桂林寨底地下河硝酸根含量特征研究

王 松,裴建國

(1.中國地質科學院巖溶地質研究所,廣西桂林 541004 2.廣東省工程勘察院,廣東廣州 510510)

地下水系統有多種形態的氮存在,它們在一定條件下可以相互轉化。由于土壤層吸附以及特殊的生境條件,地下水有機氮一般含量較少。地下水無機氮主要包括NO3-以及NH4+和NO2-,NO2-是硝化和反硝化的中間產物,化學穩定性差致使該形態離子的含量不高[1]。NH4+由于離子交換和硝化作用等含量也較少。因此,在工農業生產迅速發展使地下水硝酸鹽污染成為世界性的環境問題[2]的今天,研究地下水中硝酸根的含量特征具有重要意義,在水文地質結構特殊的西南巖溶地區尤為明顯。

1 研究區概況

研究區位于桂林市區東面的靈川縣境內,地處南嶺山地南面的西麓,處于北回歸線附近的低緯度地區,地屬亞熱帶季風氣候區,氣候四季分明,降雨量年內分配主要受季風活動影響,分布不均。夏季濕熱多雨,秋季干旱少雨,且雨熱基本同季。研究區寨底地下河系統補給面積為 32.69 km2。

2 研究方法

根據前人資料[3]可知該系統內的地下河管道的分布、聯通狀況以及控制特性,本研究選取地下河系統內 6個控制點定期取樣(見圖 2-1)。1號點為釣巖地下河出口;2號點為水牛厄巖溶泉;3號點東究地下河出口;4號點東究橋地下河出口;5號點小浮地下河出口;6號點為整個地下河系統總出口,位于桂林市靈川縣海洋鄉寨底村。

圖1 寨底地下河取樣點示意圖

根據硝酸鹽的特點,本研究于 2008年的 7月,9月,11月對 6個控制點進行硝酸根、亞硝酸根和銨根含量水樣的采集。2008年 2月至 2009年 1月每月一次對地下河總出口(6號點)進行水樣全分析檢測。

每次取樣均用 600 ml的高密度聚乙烯塑料瓶取水樣 1瓶,密封、冷藏快速運至實驗室進行 NO3-、NO2-、NH4+濃度檢測。檢測工作中國地質科學院巖溶地質研究所測試中心完成。

3 結果與分析

7月份為桂林地區的雨季,農作物生長的旺盛,主要農作物水稻在此時為第二季水稻肥田插秧時節。9月份應為桂林地區的平水季節,但是在 2008年 9月份前后降雨極少,取樣前半個月均未下雨,總出口(6號點)處的水位為 3.3 cm,遠低于 7月份的27.1 cm。11月份為桂林地區的干旱季節,但是在取樣的前兩天研究地區有較強的暴雨,取樣當天也有中雨。

鑒于三氮的相互轉化特征,考慮到銨根與亞硝酸根對硝酸根的影響,筆者在分析硝酸根濃度特征前也分析了研究區銨根與亞硝酸根濃度特征。

(1)NH4+含量特征所有水樣的 NH4+濃度均小于檢測限 0.02mg/L,符合Ⅰ類飲用水的標準,屬于低含量,在此就不給予討論。

(2)NO2-含量特征NO2

-在不同時間及不同樣點均偶爾有檢出,大部分樣點NO2

-含量低于檢測限 0.002mg/L,見圖 2。

圖2 研究區內 7月、9月和 11月NO2-濃度

NO2-的檢測結果顯示,7月份東究 NO2-濃度為0.01mg/L,其余 5個點 NO2-濃度均為低于檢測限 0.002 mg/L。在 9月份東究橋和寨底均有檢出,濃度分別為 0.01 mg/L和 0.2 mg/L,寨底 NO2-的濃度已屬地下水質標準中的Ⅲ類水,濃度較高。NO2-為硝化作用與反硝化作用的中間產物,其高濃度應與 NH4+或NO3-低含量對應,檢測結果也表明,在 9月份研究區內各研究點的 NO3-的濃度較低。但在其他三個點為何濃度較低或者未有檢出,這一點需要進一步研究。11月份檢出點有三個,各點 NO2-濃度差別不是很大,11月份有較多的檢出點可能是因為 11月份取樣前期至取樣時遇暴雨,地表潛在污染源隨雨水進入地下河管道,使得檢出點較多,但濃度都比較低。

(3)NO3-含量特征18個水樣中有 13個 NO3-濃度值低于天然背景下地下水硝酸根濃度值4.4mg/L,最低值為 0.44mg/L。最高值也遠低于世界衛生組織規定的飲用水標準(50mg/L)為 23.4mg/L。

圖3 研究區內 7月、9月和 11月NO3-濃度

從圖 3可以看出,研究區內 NO3-濃度在不同月份呈現良好的分異性。6個取樣點的 NO3-濃度均在 11月份為最高值,9月份為最低值,這可能與取樣時的降雨情況密切相關。11月份雖已經進入旱季,但取樣前幾天和取樣的當天都是暴雨到中雨,所取的水樣呈現黃色,地表大量泥沙、垃圾等隨落水洞進入地下,地表潛在的硝酸根源進入地下河,使得 11月份硝酸根濃度在三個月中居首位。9月份取樣期間以及前十來天均是晴朗天氣,地下河出口均清澈見底,寨底總出口的流量(約 185 L/s)遠低于雨季 7月份的流量(4 374 L/s)。此時地表的垃圾、堆肥以及農田土壤里的 NO3-進入地下河要比在雨季慢或困難。7月份是研究區的雨季,其含量總體水平比 11月的暴雨時要低,比干旱時的 9月份要高。總體上說,在時間上,地下河中硝酸根的含量具有季節性變化,與大氣降水密切相關。

在空間上,6個取樣點每個月的硝酸根含量都有各自的特征,與各個點的地貌和土地利用方式有關。以7月份為例(見圖 4):

圖4 研究區 7月份 NO3-含量等值線圖

從圖 4可以看出,7月份水牛厄和釣巖的 NO3-濃度都比其它點要高,其主要原因可能是釣巖上游補給區有四個較大的洼地和坡立谷,洼地和坡立谷正是農作物密集的地方,NO3-含量受農業和人類活動的影響很大,水牛厄不僅接受了來自釣巖的地下水的補給,它也接受其上游洼地地表水的補給。而且,水牛厄出口就在人口密集的村中出露,村中人口眾多,養有牛等牲畜,動物糞便、生活污水直接排入地下。釣巖出口到水牛厄補給區的管道和水牛厄地下河的管道都較短,減少了 NO3-在運移的過程中可能存在的自凈作用,使得水牛厄的 NO3-的有效補給源和補給量都較高。東究和小浮NO3-的含量處于是 6個點中較低位置,這是因為東究和小浮的補給源區洼地較少,補給面積小,人類活動影響較小。小浮的補給區雖為一個大的洼地,但是洼地內的居民點較少,受人類生活影響較小。

不僅是 7月份,9月份和 11月份研究區內 6個點的硝酸根含量的空間分布特征也有著上述規律(見表 1)。

表1 研究區 9月、11月份 NO3-濃度

總體來說,研究區的硝酸根含量較低,測試結果顯示該地區地下河水未受到明顯的氮污染。但是部分研究點某些時段內 NO3-的含量還是高于天然土壤的背景值。

4 結論

研究區內水樣硝酸根含量較低,未超過國家飲用水的標準。所有樣點NH4+均低于檢測限,NO2-在部分水點和特殊季節有檢出,但含量均不高。大部分樣點的 NO3-濃度雖未超過飲用水標準,但是部分水點的濃度還是超過了土壤天然背景值,并且在時空分布上與降雨和人類活動的影響(土地利用方式、人口密度等)有一定關系。

雖然研究區內“三氮”含量較低,但部分點 NO3-濃度在一定時期仍然超過土壤天然背景值,在今后工作中應重點研究其硝酸根來源。

[1]劉叢強等.生物地球化學過程與地表物質循環——西南喀斯特流域侵蝕與生源要素循環[M].北京:科學出版社,2007.315.

[2]Helmut K.Groundwater Updates Best-set Typesetter L td[M].Hong Kong,2000.3-8.

[3]黃敬熙,嚴啟坤,王敏夫等.桂林巖溶水資源評價及其方法[M].重慶:重慶出版社,1988.