不同土地利用方式和地下水埋深對水中硝態(tài)氮濃度分布的影響*

耿玉棟 張千千 孫繼朝 劉景濤(.中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 05006；2.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 00083)

地下水硝態(tài)氮污染已經(jīng)成為全世界普遍關(guān)注的環(huán)境問題[1-2]。近年來，由于城市化、工業(yè)化進程加快，人口快速增長，廢棄物大量排放，化肥施用量增加，導致地下水硝態(tài)氮污染問題日益嚴重，引起了國內(nèi)外學者的普遍關(guān)注[3-5]。

硝態(tài)氮在人體內(nèi)可被還原為亞硝態(tài)氮，亞硝態(tài)氮會誘發(fā)高鐵血紅蛋白癥、消化系統(tǒng)癌癥等疾病[6-7]。此外，地下水中硝態(tài)氮濃度過高還會加劇河流、湖泊等地表水的富營養(yǎng)化，引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題[8]。因此，世界衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定，飲水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度不得超過10 mg/L[9-10]。

近年來，學者們針對地下水硝態(tài)氮濃度的影響因素開展了大量的研究工作。MARTNEZ等[11]針對阿根廷馬德普拉塔市人類活動強度不同的4個地區(qū)，研究其地下水硝態(tài)氮濃度，結(jié)果表明，人類活動強度顯著影響地下水硝態(tài)氮濃度。地下水硝態(tài)氮濃度受季節(jié)變化的影響，且冬季濃度高于夏季[12]183-184,[13]4376。地下水硝態(tài)氮濃度與地下水埋深呈負相關(guān)性[14]216-218,[15]1011-1012。此外，CHEN等[16]對黃河三角洲地下水硝態(tài)氮空間分布狀況進行分析，發(fā)現(xiàn)越遠離河道，硝態(tài)氮濃度越低。

我國針對地下水硝態(tài)氮污染的研究主要集中于東北—西南連線[17]，而針對城市化程度較高的地區(qū)研究較少。自改革開放以來，珠江三角洲城市化水平迅速提高，人口和工業(yè)高度聚集，相伴而來的是廢棄物大量排放，然而，城市污水、垃圾的處理設(shè)施發(fā)展相對滯后，地下水環(huán)境受到了巨大威脅[18]。本研究針對快速城市化進程下的廣州市，對其地下水硝態(tài)氮污染狀況及影響因素進行分析，揭示廣州市地下水硝態(tài)氮污染的來源，以期為快速城市化地區(qū)地下水硝態(tài)氮污染防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣州市位于廣東省中南部、珠江三角洲中北緣，112°57′23.0″N～114°3′23.0″N， 22°33′48.2″E～23°56′15.4″E。廣州市屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為20～22 ℃，4—9月為雨季，年平均降水量約為1 720 mm。珠江及其眾多支流貫穿廣州市。廣州市是珠江三角洲城市群的核心，人口密度大，工業(yè)化程度高，經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市化率超過73%[19]。

廣州市西部、南部及東南部為平原區(qū)，地下水主要為松散巖類孔隙水，含水層巖性主要為淤泥質(zhì)粉砂粘土和淤泥質(zhì)砂土，滲透性較低；中部和北部為丘陵區(qū)，地下水主要為基巖裂隙水，含水層顆粒較粗，透水性較強[20]。廣州市土地利用類型大致分為城區(qū)、水稻田、菜園、林地4類。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集

2008年11—12月，在廣州市采集203個地下水樣品(見圖1)。樣品均采集自民井和現(xiàn)場開挖的采樣坑。民井地下水埋深一般小于10 m，采樣前，盡量抽干井中地下水，等水位恢復后，用地下水定深原位采樣器在水下0.5 m處采集。對于采樣坑，挖至潛水位以下0.5 m左右，將最初滲出的地下水排出，等水位穩(wěn)定后進行采集。所用采樣瓶為2.5 L聚乙烯塑料瓶，樣品采集后放入冰箱中保存。

1.2.2 樣品測試

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

203個樣品中，183個用于分析廣州市地下水硝態(tài)氮污染狀況，其余20個為同一采樣點不同深度的樣品，用于研究地下水硝態(tài)氮濃度與地下水埋深的關(guān)系。本研究按照WHO規(guī)定的飲用水硝態(tài)氮限值，將硝態(tài)氮質(zhì)量濃度大于10 mg/L定為超標。數(shù)據(jù)分析使用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水硝態(tài)氮污染總體狀況

由表1可見，廣州市地下水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為(8.53±7.57) mg/L，接近WHO規(guī)定的飲用水硝態(tài)氮限值(10 mg/L)。不同采樣點的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度差異很大，最小值為0 mg/L，最大值為38.04 mg/L，變異系數(shù)達88.82%。共有64個樣品硝態(tài)氮濃度超標，超標率為34.97%。其中，有17個樣品硝態(tài)氮質(zhì)量濃度大于20 mg/L，為WHO規(guī)定的飲用水硝態(tài)氮限值的2倍以上。可見，廣州市地下水已經(jīng)受到了硝態(tài)氮污染的威脅，局部地區(qū)污染較嚴重。

廣州市地下水硝態(tài)氮濃度呈現(xiàn)出明顯的地理分布特征，與地形相吻合。硝態(tài)氮超標點相對集中于平原區(qū)，而在丘陵區(qū)分布較少且分散(見圖1)。平原區(qū)地下水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度和超標率分別為(10.19±7.70) mg/L、46.81%，分別相當于丘陵區(qū)的1.5、2.1倍。王慶鎖等[13]4374對巢湖流域地下水硝態(tài)氮空間分布狀況的研究也得出相似的結(jié)論。這是因為地下水硝態(tài)氮的空間分布與人類活動密切相關(guān)。廣州市平原區(qū)人口、工業(yè)聚集，并且有農(nóng)田大面積集中分布，點源污染與面源污染交錯，導致該地區(qū)地下水硝態(tài)氮濃度較高。

2.2 地下水硝態(tài)氮來源

2.2.1 生活污水

圖1 廣州市地下水采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Guangzhou

表1 廣州市地下水硝態(tài)氮統(tǒng)計Table 1 Statistics of nitrate nitrogen in groundwater of Guangzhou

2.2.2 工業(yè)廢水

2.2.3 農(nóng)業(yè)化肥

表2 廣州市地下水中離子的相關(guān)系數(shù)1)Table 2 Pearson correlation coefficients for the ions in groundwater of Guangzhou

注：1)“*”表示在α=0.05水平上顯著相關(guān)；“**”表示在α=0.01水平上極顯著相關(guān)。

表3 廣州市不同土地利用類型地下水硝態(tài)氮統(tǒng)計Table 3 Statistics of nitrate nitrogen in groundwater under different land use types of Guangzhou

2.2.4 酸 雨

2.3 地下水硝態(tài)氮濃度的主要影響因素

2.3.1 土地利用類型

廣州市不同土地利用類型的地下水硝態(tài)氮平均濃度排序為城區(qū)>水稻田≈菜園>林地(見表3)。

城區(qū)地下水硝態(tài)氮污染最嚴重，56個樣品硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為(11.26±8.47) mg/L，超過WHO規(guī)定的飲用水硝態(tài)氮限值，超標率達48.22%。城區(qū)城市化發(fā)展迅速，人口密度大，工業(yè)化程度高，生活與工業(yè)排污量大，進而導致城區(qū)地下水硝態(tài)氮污染嚴重。金贊芳等[30]和趙新鋒等[31]分別在杭州市、珠海市香洲區(qū)的研究結(jié)果表明，杭州市和珠海市的地下水硝態(tài)氮超標率均為40%左右。而廣州市、杭州市和珠海市都城市化發(fā)展迅速，可見，我國一些大城市在快速城市化的同時，可能導致地下水硝態(tài)氮濃度升高。因此，為防止快速城市化地區(qū)地下水硝態(tài)氮污染進一步惡化，應提高污水的處理效率，嚴禁超標排放。

菜園地下水硝態(tài)氮污染程度與水稻田基本相當，80個樣品硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為(8.28±7.42) mg/L，超標率為36.25%。含氮化肥施用過多，且利用率低、流失量大，是導致菜園地下水硝態(tài)氮濃度偏高的主要原因。另外，菜園主要分布于城區(qū)周邊，灌溉多采用地表水，而城區(qū)地表水污染嚴重，進而加重了硝態(tài)氮污染。可見，污水灌溉也是導致菜園地下水硝態(tài)氮濃度偏高的原因[27]492,[28]208。

林地地下水硝態(tài)氮污染程度在4種土地利用類型中最輕，32個樣品硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為(4.47±5.09) mg/L，僅有2個樣品硝態(tài)氮濃度超標(超標率為6.25%)。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，林地受人類活動影響小，硝態(tài)氮來源少，因此林地地下水硝態(tài)氮污染程度輕，與ZHANG等[15]1010、王慶鎖等[35]144的研究結(jié)果一致。

2.3.2 地下水埋深

地下水硝態(tài)氮主要由地表氮污染源隨降水或灌溉經(jīng)包氣帶進入地下水。氮在入滲過程中經(jīng)歷復雜的生物化學反應，最終主要以硝態(tài)氮形式存在于地下水中，因此入滲過程對硝態(tài)氮有較大影響。不同埋深的地下水，其硝態(tài)氮濃度差異顯著[14]216-218,[15]1011-1012,[35]147。

用于研究地下水硝態(tài)氮濃度與地下水埋深關(guān)系的20個樣品均取自菜園。從圖2可以看出，地下水硝態(tài)氮濃度與埋深有較好的負相關(guān)關(guān)系，即地下水硝態(tài)氮濃度隨著埋深增大而降低。埋深介于2～5 m的9個樣品硝態(tài)氮濃度較高，其中1個樣品硝態(tài)氮濃度超過WHO規(guī)定的飲用水硝態(tài)氮限值，5個樣品硝態(tài)氮質(zhì)量濃度介于8～10 mg/L，接近WHO規(guī)定的飲用水硝態(tài)氮限值。這主要是因為包氣帶厚度較小，且包氣帶上層土壤相對松散，可提供硝化過程所需的氧氣及硝化細菌所需的電子；氮主要以硝態(tài)氮形式進入含水層，含水層由于接近包氣帶而處于氧化環(huán)境，硝態(tài)氮可穩(wěn)定存在。此外，地下水埋深小于5 m時，菜園地下水硝態(tài)氮濃度有超標的潛在危險。

圖2 地下水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度與地下水埋深的關(guān)系Fig.2 The relationship between nitrate nitrogen concentrations in groundwater and groundwater depth

埋深介于5～23 m時，地下水硝態(tài)氮污染程度減輕。因為隨著埋深增大，包氣帶土壤顆粒密實性逐漸增強，土層中的含氧量減少，氧化環(huán)境逐漸向還原環(huán)境過渡；加之有機質(zhì)數(shù)量減少，抑制了硝化作用，并促進了反硝化作用，一部分硝態(tài)氮通過反硝化作用返回到大氣。當埋深大于23 m時，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在2 mg/L左右，與珠江三角洲地下水硝態(tài)氮背景值接近[36]，說明埋深大于23 m的地下水基本未受到硝態(tài)氮污染。

3 結(jié) 論

(1) 廣州市地下水硝態(tài)氮污染嚴重，34.97%的樣品超過WHO規(guī)定的飲用水硝態(tài)氮限值，超標樣品相對集中于平原區(qū)(超標率為46.81%)，而在丘陵區(qū)分布相對較少(超標率為22.47%)，說明地下水已經(jīng)受到了硝態(tài)氮污染的威脅，局部地區(qū)污染嚴重。

(2) 廣州市地下水硝態(tài)氮主要來源有生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)化肥和酸雨。

(3) 廣州市土地利用類型對地下水硝態(tài)氮濃度有顯著的影響，不同土地類型的硝態(tài)氮濃度平均值排序為城區(qū)>水稻田≈菜園>林地。在垂直方向的分布上，地下水埋深介于2～5 m時，硝態(tài)氮濃度較高且有超標的潛在危險；埋深介于5～23 m時，地下水硝態(tài)氮污染程度減輕；當埋深大于23 m時，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度穩(wěn)定在2 mg/L左右，基本未受到硝態(tài)氮污染。

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