遼寧省典型農(nóng)區(qū)地下水硝態(tài)氮含量調(diào)查與監(jiān)測(cè)

牛世偉　鄒曉錦　何志剛　蔡廣興　陳玥　劉子琪　隋世江

摘要：農(nóng)村地下水NO-3-N含量超標(biāo)日益嚴(yán)重，為了解和評(píng)價(jià)其污染狀況，2005—2012年對(duì)遼寧省典型農(nóng)區(qū)供水井或農(nóng)灌井地下水NO-3-N含量進(jìn)行了15次化驗(yàn)監(jiān)測(cè)，累計(jì)2 839井次。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遼寧省典型農(nóng)區(qū)地下水NO-3-N含量平均值為22.7 mg/L，41.5%的地下水水樣的NO-3-N含量超標(biāo)。研究區(qū)域地下水NO-3-N含量≤29.5 mg/L的樣品占總數(shù)的83.9%，地下水NO-3-N含量≤49.2 mg/L的樣品占總數(shù)的90.7%。2005—2009年地下水NO-3-N含量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，但變化相對(duì)較為穩(wěn)定，2009—2012年地下水NO-3-N含量變化相對(duì)不穩(wěn)定，但總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)雨季前的地下水NO-3-N平均含量及超標(biāo)率大于雨季后的。除2007、2008年雨季前外，地下水NO-3-N含量最大值變化較為平穩(wěn)，介于75.1～167.1 mg/L，但雨季前的最大值要高于雨季后的最大值。

關(guān)鍵詞：農(nóng)區(qū)；地下水；硝態(tài)氮；遼寧省；監(jiān)測(cè)；評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： X832 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0452-03

氮是農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，由于人們過高追求農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，不合理使用化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，使氮素營(yíng)養(yǎng)物及有機(jī)、無機(jī)污染物通過地表徑流和農(nóng)田淋溶，造成對(duì)江河、湖泊及溪流等水體污染[1]。Thorburn等測(cè)定了澳大利亞東北農(nóng)區(qū)地下水NO-3-N含量，發(fā)現(xiàn)14%～21%的井水NO-3-N含量超標(biāo)，其中約有50%水井的NO-3-N直接來源于肥料等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料[2]。王鐵軍等分析了山東省萊西地區(qū)施肥對(duì)地下水NO-3-N含量的影響，發(fā)現(xiàn)氮肥對(duì)地下水NO-3-N的補(bǔ)給量占當(dāng)次施肥量的24%和43%，進(jìn)入地下水中NO-3-N含量分別約為130、177 mg/L，高于當(dāng)?shù)氐叵滤甆O-3-N平均含量（63.5 mg/L）濃度[3]。化肥是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的主要措施之一，氮肥年用量達(dá)250～ 350 kg/hm2。通過氮同位素技術(shù)判別氮的來源表明，過量的氮肥或不合理施用，是造成土壤和水體中的NO-3-N含量過高的原因之一[4-6]，不合理施氮浪費(fèi)氮肥資源和增加農(nóng)產(chǎn)品成本，而且導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品及飲用水中NO-3-N含量超標(biāo)，威脅人類健康[7]。北方飲用水樣中半數(shù)以上樣點(diǎn)硝酸鹽含量超過飲用水的最大允許量[8]；華北平原地下水硝態(tài)氮含量達(dá)12.5～30.1 mg/L[9]；皖北農(nóng)區(qū)地下水硝態(tài)氮超標(biāo)嚴(yán)重，60%以上的飲用井水硝態(tài)氮含量超標(biāo)，氮肥過量及利用率低，是造成地下水硝態(tài)氮含量超標(biāo)的主要原因[10]。

NO-3-N含量影響地下水的質(zhì)量，水體中NO-3-N含量成為水質(zhì)的重要指標(biāo)之一[11]。人類飲用NO-3-N含量超標(biāo)的水后，容易引起腸道功能紊亂，硝酸鹽可在人體內(nèi)被還原為亞硝酸鹽，對(duì)身體健康直接構(gòu)成威脅[12]。我國(guó)制定的地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中地下水NO-3-N含量小于20 mg/L（GB/T 14848—1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》），超出則不適合生活飲用水。本研究以遼寧省典型農(nóng)區(qū)為調(diào)查監(jiān)測(cè)區(qū)域，連續(xù)8年對(duì)農(nóng)區(qū)供水井或農(nóng)灌井地下水NO-3-N含量進(jìn)行了15次化驗(yàn)監(jiān)測(cè)，探討遼寧省典型農(nóng)區(qū)地下水NO-3-N含量變化規(guī)律，為科學(xué)合理施肥并有效預(yù)防農(nóng)區(qū)地下水NO-3-N含量超標(biāo)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)區(qū)基本情況

本研究監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)區(qū)域涉及水稻主產(chǎn)區(qū)、蔬菜主產(chǎn)區(qū)、玉米主產(chǎn)區(qū)，典型區(qū)域包括沈陽(yáng)市的沈北新區(qū)、蘇家屯區(qū)、于洪區(qū)、新民市、遼中縣，錦州市的黑山縣、北鎮(zhèn)市，鐵嶺市的開原市、鐵嶺縣、昌圖縣，共10個(gè)縣（市、區(qū)），耕地面積93.4萬hm2，占全省的23.40%。水稻主產(chǎn)區(qū)年灌水量7 500～12 000 t/hm2，長(zhǎng)期連作，化肥用量120～750 kg/hm2。蔬菜主產(chǎn)區(qū)年灌水量6 000～12 000 t/hm2，雞糞用量75 000～120 000 kg/hm2，復(fù)合肥用量3 000～4 500 kg/hm2，連作20年以上。玉米主產(chǎn)區(qū)實(shí)行機(jī)械播種，一次性高氮施肥較為普遍，秸稈還田量較少，一般只進(jìn)行根茬還田，連作15年以上，化肥用量750～900 kg/hm2。

1.2 取樣與方法

2005—2012年，在研究區(qū)域采集農(nóng)戶供水井或農(nóng)灌井地下水水樣2 839個(gè)。在采樣前排水10 min，用蒸餾水沖洗塑料瓶，采樣時(shí)在塑料瓶中加少量硫酸酸化樣品并冷凍或加入HgCl抑制微生物活動(dòng)，取水樣500 mL，并設(shè)重復(fù)3次。每取1個(gè)樣點(diǎn)，塑料瓶粘貼標(biāo)簽，標(biāo)明編號(hào)、日期、采樣人。記錄本登記采樣具體地點(diǎn)，并用GPS測(cè)定位置。采用紫外分光光度計(jì)于波長(zhǎng)為220、275 nm測(cè)定NO-3-N含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水硝態(tài)氮含量總體特征

2005年6月至2012年10月分別于雨季前（每年6月份）和雨季后（每年9月份）共15次在遼寧省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域采集供水井或農(nóng)灌井地下水樣品2 839井次，遼寧省農(nóng)區(qū)地下水NO-3-N含量變化范圍為痕量～541.5 mg/L，平均值為 22.7 mg/L，已經(jīng)超過國(guó)家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14848—1993（20 mg/L），41.5%的地下水樣超標(biāo)，達(dá)標(biāo)率僅為58.5%。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水分別為18.0%、9.9%、30.6%、166%、24.9%。遼寧省農(nóng)區(qū)地下水NO-3-N達(dá)標(biāo)率較低，而且潛在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)也較大，Ⅲ類水已經(jīng)達(dá)到30.6%，在所有取樣點(diǎn)中，超標(biāo)的水樣有1 184井次（表1）。

監(jiān)測(cè)時(shí)期雨季前、雨季后地下水NO-3-N平均含量分別為26.0、19.3 mg/L，雨季前比雨季后高6.7 mg/L。雨季前、雨季后地下水NO-3-N含量達(dá)標(biāo)率分別為56.0%、60.9%，除Ⅱ類水雨季前和雨季后所占比例分別為8.0%、11.9%外，其他各類水體所占比率相差不大。雨季前地下水NO-3-N含量變異系數(shù)要高于雨季后地下水NO-3-N含量變異系數(shù)，雨季前地下水NO-3-N含量最大值（541.5 mg/L）大于雨季后地下水NO-3-N含量最大值（158.2 mg/L），雨季前各取樣點(diǎn)地下水NO-3-N含量離散程度要高于雨季后。因此，雨季前地下水NO-3-N含量所受影響要大于雨季后，形成了研究區(qū)域不同取樣點(diǎn)地下水NO-3-N含量不均一性。endprint

當(dāng)NO-3-N含量在29.5 mg/L之前，累積頻率增速最快，累積頻率達(dá)到了83.9%，即NO-3-N含量≤29.5 mg/L，占樣品總數(shù)的83.9%；之后累積頻率增速迅速下降，NO-3-N含量為49.2 mg/L時(shí)，累積頻率達(dá)到了90.7%，即NO-3-N含量≤49.2 mg/L，占樣品總數(shù)的90.7%（圖1）。把總體樣本分成2 839+1=55個(gè)組，每個(gè)組的數(shù)據(jù)空間為（0～541.5）/55=98 mg/L，再計(jì)算落入該空間的頻率（頻數(shù)/樣本總數(shù)×100%），獲得遼寧省地下水NO-3-N含量分布圖（圖2）。NO-3-N含量落入空間[0～9.8] mg/L的頻數(shù)最高，占樣品總數(shù)的34.0%。在空間[19.7，29.5] mg/L，空間頻率呈上升趨勢(shì)，之后各空間成下降趨勢(shì)，到空間[118.1，128.0] mg/L時(shí)，其頻率接近于0。

2.3 地下水硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化

遼寧省地下水NO-3-N平均含量達(dá)標(biāo)的年份為2005、

2006、2007、2010、2012年（圖3）。監(jiān)測(cè)期間，有3年地下水NO-3-N平均含量超標(biāo)，從2008年開始出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)，其中以2011年（38.1 mg/L）最高，其次為2009年的 29.6 mg/L，超標(biāo)率分別達(dá)到了90.4%、48.1%。以采集樣品時(shí)間動(dòng)態(tài)的趨勢(shì)來看，2000—2009年呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，變化相對(duì)較為穩(wěn)定；2009—2012年又呈現(xiàn)高-低-高-低的變化形式，但2005—2009年總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。各監(jiān)測(cè)時(shí)期變異系數(shù)變化相對(duì)NO-3-N含量變化較為穩(wěn)定，變異系數(shù)為70%～170%。

從2005—2012年雨季前地下水NO-3-N結(jié)果看，從2005年雨季前開始到2012年雨季前8個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)期，地下水NO-3-N平均含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，與全年平均值走勢(shì)相當(dāng)。從2005年雨季前至2009年雨季前呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，變化也相對(duì)較為穩(wěn)定。從2009年雨季前至2012年雨季前也同樣呈現(xiàn)高—低—高—低的變化形式，出現(xiàn)了不穩(wěn)定趨勢(shì)，但總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。變異系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，介于67%～180%之間（圖4）。

從2006—2012年雨季后地下水NO-3-N結(jié)果（圖5）看，從2006年雨季后開始到2009年雨季后4個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)期，地下水NO-3-N平均含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，2009年上升的幅度最

大；而2009—2010年下降的幅度最大，呈現(xiàn)了不穩(wěn)地的態(tài)勢(shì)；2010—2012年同樣出現(xiàn)NO-3-N含量上升的趨勢(shì)。總體的變異系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，介于74%～127%之間，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

2.4 地下水硝態(tài)氮含量超標(biāo)率變化

地下水NO-3-N含量20 mg/L超標(biāo)率范圍在22.5%～73.2%。由不同監(jiān)測(cè)時(shí)期地下水NO-3-N含量及超標(biāo)率曲線可知，2條曲線有較大的相似度，說明NO-3-N含量平均值與超標(biāo)率相關(guān)度較大，并且呈現(xiàn)低高低高的規(guī)律性，說明雨季前的含量大于雨季后的含量，雨季前的超標(biāo)率大于雨季后的超標(biāo)率（圖6）。

2.5 地下水硝態(tài)氮含量年度最大值變化

2008年雨季前NO-3-N含量最大值在所有的樣本中最大為541.5 mg/L，其次為2007年雨季前的396.7 mg/L，其他時(shí)期的NO-3-N最大值都比較平穩(wěn)，為75.1～167.1 mg/L，但雨季前的最大值要高于雨季后的最大值，雨季后的最大值比雨季前的趨于穩(wěn)定（圖7）。

3 結(jié)論

遼寧省農(nóng)區(qū)地下水NO-3-N含量平均值為22.7 mg/L，41.5%的地下水水樣超標(biāo)，達(dá)標(biāo)率為58.5%，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水分別為18.0%、9.9%、30.6%、16.6%、24.9%，遼寧省地下水NO-3-N含量達(dá)標(biāo)率較低，而且潛在超標(biāo)可能性較大。

研究區(qū)域地下水NO-3-N含量≤29.5 mg/L，累積頻率增速最快，占樣品總數(shù)的83.9%，之后累積頻率增速下降；地下水NO-3-N含量≤49.2 mg/L，占樣品總數(shù)的90.7%。地下水NO-3-N含量在痕量～9.8 mg/L的頻數(shù)最高，占樣品總數(shù)的34.0%。

2005—2009年地下水NO-3-N含量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，但變化相對(duì)較為穩(wěn)定；2009—2012年地下水NO-3-N含量變化較為不穩(wěn)定，但總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

不同監(jiān)測(cè)時(shí)期地下水NO-3-N含量變化呈現(xiàn)低高低高的規(guī)律性，并且雨季前的NO-3-N含量大于雨季后的 NO-3-N 含量，雨季前的NO-3-N含量超標(biāo)率大于雨季后的 NO-3-N 含量超標(biāo)率。

除2007、2008年雨季前外，地下水NO-3-N含量最大值都比較平穩(wěn)，介于75.1～167.1 mg/L之間，但雨季前的最大值要高于雨季后的最大值，雨季后的最大值比雨季前的更趨于穩(wěn)定。

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