張掖市周邊集約化農區地下水硝態氮污染來源與防治研究

王嘉琦，鄧浩亮

（河西學院土木工程學院/河西走廊水資源保護利用研究所 甘肅，張掖 734000)

張掖市位于河西走廊中部，以張掖市城區及周邊集約化農區為主要研究區域，總面積約為110km。該范圍內兩條河流穿過，其一為祁連山發源的黑河流經城西至正北方向，其次為山丹河，方向為城北向西北。農作物主要以玉米、小麥和稻谷等為主，相較于工業發展狀況，農業則為主要產業。同時，人口分布較為均勻，但近年人口增長速度加快，地下水過量開采以及工業污水的違規排放、耕地的過分開發等情況加劇了地下水的污染程度，加速了地下水的硝態氮的污染，使點源污染擴散到面源污染。在研究區中，西部的地下水類型為單一型大厚度砂礫卵石孔隙潛水，多層性砂礫石潛水——承壓水為東部主要類型，表層以亞砂土與亞粘土覆蓋為主，城北區域大多為湖沼沉積層。通過實地考察，以集約化農區為研究區域，結合降雨前后時間段采集數據，確保采集到的數據能夠進行客觀分析。按照國家《水環境監測技術規范》要求，采樣點通過GPS定位，以地下50cm為抽汲水準，將采集到的樣品進行編號排列進行分析，整合數據，完成資源獲取。

1 地下水的污染形式與危害

1.1 地下水硝酸鹽的主要來源與污染形式

地下水資源被污染具有一定的復雜性與特征性，主要污染來源包括生活污水、大氣層內氮的沉降、牲畜禽養殖以及化肥有機肥等多種來源。同時地下水硝酸鹽也出現多源性特點，污染類型分為兩大類：點源型與非點源型。工業污水，城市居民污水，污水管道泄露等屬于點源污染；非點源污染包括污水灌溉、化肥有機肥的施用、建筑工地地表污染等。非污染源相較于點源污染，污染面積更為廣泛且更難于治理。污染的遷移與轉化過程以物理、化學變化為主：物理過程包含補給速率、水文遷徙等：化學變化以礦物組成和氧還反應為主。大多數研究結果顯示施氮量過高，水分輸入量大以及土壤的進水效率較高，孔隙率高或缺少氮消減的環節，都會造成氮含量過高造成地下水硝酸鹽含量超標。可持續利用地下水資源是社會經濟可持續發展的重要保證。地下水污染具有隨機性、不確定性、復雜性以及滯后性。在水資源的循環過程中，氮元素會經過一系列硝化、氨化等化學反應，逐步的擴大硝酸鹽的污染范圍，控制難度也逐步加大。

1.2 地下水硝酸鹽污染危害

1.2.1 硝酸鹽對人體的危害 適量的硝酸鹽對人體不會造成直接的損害，其本身也為一種自然界所存在的物質，但經過與人體環境相反應的階段后會轉變為對人體有直接傷害的亞硝態氮。血液內血色素與亞硝酸鹽以1:2的方式結合會形成高鐵血紅蛋白，該種物質是一種血液病，在酸性條件下，高鐵血紅蛋白促進硝酸根離子與亞硝酸離子的轉化，加快了反應速度。該種情況下，血紅細胞對氧份的正常吸收被阻礙，導致嬰兒窒息死亡。成年人同樣易被該類物質誘發肝癌、食管癌以及胃癌等，嚴重威脅到人類的身體健康。自“硝酸鹽亞硝酸鹽中毒”研究時期開始，已經發現亞硝酸鹽經過一系列變化轉化為亞硝胺，作為強致癌物質，過量的硝酸鹽以及亞硝酸鹽極易誘發胃癌等疾病。

1.2.2 硝酸鹽對作物的影響與危害 氮元素是作物生長發育過程中必不可少且需求含量最高的生長元素，導致氮肥成為多種肥料中選擇數量最大的肥料。但在施用氮肥的同時，作物對于氮的利用效率僅僅只有30%左右，大量的氮肥殘留在土壤中，通過各種途徑轉移到其他環境當中，擴大了污染面積。當氮元素在土壤和水中轉化為硝酸鹽時，飼料作物大量吸收并累積，并且在一定條件下釋放出NO等氣體，可能會導致禽類家畜吸入過量有害氣體死亡。如果用硝酸鹽超標的飼料飼養牲畜會導致急性中毒，嚴重可能會導致死亡。

2 張掖市周邊集約化農區地下水硝酸鹽污染的主要成因分析及危害

2.1 施肥污染

農村地下水污染占比較大的便是農田施肥對地下水的影響。作物在生長過程中需要多次施肥，以此來增加土壤肥力，保證其正常生長。農田肥料除以動物糞便為主的有機肥外，還有合成的化學肥料等。作物無法夠吸收土壤2m 以下的土壤肥力，而在農作物播種過程中，會大量使用含有氮磷鉀等化學肥料會使得肥料內部的化學元素不斷積累沉淀，最終通過水的滲透作用進入地下，從而污染地下水。

2.2 農業養殖污染

部分農村地區，大范圍進行農業養殖，對環境和地下水的污染比較嚴重。據農業統計顯示，農村畜牧業飼養一頭肉豬，每年形成的污染排放量相當于10 人所有的生活污染量；而一頭牛的污染排放量可以達到25 人平均生活污染排放量。土地對污染承載量也比較大，平均每公頃承載動物的糞便超過15t。動物的糞便除了會污染空氣外，糞便中的氨氮、有機氮等元素還會逸出到空氣和土壤中，降雨時，隨著雨水直接進入土壤，隨著下滲而污染地下水。

3 地下水硝態氮污染的防治

早期國外研究以美國為例，主要利用EPIC 模型評估免耕法，該方法研究表明免耕法有利于減少地下水硝態氮的污染。另有研究萵苣——冬季覆蓋物——馬鈴薯輪作利用NLEAP 模型模擬其對水質的保護效率，研究結果體現該種輪作方式中，早種冬季覆蓋物提高了氮的利用率，同時降低硝態氮在土壤中的殘留，減少了硝態氮對土壤的淋溶作用，達到對地下水硝態氮防治作用。西歐國家主要應用多種生態農業措施，如推行環保政策，提高氮肥施肥效率，減少氮肥使用量，目的在于保持高產水平狀態下加強生產系統內的良性循環，緩解硝態氮對地下水的污染狀況。在中國科學院“九五”重大科研項目中，對長效碳酸氫銨的機理與效應進行研究，得出長效碳銨中含有DCD，可以與碳銨離解時產生的游離態銨形成氫鍵的特點，該特點使得在氨揮發時期土壤pH值降低0.2～0.4，大幅度減少了N 的損失。利用長效碳酸氫銨會減緩施肥后硝態氮的生成，減少了硝酸鹽對地下水的污染。同時我國利用農業牲畜糞便、廢棄秸稈與生活垃圾等進行堆肥，再將形成的垃圾肥添加一定比例的無機N、P、K肥，制成特定作物的有機無機復混肥料。研究實驗數據表明，該種肥料施肥效率高于普通復合肥，能有效減少地下水硝態氮污染。滴灌施肥技術也對于地下水硝態氮的減輕具有重要作用。

4 結論與展望

4.1 結論

張掖市周邊集約化農區地下水硝態氮污染主要由農業化肥施肥量過度，工業廢水以及生活垃圾的非標準處理所導致，使得近年地下水硝態氮污染狀況加劇，威脅到了我們的身體健康。經過查閱、分析大量國內外對于地下水硝態氮污染的資料，得出以下結論：

有關于地下水硝態氮的主要研究其污染的遷移及轉化機理過程，污染的來源與形式，治理措施等。地下水硝態氮轉化過程主要由礦化——吸附、固化、硝化和反硝化構成：點源與面源污染是硝態氮的主要污染途徑。防治措施主要集中在農業工程方面。

人類的生產生活極大的影響了硝態氮對地下水的污染。在對于地下水硝態氮的來源分析中，分析表明大量硝態氮來源于農業施肥灌溉當中，而對于垃圾填埋該類情況是否影響硝態氮污染地下水尚未進行報道。

4.2 展望

硝酸循環遷移與土壤水分不可分離研究，注重兩者相結合，在傳統研究方法上進行突破，更透徹的探究硝態氮轉化機理以及改進防治措施。

氮的轉化與地下水硝態氮污染需要從微觀角度來探究，但研究時影響因素較多，如人類活動，土地類型等。

在研究硝態氮對地下水的研究時，需要結合多種農業生態，糧食種植，城市環境等宏觀因素。地下水硝態氮污染的遷移與平衡對人類生活影響是全球性問題。