下水硝態氮濃度與埋深有較好的負相關關系，即地下水硝態氮濃度隨著埋深增大而降低。埋深介于2～5 m的9個樣品硝態氮濃度較高，其中1個樣品硝態氮濃度超過WHO規定的飲用水硝態氮限值，5個樣品硝態氮質量濃度介于8～10 mg/L，接近WHO規定的飲用水硝態氮限值。這主要是因為包氣帶厚度較小，且包氣帶上層土壤相對松散，可提供硝化過程所需的氧氣及硝化細菌所需的電子；氮主要以硝態氮形式進入含水層，含水層由于接近包氣帶而處于氧化環境，硝態氮可穩定存在。此外，地下水埋深小于5 m時，菜園地下水硝態氮濃度有超標的潛在危險。

圖2 地下水硝態氮質量濃度與地下水埋深的關系Fig.2 The relationship between nitrate nitrogen concentrations in groundwater and groundwater depth

埋深介于5～23 m時，地下水硝態氮污染程度減輕。因為隨著埋深增大，包氣帶土壤顆粒密實性逐漸增強，土層中的含氧量減少，氧化環境逐漸向還原環境過渡；加之有機質數量減少，抑制了硝化作用，并促進了反硝化作用，一部分硝態氮通過反硝化作用返回到大氣。當埋深大于23 m時，硝態氮質量濃度基本穩定在2 mg/L左右，與珠江三角洲地下水硝態氮背景值接近[36]，說明埋深大于23 m的地下水基本未受到硝態氮污染。

3 結 論

(1) 廣州市地下水硝態氮污染嚴重，34.97%的樣品超過WHO規定的飲用水硝態氮限值，超標樣品相對集中于平原區(超標率為46.81%)，而在丘陵區分布相對較少(超標率為22.47%)，說明地下水已經受到了硝態氮污染的威脅，局部地區污染嚴重。

(2) 廣州市地下水硝態氮主要來源有生活污水、工業廢水、農業化肥和酸雨。

(3) 廣州市土地利用類型對地下水硝態氮濃度有顯著的影響，不同土地類型的硝態氮濃度平均值排序為城區>水稻田≈菜園>林地。在垂直方向的分布上，地下水埋深介于2～5 m時，硝態氮濃度較高且有超標的潛在危險；埋深介于5～23 m時，地下水硝態氮污染程度減輕；當埋深大于23 m時，硝態氮質量濃度穩定在2 mg/L左右，基本未受到硝態氮污染。

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