基于整合分析法的地下水反硝化強度研究

郇 環，張軍軍，楊 昱，馬雄飛，廉新穎，賈永鋒，姜永海*

（1.中國環境科學研究院，國家環境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012；2.廣東省地質局，廣州 510080；3.中國地質大學（北京），北京 100083）

近幾十年來，NO-3-N作為世界范圍內地下水中最為普遍的污染因子[1-3]，對人體健康造成了一定威脅和危害[4]。地下水具有一定的自凈能力，其中凈化NO-3-N的主要機制為反硝化作用[5]。含水層中的反硝化作用是NO-3-N在微生物作用下轉化為N2O或N2的過程[6]。反硝化作用強度越大，地下水中硝酸鹽的自凈能力越強。因此，掌握含水層中的反硝化作用強度及其影響因素，可為地下水硝酸鹽污染防控和修復提供重要理論依據。

反硝化作用強度可由反硝化速率或反硝化潛力表征。國內外地下水中的反硝化作用強度研究一直以人為添加硝態氮的控制性試驗為主，因此目前研究成果以反硝化潛力為主，反硝化速率的測定研究相對較少。地下水反硝化作用強度的測定研究相比于土壤要少得多，且在國外研究較多，國內仍處于起步階段。目前國內外研究者大多通過培養或模擬含水層材料等室內試驗[7-10]或利用地下水井原位試驗[11-12]等方式來實現。反硝化作用試驗以野外原位試驗居多，其中地下水井抽注試驗最為常見[13-14]。原位抽注試驗通過對比NO-3-N消耗過程與Br-、SF6[15-16]等普通示蹤劑穿透曲線之間的關系[17-20]，或利用15N同位素示蹤計算反硝化產物速率等方式[11，21]得到反硝化強度值。試驗過程中涉及的研究方法包括乙炔抑制法[22]、同位素稀釋法和氣壓過程分離法等[16]。用于野外原位反硝化試驗的地下水井包括傳統常規監測井、多級監測井[23]以及有水力聯系的多個循環井[24]等類型。

水文地質條件普遍存在明顯的垂向變化，不同含水介質類型和不同取樣深度上發生反硝化作用的水化學環境不同，這些條件對反硝化作用強度有著重要影響。深層地下水的水文地質條件更復雜（如斷層構造導致的高滲透性或優先流）[25]，且進行無擾動采樣試驗的難度很大，導致開展反硝化作用試驗研究的難度非常大。因此，目前地下水反硝化作用的垂向空間分布規律尚不明了。Korom[26]曾對經典的室內外試驗測定的反硝化速率結果進行了簡單總結，研究成果截止到上世紀90年代初，因此也缺乏全面的含水介質類型下的反硝化強度統計分析。

整合分析是在同一研究主題下對不同研究成果的數據進行匯總和綜合分析[27-28]。本研究擬通過對目前國內外已有的地下水反硝化強度的研究成果進行整合分析，從宏觀上掌握不同含水介質和不同深度上地下水反硝化強度的取值范圍和分布規律，從微觀上明確不同含水層環境因子對地下水反硝化強度的影響程度。研究結果可為地下水中硝酸鹽轉化過程機理研究、地下水硝酸鹽污染防控與修復等領域提供重要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源和質量控制

同時以“地下水”和“反硝化”為主題，在中國知網、維普科技期刊數據庫、Web of Science（核心庫）中對1957—2017年間發表的論文進行檢索，共獲得論文3185篇，其中與地下水反硝化強度有關的論文有740篇，包括中文論文485篇，英文論文255篇。篩選得到與地下水反硝化強度研究密切相關的文獻共38篇，涉及國內外22個研究區，文獻篩選標準為（1）具有明確的反硝化速率或反硝化潛力數據，或包括可解析計算反硝化作用強度的圖片或表格；（2）含有含水介質類型、試驗取樣地點、采樣深度、溶解氧等地下水背景理化性質等信息。從這些文獻中共提取獲得80組地下水反硝化強度數據以及相應的地下水理化性質參數，統計信息見表1。所選文獻涉及的反硝化強度單位以μg·kg-1·d-1為主，個別單位為 mg·kg-1·a-1，后者乘以（365/1000）即可統一標準化為前者。反硝化強度單位意義指單位時間內在單位質量含水介質中硝態氮發生反硝化作用的凈減量。

1.2 數據分析方法

本次研究的技術路線見圖1。首先對已獲得的地下水反硝化強度與理化性質數據集進行整理和標準化。其次，總結各類典型含水介質中的反硝化強度取值范圍。然后，對不同取樣深度的反硝化強度統計分析，總結反硝化強度的垂向空間分布規律。最后，重點探討不同取樣深度和溶解氧（Dissolved oxygen，DO）濃度分級條件下反硝化強度的影響因素。

表1 所獲數據的統計信息Table 1 Statistics of the data related to denitrification

圖1 技術路線圖Figure 1 Technical flowchart

2 結果與討論

2.1 不同含水介質中的反硝化強度統計分析

本研究在Korom總結基礎上，完善統計了室內和野外原位不同試驗條件下不同含水介質中的反硝化強度試驗結果，見表2和表3。對典型含水介質類型下的反硝化強度進行歸類后可知，黏土和粉土約730 μg·kg-1·d-1；砂壤土和壤砂土為1～330 μg·kg-1·d-1；細砂為 0.1～193 μg·kg-1·d-1；粗砂為 9～200 μg·kg-1·d-1；砂為190～3100 μg·kg-1·d-1；砂礫石為1.83～283.6 μg·kg-1·d-1，甚至可達到 7646 μg·kg-1·d-1[29]；砂卵石層中的反硝化強度為 4～82 μg·kg-1·d-1；碎石夾黏土為100～440 μg·kg-1·d-1；砂巖和頁巖為 9.2～470 μg·kg-1·d-1；灰巖為 1.4～6.4 μg·kg-1·d-1。部分研究表明，不同的含水介質有著不同的顆粒大小和粒間孔隙，孔隙過小可能會抑制反硝化微生物的生長，并影響其運移[30]；也有學者認為小孔隙（大約50 μm）不會對微生物的生長造成影響，而地下水流速才是抑制微生物膜生長的原因[31]。因此，粒間孔隙對于反硝化強度的影響還不確定，含水介質類型與反硝化強度之間未呈現明顯的規律性。

表2 室內實驗測定的地下水反硝化強度Table 2 Groundwater denitrification intensity measured by laboratory experiment

2.2 不同取樣深度下的反硝化強度統計分析

不同取樣深度下地下水中反硝化強度統計分析結果見表4。結果表明，反硝化強度值在12～22 m區間內達到峰值107.69 μg·kg-1·d-1，高于0～12 m和＞22 m區間內的反硝化強度，反硝化強度沿含水層垂向上先逐漸增大后大幅減小，在某深度處存在峰值。Jah?angir等[23]的反硝化試驗研究得出下層土與基巖接觸帶的地下水反硝化強度高于該深度的下層土及低于該深度的基巖所對應的反硝化強度；Weymann等[9]開展的室內試驗觀察到自養區（地面以下6.5～7 m）的NO-3去除強度明顯高于淺層區域（地面以下1.5～4 m）。這均與本研究結論基本一致。

2.3 含水層反硝化強度的影響因素分析

含水層反硝化強度的影響因素包括NO-3-N濃度、DO濃度、營養物質和微量元素、Eh、pH、溫度、含水介質孔隙、微生物活性、鹽度和抑制物質等[42]。含水層中不同深度的水文地球化學環境不同，對于使反硝化作用發生的DO濃度限值的認識也并不一致[23，43-45]。因此，本研究根據不同取樣深度和DO濃度分級研究了反硝化作用強度的影響因素。參照某一反硝化試驗場地[23]的情況，取樣深度分為0～6、6～12、12～22 m和＞22 m四個等級。結合前人的研究成果將DO濃度分成0～0.2、0.2～2、2～6 mg·L-1和＞6 mg·L-1四個等級。

表3 野外抽注實驗測定的地下水反硝化強度Table 3 Groundwater denitrification intensity measured by field experiment

2.3.1 不同取樣深度反硝化作用強度的影響因素

為識別不同深度下的地下水反硝化強度的主要影響因素，采用Spearman等級相關性系數法進行統計分析，計算結果見表5。結果表明，取樣深度為0～6 m時，反硝化強度與地下水位埋深（0.03～4.2 m）、NO-3-N濃度（0.40～27.59 mg·L-1）、DO 濃度（0.60～9.51 mg·L-1）呈顯著負相關關系，與溫度（12.0～21.4℃）和有機碳濃度呈顯著正相關關系。推測對于淺層含水層，以異養反硝化作用為主，有機碳濃度是影響反硝化強度的主導因素，有機碳為反硝化微生物的生長和新陳代謝提供了足夠的能量，其含量越高，反硝化強度越大。地下水位埋深越大，淋濾進入地下水的有機碳含量越低，不利于反硝化作用的進行。NO-3-N濃度過高時，會抑制N2的生成而導致N2O不斷累積，不利于反硝化作用的進行[46]。當DO濃度較高時，分子態氧成為NO-3-N的競爭性電子受體氧化分解有機物，不利于反硝化作用的進行。溫度主要通過影響反硝化微生物的活性來影響反硝化強度，12.0～21.4℃處于微生物生存的適宜范圍。取樣深度為6～12 m時，有機碳濃度（437.95～1 488.87 mg·L-1）仍是影響反硝化強度的主導因素，二者呈顯著正相關關系。取樣深度為12～22 m時，反硝化強度與NO-3-N濃度（0.63～12.6 mg·L-1）呈顯著負相關。當取樣深度大于22 m時，Eh（-24～276 mV）通過影響地下水中可溶性離子的存在形式成為影響反硝化強度的主導因素，二者呈顯著負相關關系。

表4 不同取樣深度下的地下水反硝化強度統計表（μg·kg-1·d-1）Table 4 Statistical of groundwater denitrification intensity under different sampling depths（μg·kg-1·d-1）

表5 不同取樣深度下反硝化強度和理化性質之間的Spearman相關性分析Table 5 Spearman correlation analysis between denitrification intensity and physicochemical properties at different sampling depths

2.3.2 不同DO濃度等級反硝化作用強度的影響因素

表6統計了不同DO濃度等級下的地下水反硝化強度。結果表明，DO濃度為0.2～2 mg·L-1時反硝化強度最大，均值可達90.94 μg·kg-1·d-1；濃度為2～6 mg·L-1時反硝化強度次之，可達51.26 μg·kg-1·d-1；DO濃度大于6 mg·L-1時反硝化強度值明顯降低，均值為10.60 μg·kg-1·d-1。這三個DO濃度范圍的反硝化強度符合兩者之間為負相關關系的普遍規律。但當DO濃度小于0.2 mg·L-1時，反硝化強度值最低，均值為5.91 μg·kg-1·d-1，與前人[45]研究得到的該濃度下的反硝化強度最為理想的結論不一致。原因是DO濃度為0～0.2 mg·L-1的10個樣本的采樣深度由5 m變化至66.5 m，跨度較大，數據的代表性可能不強。

為進一步了解在不同DO濃度下，影響反硝化強度的主要環境因素，本文分析了其他理化性質與反硝化強度的相關性，統計分析結果見表7。結果表明，DO濃度為0～0.2 mg·L-1時反硝化強度與SO24（-5.10～52.03 mg·L-1）呈不顯著正相關關系，可能以自養反硝化作用為主；DO濃度為0.2～2 mg·L-1時反硝化強度與取樣深度、地下水位埋深、NO-3-N濃度和Eh均呈不顯著負相關關系；DO濃度介于2～6 mg·L-1時，反硝化強度與取樣深度（0.65～3 m）呈顯著負相關關系，與溫度（12～18.6℃）呈顯著正相關；DO濃度大于6 mg·L-1時地下水屬強氧化環境，反硝化強度與Eh（163～387 mV）之間呈顯著負相關關系。

表6 不同DO濃度下的地下水反硝化強度統計表（μg·kg-1·d-1）Table 6 Statistics of groundwater denitrification intensity under different DO concentrations（μg·kg-1·d-1）

表7 不同DO濃度下反硝化強度和其他理化性質之間的Spearman相關性Table 7 Spearman correlation between denitrification intensity and other physicochemical properties at different DO concentrations

2.4 統計結果的不確定性分析

本次研究統計結果存在一定不確定性，主要來自于試驗方法、計算方法和統計過程等方面。

（1）不同研究區所采用的反硝化強度測定方法不同。本文所統計的反硝化強度數據來自于室內試驗和野外試驗。其中，室內試驗易創造嚴格的厭氧環境而使反硝化強度被高估[26]，相比來說，野外試驗得到的反硝化強度結果更接近真實值。由于不同水文地質條件下地下水水流速度的差異，不同類型的反硝化微生物對于外加硝酸鹽溶液的適應能力的不同，大多野外試驗均開展預試驗以確定反硝化試驗溶液在地下水井的培養時間，過早或過晚抽出都會影響試驗結果，培養時間幾小時到幾天不等[23]。

（2）不同研究區所采用的反硝化強度計算方法不同。一是本文所統計的反硝化強度測定試驗多以反硝化作用產物N2O和N2進行反算，而忽略了中間產物NO-2和NO，使得反硝化強度被低估[16]。不同研究者采用的N2O收集方法有所差異，其操作規范程度[47]以及產物N2和空氣中N2的區分情況也都可能影響計算結果。二是部分文獻忽略了含水層中存在的稀釋、平流和彌散等物理過程，使得反硝化強度被低估[48]。三是計算反硝化強度常采用15N同位素示蹤法或基于Br-、SF6等示蹤劑的濃度穿透曲線法，兩種計算精度不同，其中15N方法高于Br-和SF6方法[7，11]。15N同位素示蹤法是將地下水反硝化作用最終產物生成速率表征為反硝化強度，如下式所示[23]。

式中：Rdef表示地下水反硝化強度，μg·kg-1·d-1；M（15N2O-N）+M（15N2-N）表示反硝化反應后單位體積水中含有的產物N2O和N2的總質量，μg；DMS表示單位體積含水介質的干質量，kg；T表示反硝化反應時間，d。

濃度穿透曲線計算法是通過測定示蹤劑Br-或SF6濃度、反應物的殘留量（NO-3）和可能產物（如NO-2、NO、N2O、N2）的濃度，繪制成濃度穿透曲線[20（]圖2）。惰性離子或氣體示蹤劑用于計算C/C0，其中C表示注入井水后不同時間段的示蹤劑濃度，C0表示注入井水前的示蹤劑濃度。

圖2 用于計算反硝化強度的濃度穿透曲線圖Figure 2 Concentration breakthrough curve for calculating the denitrification intensity

（3）取樣深度和DO濃度所采用的劃分方法具有一定的主觀性。

3 結論

（1）大多含水介質中的反硝化強度處于10-1～102μg·kg-1·d-1量級范圍內，個別砂、砂礫石含水介質可以達到103μg·kg-1·d-1量級范圍。含水介質粒間孔隙大小與反硝化強度未呈明顯相關關系。

（2）反硝化強度沿含水層垂向上先逐漸增大后顯著減小，在某深度處存在峰值。但由于含水介質等的不同，峰值對應的深度存在明顯的區域差異。對于淺層含水層有機碳豐富的區域，以異養反硝化作用為主。反硝化強度主要受有機碳濃度影響，同時受NO3--N濃度、DO濃度、地下水位埋深、溫度等因素影響較大。在深層含水層中，反硝化強度主要受Eh值影響。

（3）DO濃度與反硝化強度值整體符合負相關關系。當DO濃度介于2～6 mg·L-1時，反硝化強度與取樣深度呈顯著負相關，與溫度呈顯著正相關；當DO濃度大于6 mg·L-1時，Eh是反硝化強度的主導因素。

4 展望

目前，含水介質結構、實際水文地質狀況和水化學環境復雜、采樣過程難度大等原因造成國內外含水層中反硝化強度研究成果相對較少。近十年，隨著同位素技術、微生物技術和地下水采樣技術的提升以及分子生物學、污染水文地質學等學科的發展，研究重心從室內試驗轉向野外原位定量試驗。基于該領域當前發展水平下獲取的數據和認識還比較有限，很多問題仍需進一步研究：

（1）當前的反硝化強度研究以控制性試驗為主，測定的反硝化潛力是在添加外源硝態氮的條件下獲得的，為了能夠更加客觀確定含水層中反硝化強度，需加強直接測定反硝化速率的試驗研究。

（2）目前在野外原位反硝化強度測定試驗中多以單井抽注試驗為主，為了更好地揭示含水層中硝酸鹽衰減規律，需加強開展多井抽注試驗。

（3）含水層中硝酸鹽發生反硝化作用的必備條件有三個，一是存在硝酸鹽、反硝化微生物和電子供體（如有機碳、還原性鐵/硫等），二是厭氧或半厭氧狀態，三是有利的環境條件，如適宜的溫度、pH、鹽度、硝酸鹽濃度、含水介質等[42]。因此，應加強含水介質孔隙、阻礙反硝化作用的其他物質（如重金屬、殺蟲劑和農藥等[49]）和微生物活性[50]對地下水中反硝化強度的影響研究。特別是，對于反硝化作用中有效微生物的代謝途徑和特定微生物的特性仍不清楚[51]，加強反硝化微生物試驗有利于探索影響反硝化作用的更深層次的因素。

（4）隨著全球范圍內對糧食和能源日益增長的需求，人為投入的氮極大地改變了氮的生物地球化學循環，過量的氮素投入導致地下水硝酸鹽含量超標等環境問題，因此量化研究地下水中的氮循環過程是區域環境和人類健康的重要議題[52]。含水層反硝化過程是全球氮循環過程中的重要組成部分，反硝化過程產生的N2、NO和N2O是氮支出比例最高的去向[53]，因此加強含水層反硝化強度精確定量研究，進一步研究地下水氮素輸出量，對保護水生態環境、保持大尺度及全球氮循環動態平衡具有重要意義。