干旱綠洲灌區硝態氮淋失及對地下水污染研究

肖亞奇

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

1 概述

近年來，焉耆盆地內地下水的過度利用及氮肥的大量施用使得地下水中硝態氮含量面臨著快速增加的風險。硝態氮淋失是旱地土壤氮素損失的一個重要途徑，是導致區域性地下水硝酸鹽污染的重要原因[1]，受到土壤質地、水文地質條件等自然因素和灌溉施肥、土地利用方式及地下水資源開發等人為因素的綜合影響，由于淋洗到地下水的硝態氮存在巨大的危害性和難治理性，因此，明晰灌區硝態氮淋失遷移因素及污染情況，對改善綠洲農田環境，控制地下水污染及保護居民生活健康有重要意義。早在20世紀80～90年代，一些發達國家已開始通過限定氮肥的施用量來控制地下水氮污染問題[2]?；趯Νh境問題的關注，近年來對區域氮平衡及施用氮肥造成地下水污染風險的評價成為我國農業與環境研究的熱點[3]。由于干旱半干旱地區降雨較少，早期普遍認為這種氣候條件下的硝態氮淋洗損失很少。然而越來越多的證據表明[4]，在旱地土壤硝態氮大量累積的情況下，其淋洗程度主要受到施肥和灌溉強度的影響。因此，硝態氮淋洗也是旱地土壤氮素損失的一個重要途徑，是導致區域性地下水硝酸鹽污染的重要原因，已經成為全球集約農區重大農業和生態環境問題。明確土壤硝態氮的產生、淋失過程及影響因素，并進一步提出防控措施，具有重要的農藝價值和環境意義。在該領域，國內外學者已經開展了長期、大量的研究，并積累了豐富的資料。本文就干旱綠洲灌區土壤硝態氮淋失情況、影響因素及對地下水污染情況作簡要綜述。本文以新疆焉耆盆地綠洲灌區土壤、地下水中硝態氮為研究對象，開展典型區域的硝態氮分布特征調查與分析，旨在明晰區域淋失因素及污染情況，進而為改善綠洲農田環境和控制地下水污染提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

焉耆盆地綠洲灌區位于天山東段南坡(東經85°54′58″～87°29′6″，北緯41°43′33″～42°26′17″)，行政區隸屬新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱巴州)的焉耆縣、博湖縣、和靜縣及和碩縣(俗稱焉耆盆地北四縣，詳見圖1)。該區在遠離海洋和高山環繞的綜合影響下，具有明顯的干旱區綠洲氣候特征，即干旱少雨、冬寒夏熱、光照充足、蒸發量大等，多年平均降水量為73 mm，多年平均氣溫為8.3℃，水面蒸發能力為1 096 mm(蒸發值為折算后的E601型蒸發器的蒸發量)。灌區內主要是以盆地內的最大河流開都河為主要灌溉水源，其余的則為一些較小的河流，地下水主要由上游的地表徑流補給形成。盆地內灌溉引用的開都河年均徑流量約為12×108m3，剩余水量注入博斯騰湖內作為下游農業用水及維系湖區生態。綠洲區內以加工番茄和色素辣椒等經濟作物為主，同時也種植小麥、玉米。

圖1 研究區地理位置示意

2.2 樣品采集及測定

通過2016—2017年野外調查取樣，獲取研究區灌區土壤及地下水中硝態氮、銨態氮等的指標信息。其中在庫爾勒灌溉試驗站(E86°10'24″，N41°35'14″)進行了不同灌溉定額的冬灌大田試驗，采集冬灌前后土樣12批，每個土壤取樣點均采用GPS定位，利用圓鑿鉆采集土樣，0～100 cm的土層每10 cm采集一個樣，100 cm以上每20 cm取一個樣；同時調查111眼井，共取地下水樣80個。采集的樣品由新疆地礦局第二水文地質工程地質大隊統一檢測。室內測試指標包括簡分析、pH值、電導率、硝態氮、銨態氮、顆粒分析等；現場當天檢測指標包括溫度、溶解氧。通過T6(新世紀)紫外可見分光光度計測定土樣、水樣中硝態氮、銨態氮的濃度，土壤含水率用烘干法測定，電導率值則按1:5水土比配制水溶液使用雷磁DDS—307型電導儀測定。所采集的樣品均嚴格依據《生活飲用水檢驗方法(GB/T 5750—2006)》、《土工試驗方法標準(GB/T 50123—1999)》所規定的方法操作[5]。

3 結果與分析

3.1 硝態氮淋失自然因素影響分析

1) 土壤質地

焉耆盆地土壤質地從西北到東南依次為砂礫石、亞黏土、亞砂土及粉細砂。砂礫石主要分布在和靜縣以西、和碩縣以北的山前平原地帶；亞黏土主要分布在盆地中部平原區的焉耆縣和博湖縣；亞砂土主要分布在和靜縣及和碩縣；粉細砂分布在博斯騰湖以東山前平原區[6]。

通過對檢測水樣統計分析可知(見表1)，研究區共檢測水樣80個，檢出率達100%，在超限值為10 mg/L的標準下，超標率共13.8%，且大部分分布在土壤質地為砂礫石的區域(采樣點11個，超標點6個，超標率54.6%)，其余分布在土壤質地為亞黏土(采樣點37個，超標點4個，超標率10.8%)和亞砂土(采樣點32個，超標點1個，超標率3.1%)的區域。由此說明盆地灌區地下水超標點主要分布在土壤質地為砂礫石的區域，其土顆?？紫遁^大易于硝態氮垂向滲透和遷移[7]。

表1 焉耆盆地地下水組分檢出率與超標率統計

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，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[8]。

由調查結果(見表2、圖2)可知，地下水硝態氮濃度整體隨著埋深的增加而降低。0～5 m埋深最淺，但硝態氮最高含量達到28.73 mg/L，位于焉耆縣下五號渠村，超標率達10%，嚴重超標率達3%；在埋深5～10 m，硝態氮平均含量達到小峰值，13個樣本平均值為3.62 mg/L，最高值為12.48 mg/L，位于和靜縣巴潤哈爾莫頓鎮查汗賽爾村，超標率達8%。說明該區域潛水(埋深0～10 m)已受到硝態氮污染。而對于埋深在100 m以上的地下水樣品，其硝態氮含量最高已達4.6 mg/L，說明硝態氮已經淋溶至100 m以下的地下水。

表2 不同埋深地下水硝態氮含量 mg/L

圖2 不同埋深地下水硝態氮含量示意

總體趨勢是，灌區淺層地下水(埋深0～20 m)硝態氮濃度已超出國家飲用水標準(超限值>10 mg/L)，超標率達11.67%，嚴重超標率達1.7%；中深層地下水硝態氮濃度雖未超標，但已具有受潛在污染的風險。

3.2 硝態氮淋失人為因素影響分析

1) 灌水量

硝態氮的淋失取決于灌水和硝態氮濃度兩個因子[10]。根據灌水量不同在庫爾勒灌溉試驗站的試驗地設置6個灌水處理，灌水時間為2016年11月21日，灌水定額分別為1 200 m3/hm2、1 800 m3/hm2、2 400 m3/hm2、3 000 m3/hm2、3 600 m3/hm2、4 200 m3/hm2，試驗區土壤質地為砂質壤土和砂壤土，每個灌水定額均鉆取6個0～100 cm的土樣，且間隔10 cm取1個樣。為了減少樣本的差異性且節約成本，將同一灌水定額同一層次的土樣均勻混合，標記后帶回實驗室檢測，檢測獲得數據即為硝態氮的平均含量。將取得的數據進行處理并對比分析冬灌前后土壤硝態氮變化情況。

通過表3、圖3、圖4可知，不同定額對土壤硝態氮的淋洗效果在表層(0～10 cm)最顯著，對于中部土層(20～60 cm)范圍，不同灌溉定額下硝態氮的淋洗程度不同，中部土層的平均淋洗率為33.7%、29.6%、28.9%、14.9%、-1.6%、30.2%；對于60～100 cm土層，隨著灌溉定額的增大，硝態氮的淋洗程度差異顯著。由表3可知，不同灌溉定額對整個0～100 cm土層剖面均有不同程度的淋洗，1 800 m3/hm2、2 400 m3/hm2對整個剖面淋洗程度較明顯。

表3 不同冬灌定額下土壤硝態氮淋洗率 %

圖3 不同灌溉定額土壤硝態氮淋洗率統計示意

圖4 不同灌水定額土壤硝態氮含量變化特征示意

2) 施氮量

施氮量是影響硝態氮累積和淋洗的重要因素[11-12]。焉耆盆地水土資源豐富，是新疆主要的特色農牧業產區之一。近年來，隨著集約化生產模式的形成，農業增產增收更依賴于化學肥料的投入，氮肥施用量的增加引起的負效應已表現的越來越突出。據統計，盆地耕地氮肥施用量在以年均7%左右的速度增長，且整個巴州氮肥施用量(折純)由1998年的7.81萬t增至2017年的19.69萬t[13]，增長了1.52倍，但利用率僅有30%～40%左右，比發達國家低10%～20%。圖5為焉耆盆地1998—2017年化肥施用量和單位面積純氮施用量的變化過程。對整個盆地而言，其化肥施用量在1998年僅為2.19萬t，而2017年達到5.06萬t，增加1.31倍(見表4)，盆地單位面積平均施氮量從1998年的176 kg/hm2增加到2017年的486 kg/hm2，增加1.76倍，增長速度接近線性增長(見圖5)。農田施肥對地下水的污染主要受施氮量、灌溉量和土壤質地等綜合作用的影響[14]。

圖5 各年總施肥量及單位面積平均施氮量變化過程

表4 焉耆盆地1998—2017年化肥施用量及平均施氮量

由研究區綠洲灌區內1996—2017年潛水硝態氮濃度年際變化(見圖6)可知，潛水硝態氮平均含量已從1996年時0.02 mg/L增加到2017年的3.45 mg/L，呈現快速增加的趨勢。這是由于潛水與包氣帶直接相通，其濃度變化除了受土壤質地、地下水埋深等因素影響外，主要受降水量、灌溉用水量、氮肥施用量的干擾等較大。

通常情況下，由于硝態氮不易被土壤吸附，大量的降水是引起硝態氮淋洗的主要因素，氮素淋失和降雨量成正相關[15]。焉耆盆地1998—2016年降水量總體呈波動上升趨勢，年平均降水量為174.38×108m3，潛水硝態氮濃度總體變化趨勢與年降水量不完全一致，2014年后出現隨年降雨量的增大而增大的現象。這說明潛水硝態氮濃度的年際動態不只是受降水量的影響，主要還受施肥和灌溉水量的影響。農田灌溉在干旱綠洲灌區發揮重要作用，迅速增長的氮肥施用量和農田灌溉用水量將田間累積的氮素淋洗至地下水中，從而引起硝態氮濃度的增加。

由圖6可知，單位面積施氮量與灌區潛水硝態氮濃度具有明顯的正相關關系，灌區平均每年每公頃土地氮肥施用量增加15.50 kg，其潛水硝態氮平均濃度增加0.22 mg/L。因此，逐年增大的氮肥是影響潛水水質不斷惡化的重要因素。

圖6 1996—2017年潛水硝態氮濃度年際變化示意

4 結語

1) 硝態氮在土壤剖面中的淋失受土壤質地、水位埋深、灌水量、施氮量等多種因素影響，過程較為復雜。不同埋深對地下水硝態氮濃度影響不同，總體呈現出硝態氮含量隨深度的增加而減少的趨勢。其中冬灌是硝態氮淋失最直接的影響，不同灌溉定額對硝態氮的淋洗效果表層較整個土壤剖面更顯著。隨著冬灌定額的增加，中部土層(20～60 cm)的平均淋洗率為33.7%、29.6%、28.9%、14.9%、-1.6%、30.2%，對于60～100 cm土層，隨著灌溉定額的增大，硝態氮的淋洗程度表現差異。冬灌對整個0～100 cm土層剖面均有不同程度的淋洗。

2) 逐年增大的氮肥是影響潛水水質不斷惡化的重要因素，其正在以平均每年15.50 kg/hm2的速度迅速增加，已造成潛水硝態氮濃度每年增加0.22 mg/L的趨勢。

3) 灌區淺層地下水已受到污染，超標率(超限值>10 mg/L)達11.67%，嚴重超標率(超限值>20 mg/L)達1.7%，且主要分布在土壤質地為砂礫石的區域，中深層地下水硝態氮的濃度雖未超標，但已具有受潛在污染的風險。