焉耆盆地綠洲區水體硝態氮量調查及其空間分布研究

汪昌樹，楊鵬年，張瀚，于宴民

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

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焉耆盆地綠洲區水體硝態氮量調查及其空間分布研究

汪昌樹，楊鵬年，張瀚，于宴民

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

【目的】研究焉耆盆地綠洲區水體硝態氮污染現狀及地下水空間分布規律。【方法】2014～2015年通過野外采樣及室內化驗，利用紫外可見分光光度法測定地表水(80個)、不同埋深地下水(284個)水體硝酸鹽含量，并運用統計分析及克里金(Kriging)法研究盆地現狀硝態氮量及空間分布。【結果】除包氣帶水體外，綠洲區水體硝態氮量水平總體較低，但不同類型、區域水體間差異性明顯，變異性較高。主要河流與農田排渠均受到人為因素干擾，部分農田排渠硝態氮量已超過10.0 mg/L。地下水硝態氮量與埋深密切相關，包氣帶水>手壓井>灌溉井>自來水井，隨著埋深的增加，硝態氮量呈減小的趨勢。氮素進入田間后，富集于耕作層等包氣帶土層，為進入地下水的起點。普通克里金插值(Or-Kriging)結果顯示，部分典型灌區地下水已接近甚至超過國際(WHO)地下水安全允許濃度(硝態氮量>10.0 mg/L)，較高的區域多分布于典型灌區。【結論】集約化種植氮肥施用量的增加、利用率偏低是焉耆盆地綠洲區水體硝態氮量升高的主要原因，包氣帶中積累過多的氮素是水體污染的潛在風險。

硝態氮；空間分布；氮肥；焉耆盆地；綠洲

0 引 言

【研究意義】近年來，隨著農業集約化程度的提高，面源污染呈現加重的趨勢，水體硝態氮污染已成世界上面臨的嚴峻問題之一。攝入硝態氮濃度過高的飲用水有患高鐵血紅蛋白癥、藍嬰綜合癥(嬰幼兒)及消化系統癌癥等風險[1]；河流、湖泊地表水體硝態氮量過高將引起水體富營養化等一系列環境問題。面對焉耆盆地日益嚴峻的生態環境問題，提出硝態氮為影響水土環境的重要因子，以綠洲區為研究對象，調查分析變化環境下水體硝態氮的污染現狀并對其空間分布開展研究，對農業面源污染、綠洲生態環境防治以及實現綠洲的安全可持續管理具有重要意義。【前人研究進展】地下水本身具有天然凈化功能，但流動更新緩慢，一旦污染物濃度超過了其自凈能力，含水層的修復過程將非常漫長。硝酸鹽既是水體污染最具代表性的物質之一[2]，又是公認的世界上分布最廣的地下水污染物。自20世紀末以來，我國許多地區出現了有關湖泊、河流及地下水硝態氮污染的報道[3-7]，尤其是農業面向現代化過程中的生產方式如作物種植、灌溉排水、施肥噴藥等技術也朝著集約化、輕簡化的方向發展，使面源污染(硝態氮)有加重的趨勢。【本研究切入點】綠洲既是干旱少雨地區人類活動的載體、精華所在[8]，亦是區域尺度干擾生物多樣性的策源地[9]，綠洲區的穩定與否直接關系人類的生產、生活以及區域社會經濟的發展[10]。以往研究有關焉耆盆地的研究多是從水鹽均衡的角度出發[11-14]，主要集中于水量和水質(鹽分)的演化上，建立了水文及地下水模型，研究了焉耆盆地─博斯騰湖─孔雀河灌區可持續發展的水資源配置、水鹽調控及向塔里木河下游輸水等問題，但對于盆地面源污染的研究并不多見，關于硝態氮污染的涉及更為鮮見。此方面的研究與治理多集中于城區，對于面源污染嚴重的集約化農區不夠重視，基礎研究也非常缺乏。盆地農業發展面臨土地利用方式轉變、面源污染加劇、入湖水量銳減、水質劣變等生態環境問題，加上近些年化肥施用量急劇增加、利用率較低以及不合理的灌溉使氮素被淋洗至河流、湖泊及地下水體，造成污染，但有關硝態氮的統計資料與分析研究從未系統化。研究焉耆盆地綠洲區水體硝態氮污染現狀及地下水空間分布規律。【擬解決的關鍵問題】研究綠洲農區水體的硝態氮量的現狀調查及地下水分布規律，為盆地乃至類似地區硝態氮面源污染的防治提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

焉耆盆地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內，為西北內陸干旱區，行政區劃包括焉耆、和靜、和碩、博湖縣及新疆生產建設兵團第二師21～27和223團場，面積1.361 2×104km2，區內水土資源豐富，擁有我國最大的內陸淡水湖博斯騰湖(約1 000 km2)。研究區為盆地綠洲區，即平原耕地區(85°54′58″～87°29′6″E，41°43′33″～42°26′17″N)，約占盆地總面積的45%。該區深居內陸，屬中溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年內平均氣溫-11.6(1月)～23.3℃(7月)，相對濕度36.67%(4月)～73.67%(12月)，無霜期178 d，降雨多集中在夏季，降水量0.93(2月)～16.23(7月)mm。主要種植小麥、玉米等糧食作物，棉花、瓜果、工業番茄及色素辣椒等經濟作物。圖1

此次取樣的水體類型包括盆地內主要的河流、湖泊及引、排水渠等地表水和不同埋深地下水。盆地第四系堆積物厚度大，分布廣泛的松散孔隙介質中，地下水儲存量極其豐富。第四系含水系統分為山前沖積扇單一潛水子含水層系統和細土平原區多層潛水─承壓水子含水層系統，前者位于盆地西北部，以山前暴雨洪流形成的河水、雨水的垂直入滲補給及地下水徑流的側向補給地下水，后者為徑流、排泄區，排水最終匯流于博斯騰湖。盆地潛水系統是一個較復雜的開放系統，潛水位埋深變化幅度大，多在5～20 m，巖性為亞砂土、亞粘土和砂礫的交互層。細土平原區潛水位受河流、湖泊以及側向徑流的影響，一般小于5 m，山前戈壁傾斜平原，潛水位一般10～50 m。地表向下砂礫、石粒逐漸變細，60 m處出現10 m厚的穩定承壓水隔水層。盆地地下水補給來源除河流入滲、地下徑流側向補給外，還有灌溉、降水補給等。依據地下水埋藏條件和水井利用類型將地下水劃分為包氣帶水(上層滯水)、潛水(手壓井)、承壓水(灌溉、自來水井)。圖1

圖1 樣點采集分布及研究區示意
Fig.1 Location of the study area and sampling distribution

1.2 方 法

1.2.1 樣品采集

采用均勻布點、局部加密的原則選擇盆地代表性較強的作物種植區，于2014年7至2015年9月連續4次取樣，并采用GPS定位。地表水取自河流(上、中、下游)斷面、排灌溝渠及湖泊。地下水依據水體類型取樣：(1)包氣帶水，為農田采集土樣(2.6 m深)后的滲水，即未鉆取至潛水位前經包氣帶擴散平衡后積聚形成；(2)手壓井水取自居民家中的潛水井，一般用于家禽飲水和應急生活用水；(3)灌溉水和飲用水(自來水)均為承壓水，灌溉水位于農田灌溉井，80～140 m深；飲用水最深，位于城鎮的集體供水井(140～200 m)。手壓井與機井采用人工或水泵提水，取樣時先用水樣進行清洗，之后放入裝有冰塊的保溫箱中帶回，測試前于冰箱內冷凍保存，分析時對混濁的水樣進行過濾，采用T6(新世紀)紫外可見分光光度計測定N(>)量。

1.2.2 硝態氮污染評價標準

世界衛生組織(WHO)和歐美規定：美國和日本飲用水硝態氮最大允許濃度為10.0 mg/L，歐洲11.3 mg/L[17]。我國《生活飲用水衛生標準》規定：飲用水中硝態氮量不得超過10.0 mg/L，飲用水水源地不得超過20.0 mg/L[18]。地下水質量標準(GB/T14848-93)：硝酸鹽(以N計，mg/L)，Ⅰ類≤2.0，Ⅱ類≤5.0，Ⅲ類≤20.0，Ⅳ類≤30.0，Ⅴ類>30.0。一級硝態氮量為10.0 mg/L，二級20.0 mg/L。根據上述標準及實測值，將硝態氮量分析標準分為：Ⅰ類≤2.0 mg/L、Ⅱ類≤5.0 mg/L、5.0～10.0 mg/L、10.0～20.0 mg/L、>20.0 mg/L(Ⅳ類含量以上)。

2 結果與分析

2.1 焉耆盆地綠洲區水體硝態氮量

此次野外調查取樣包括河流及農田引水渠、排渠、博斯騰湖和不同埋深地下水水樣共364個，分別占取樣總數的8.2%、9.9%、3.8%、76.1%，涵蓋了盆地綠洲農區的地表水、生活及工農業用水。研究表明，地表水(河流及引水渠、排渠)硝態氮平均值分別為1.12、1.81 mg/L，包氣帶、井水分別為24.73、2.40 mg/L。除包氣帶水體外，綠洲區硝態氮量總體較低。井水平均值為地下水質量Ⅱ類標準，表明河流及引水渠的灌溉水、生活用水質量總體較好，但變異系數分別為0.69、1.63，分別屬于中等變異與高變異強度，表明不同類型、區域水體之間具有明顯的差異性。博斯騰湖不同位置取樣的水體變異系數為0.70，屬中等變異強度，表明不同位置排渠匯入的水體硝態氮量有所差異，湖體平均值為0.28 mg/L。取自農田的包氣帶水平均值高達24.73 mg/L，農田化肥的施用使氮素多集中于耕作層。圖1，表1

表1 焉耆盆地綠洲區不同類型水體硝態氮量統計
Table 1 Nitrate nitrogen concentration statistics of different water type of the oasis area of Yanqi Basin

采集水樣類型Watertype樣點數Samplingnumber(個)含量范圍Concentrationrange(mg/L)均值Average(mg/L)標準差(SD)變異系數(CV)地表水Surfacewater河流、引水渠300.30～2.951.120.780.69農田排渠360.08～12.191.812.821.56博斯騰湖140.10～0.670.280.190.70地下水Groundwater包氣帶水78.73～51.3324.7314.420.58井水2770.01～30.412.403.911.63

2.2 焉耆盆地地表水硝態氮量

2.2.1 主要河流及引水渠水體硝態氮量

盆地內常年性河流多分布于西北部，主要河流的硝態氮量比較分析表明，大部分河流硝態氮量總體水平較低，盆地北部常年性河流─清水河硝態氮量最高，為1.52 mg/L，其余河流均在1.0 mg/L以下。不同河流之間因人為因素影響程度及位置不同水體硝態氮量有所差異，盆地內最大的常年性河流─開都河硝態氮量為0.61 mg/L；黃水溝是盆地西北部主要的河流之一，同時也是流入開都河的主要支流，為0.71 mg/L；各行政區主要干渠硝態氮量在1.10 mg/L左右，灌溉地表水水質較好。圖2

圖2 主要河流及引水渠水體硝態氮量
Fig.2 Nitrate nitrogen concentration ofriver of Yanqi Basin

2.2.2 主要農田排渠水體硝態氮量

近些年，隨著耕地面積的不斷擴大，灌溉引水量不斷增加，各縣及團場農區均建有典型的干排，區內排水系統較完善，盆地內排堿渠共計24條，排水直接或間接匯入博斯騰湖。從選取排渠斷面的硝態氮量看，各行政區的主要農田排渠水體硝態氮平均值第二師最高，為2.58 mg/L，其次是博湖縣達1.97 mg/L，其余三縣硝態氮量較低，在1.0 mg/L以下。從實際調查數據看，各行政區農田排渠硝態氮量差異顯著，尤其對于排水面積較大的排堿渠，其中博湖縣種畜場排堿渠硝態氮量高達12.20 mg/L，第二師最高硝態氮量達10.31 mg/L，同樣位于上述兩個行政區的博湖縣黃水育葦公司和22團南干排分別為0.11、0.09 mg/L。目前，焉耆盆地每年大約有2.7×108～3×108m3的農田排水、近 900×104m3的生活污水和1 000×104m3的工業廢水通過農田排渠直接或間接匯入博斯騰湖，這些硝態氮量過高的水體將沿渠滲入地下水形成污染，匯入博斯騰湖后，造成湖區水體出現以硝態氮為代表性的富營養化等一系列問題。相比河流而言，排渠斷面水體間差異性更大，受區域影響顯著。圖3

圖3 各行政區劃排渠硝態氮量
Fig.3 Nitrate nitrogen concentration of drainage for counties

2.3 焉耆盆地綠洲區地下水硝態氮量

2.3.1 不同埋深地下水硝態氮量比較

研究表明，地下水硝態氮量總體水平較低，但不同埋深水體間差異明顯，277眼水井埋深由淺至深平均值分別為3.10、2.22、1.29 mg/L，相同埋深不同區域水體硝態氮量之間相差也較大。手壓井Ⅰ類水體占71.8%，Ⅲ、Ⅳ類分別有18.4%、2%，且存在Ⅴ類水質，表明部分地區潛水質量已不容樂觀，個別區域污染已很嚴重。農田灌水井97.7%的硝態氮量在10.0 mg/L以下，Ⅲ、Ⅳ類水體分別占8.4%、1.5%，無Ⅴ類水體。埋深最大的自來水井多為近些年新建，為集體飲用水井或公用自來水井，水井中無Ⅲ類及其濃度以上水體，最大值為3.81 mg/L，表明盆地飲用水質量較好。上述分析表明地下水硝態氮量與其埋深呈負相關關系，越接近地表的地下水體易受到人為活動的影響而污染，隨著埋深的增加，劣質水體明顯減少，這與硝態氮污染的影響因素、機制及其方式有關。地下水污染主要來源為地表淋溶，氮素在土體中不易被吸附，隨著水流淋失至深層土壤進入地下水，這種淋溶方式決定了淺層地下水污染在先，而深層具有污染的滯后性[2,5]。土體中的銨態氮經硝化作用將變為更易遷移的硝態氮，同樣經由土體淋溶至地下水流而最終進入博斯騰湖或地下水體。目前，盆地綠洲區灌溉及飲用水水質總體較好，但硝態氮污染已進入灌溉井水層，承壓水已受到影響。表2

表2 不同埋深地下水硝態氮量
Table 2 Nitrate nitrogen concentration statistics of different depth of groundwater

地下水類型Groundwatertype樣本數Samplingnumber(個)平均值Average(mg/L)最大值Max(mg/L)硝態氮量Nnitratenitrogenconcentration(mg/L)≤2.02.0～5.05.0～10.010.0～20.0>20.0均值Average比例Per(%)均值Average比例Per(%)均值Average比例Per(%)均值Average比例Per(%)均值Average比例Per(%)手壓井Hand-pumping1033.1030.410.5971.83.447.87.109.713.928.725.862.0機井Motor-pumping灌溉水Irrigation1312.2221.260.7664.13.2826.06.227.610.370.820.821.5飲用水Drinking431.293.850.7472.12.7127.9000

2.3.2 焉耆盆地綠洲區地下水硝態氮量空間分布特征

基于地統計學的Or-Kriging插值方法對此次調查分析的277眼水井硝態氮量進行插值估計，對源數據作對數(Log)轉換并以二階趨勢效應進行插值，在考慮各向異性的情況下選用球狀模型，以上述分級標準得到地下水硝態氮量分區圖。為了校驗插值結果的精度，隨機選取27個采樣點(占樣點個數的10%)作為驗證數據，對剩余250個樣點插值，采用回歸分析的方法進行誤差分析，相關系數為1表示所有點分布于回歸線上，由回歸方程知，相關系數R2=0.756，表示普通克里金插值的精度為75.6%。可以清晰的看出綠洲區硝態氮量的空間分布，從斑塊的分布進一步顯示出綠洲區硝態氮量的異質性，根據斑塊的大小、位置可以看出硝態氮環博斯騰湖且以開都河呈對稱分布，這與盆地的地形地貌及地質構造密切相關。盆地為近乎封閉的地下水匯水的特點[14]，使得硝態氮分布具有一定的對稱性。污染嚴重的區域分布于和靜、和碩縣城周邊，為人口密集造成的生活及城市工礦業污水的排放所致，其余污染較重的區域多位于綠洲區的典型灌區，且在盆地各行政縣都出現Ⅲ類標準硝態氮量或以上的水質斑塊。綠洲區周邊種植區廣泛分布著Ⅱ類地下水硝態氮量，表明綠洲區在集約化種植的影響下，存在潛在污染風險。圖4，圖5

圖4 綠洲區Or-Kriging插值硝態氮量分區
Fig.4 Or-Kriging interpolation partition map of nitrate nitrogen concentration of oasis

圖5 綠洲區Or-Kriging插值誤差回歸分析
Fig.5 The error regression analysis diagram of Or-Kriging interpolation of oasis

3 討 論

綠洲農區水體硝態氮污染主要由農業活動中施用化肥及集中式和分散式的污水處理、管道泄漏、畜禽飼養等引起[1]。近些年，焉耆盆地面臨集約化種植中帶來的一系列生態環境問題，長期引用河水漫灌導致土壤鹽漬化及次生鹽漬化問題嚴重。為防治鹽漬化以及滿足庫爾勒市發展的需水，盆地規劃了供水水源地，且大面積推廣高效節水的灌溉模式，地下水下降過程中攜帶大量氮素的運移。大面積推廣膜下滴灌，每年實行冬春灌需大水漫灌淋洗鹽分，與此同時，將作物生育期土壤中積累的氮素淋洗至地下水。美國、歐美等許多國家曾為硝態氮污染的治理付出了高昂的代價，如通過清潔水法案并設立專項基金用于面源污染治理[19]，德國在巴登州劃定三級標準的水源保護區[20]等，使嚴重的地下水硝態氮污染有所緩解。地下水硝態氮污染的自然修復可長達25～50 a，且人為修復代價高昂[21]。

氮素作為作物生長的必需元素之一，農業種植常通過施入氮肥來實現，焉耆盆地盛產瓜果、加工番茄及色素辣椒等經濟作物，為追求產出，存在盲目投入氮肥的情況。據統計[22]，巴州氮肥施用量(折純)由上世紀90年代的3×104t增至現在的11×104t，第二師氮肥施用量由1×104t升至4×104t，巴州四縣的氮肥施用量近10余年增加了僅4倍，但利用率只有30%～40%。焉耆盆地耕地化肥施用量和單位面積施用量(氮肥)近年來逐步增加，單位面積施用量由90年代的200 kg/hm2增加了近2倍，遠高于發達國家。不合理的農田耕種使氮素在土體殘留積累，在水流淋洗下淺層地下水更容易受到污染[1]，這與研究得出的結果相似，潛水Ⅰ類水體占71.8%，Ⅲ、Ⅳ類分別有18.4%、2%，灌溉水井、自來水井劣質水體驟降，自來水井無Ⅲ類及其硝態氮量以上的水體，同樣相似的結論還有北京市平原農區地下水硝態氮污染源于地表淋溶，過量施用氮肥為主要原因[2]。圖6

圖6 焉耆盆地四縣單位面積氮肥施用量時間序列
Fig.6 Time series of nitrogen fertilizer application amount of unit area in four counties of Yanqi Basin

一般認為，世界上原生水體硝態氮平均值約為0.023 mg/L[23]，地下水本底值不大于3 mg/L[24]，文中調查的河流已超出百倍，農田排渠更為嚴重，為田間氮素的淋洗匯集所致。調查發現，河流湖泊水體污染還與禽畜糞便的排放、漁業飼料投入等有關。地下水硝態氮量接近于本底值，但水體間變異性較大，且在盆地現有種植模式及地下水超采的情況下，硝態氮將不斷滲入地下水并積累，以致通過各種途徑形成污染。近年來，關于硝態氮的研究逐漸由田間尺度針對現有水肥制度下氮素運移及環境效應的評價發展至利用地統計學及數值模擬的方法對流域尺度進行評價分析[3,6]。研究采用地統計學Or-Kriging與GIS技術繪制了綠洲區地下水硝態氮量分區圖，并對插值結果進行了精度的適用性分析。硝態氮量過高的區域大部分為典型灌區，常年的耕作、氮肥投入以及利用效率較低，使綠洲農區地下水硝態氮量升高。研究未進行不同深度地下水硝態氮量的研究，使硝態氮平均值較低，未更準確的說明綠洲區地下水硝態氮量，未來研究可通過分層定量分析及運用地下水數值模擬軟件的溶質運移模塊對硝態氮的運移及污染進行預測研究，以期進一步揭示其面源污染的機理過程。

4 結 論

4.1 焉耆盆地綠洲區水體硝態氮量總體水平較低，河流及引水渠、排渠及博斯騰湖平均值分別為1.12、1.81、0.28 mg/L。水體明顯受人為因素干擾，部分農田排渠硝態氮量較高；地下水中，手壓井、灌溉井、自來水井平均值分別為3.10、2.22、1.29mg/L，地下水硝態氮量與埋深呈負相關關系。不同區域、類型水體間硝態氮量有明顯差異性，變異性較高。

4.2 Or-Kriging插值結果表明焉耆盆地地下水硝態氮污染多集中于人口密集區及典型種植區，水體硝態氮源于農田氮肥的淋失。

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Fund project: National Natural Science Foundation of China "Study on the Characteristics and Regularities of Water and Nitrogen Transport under the Impact of Human Activities in Yanqi Basin" (51369030);Graduate Student Science and Technology Innovation Program of Xinjiang Agricultural University "Temporal and Spatial Characteristics of Nitrate Nitrogen in Oasis Area of Yanqi Basin under Changing Environment" (XJAUGRI2015-009)；Key Discipline Foundation of Xinjiang Hydrology and Water Resources(XJSWSZYZDXK20101202)

Investigation into Nitrate Nitrogen Concentration and Spatial Distribution Study in Water of the Oasis Area of Yanqi Basin

WANG Chang-shu, YANG Peng-nian, ZHANG Han, YU Yan-min

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)

【Objective】 To investigate and study the status of the nitrate nitrogen contamination and spatial distribution in groundwater of the oasis area of Yanqi Basin.【Method】Through field sampling and laboratory analysis, the nitrate nitrogen concentration of 80 samples for surface water and 284 samples from different depths of groundwater was sampled and tested with the method of ultraviolet-visible spectrophotometry absorption in the oasis area of Yanqi Basin, then the status of the nitrate nitrogen contamination and spatial distribution was studied.【Result】The averaged nitrate nitrogen concentration was at a low level except the water of the aeration zone, but the concentration between different types and region was obviously different and the variation was very high. The main rivers and farmland drainage channels were affected by human factors, and the amount of nitrate nitrogen in some farmland drainage ditch has exceeded 10.0 mg/L. The nitrate nitrogen concentration of groundwater and depth were closely related. The order of average concentration was: aeration zone>hand-pumping wells>irrigation wells>tap water wells. With the increase of water depth, the corresponding nitrate nitrogen concentration decreased. After entering the field, the nitrogen is enriched in the soil layer of the aeration zone, which is the starting point of the groundwater. Or-Kriging interpolation results showed that the groundwater of some typical irrigation districts was close to or even exceeded the international groundwater allowable limit (10.0 mg/L), and most of the high concentration was relatively distributed in the typical irrigation area.【Conclusion】The increased amount of nitrogen fertilizer and low utilization applied in intensive cultivation is the fundamental cause of the increase of nitrate nitrogen concentration in water of oasis area of Yanqi Basin in recent years, from which conclusion can be drawn that the excessive nitrogen accumulation in the aeration zone is the potential risk of water pollution.

nitrate nitrogen; spatial distribution; nitrogen fertilizer; Yanqi Basin; oasis

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.10.014

2016-04-26

國家自然科學基金項目“人類活動影響下焉耆盆地水氮遷移特征及規律研究”(51369030)；2015年度新疆農業大學研究生科研創新項目“變化環境下焉耆盆地綠洲區硝態氮時空特征”(XJAUGRI2015-009)；新疆水文學及水資源重點學科基金(XJSWSZYZDXK20101202)

汪昌樹(1989-)，男，河南杞縣人，碩士研究生，研究方向為干旱區水資源利用與保護，(E-mail)yulong1989@126.com

楊鵬年(1966-)，男，新疆烏魯木齊人，教授，碩士生導師，研究方向為干旱區地下水資源利用與管理，(E-mail)ypn10@163.com

S275.6；S274.1

A

1001-4330(2016)10-1877-08