近年来, 地下水硝酸盐污染已成为环境热点话题^{[1, 2]}.氮肥作为植物生长的重要保证, 农业生产中为实现作物高产而大量施氮^[3], 但过量氮肥未被作物全部吸收, 反而在土壤不同土层中产生盈余, 随土壤水下渗到地下水^[4], 或随地表水流入河流湖泊, 导致地下水硝态氮污染或地表水富营养化^[5].饮用水中过量硝酸盐会对人体机能产生损伤, 甚至提高癌症的发病率^[6], 地表水中过量氮会导致鱼类死亡率较高^[7].据统计, 我国北方农业集中地区, 每年氮肥施用量已超过500 kg·hm^-2[8].吕晓立等^[9]的研究分析珠江三角洲地区地下水硝酸盐污染现状和主要影响因素发现, 该地区地下水硝酸盐超标率为5.7%, 且在城镇化发展进程中, 人类活动是地下水硝酸盐污染的主要来源.青岛市农区, 地下水ρ(NO₃^--N)在2019年(22.37 mg·L^-1)较2009年(38.49 mg·L^-1)明显降低, 但仍高于世界卫生组织(WHO)制定饮用水卫生标准中规定的饮用水中硝态氮的最大允许浓度(10 mg·L^-1)^[10]; 雷州半岛约50.85%的NO₃型地下水具有污染趋势^[11].此外, 松嫩平原、陕西交口灌区和长江上游等地区^[12~14]均出现不同程度的硝酸盐污染现象.自然因素和人为因素均会导致地下水硝酸盐污染^{[15, 16]}, 生活污水、工业废水的不适当排放、农业含氮肥料和农药的大量使用, 化石燃料的泄漏等均为导致地下水硝酸盐污染的重要原因^[17~19].

河套平原农业发达, 是我国重要的商品粮、油生产基地, 农田氮肥施用量大, 且地下水埋深浅, 水力坡度小导致地下水交换十分困难, 使该地区地下水极易受到硝酸盐污染.多年来该地区研究重点集中在盐碱地改良和节水增产等方面, 而关于地下水硝酸盐时空分布和影响因素的相关研究相对有限.据此, 本文选择河套平原下游地区乌拉特灌域为研究区, 综合分析地下水NO₃^--N浓度的时空演变规律及其主要影响因素, 以期为河套灌区地下水硝酸盐污染控制提供理论依据和思路.

乌拉特灌域位于黄河上游河套平原最下游, 是河套灌区主要排水控制区, 东经108°06′12″~109°39′, 北纬40°27′~41°10′, 总面积为2 047 km².年平均降水量约270 mm, 年平均蒸发量约2 380 mm, 年均气温7.9℃, 属于典型的中温带半干旱大陆性气候.地表无天然河流, 地表水流是由农业灌溉所用沟渠组成的季节性河流, 地下水埋深受灌溉影响, 表现为年内季节性波动.

灌域以耕地为主, 主要作物有玉米、葵花和西葫芦等, 灌域采用引黄灌溉, 局部地区采用地下水按作物需水情况补充灌溉, 主要引水时期有春灌(3~4月)、夏灌(6~7月)和秋浇(10~11月), 其中, 秋浇面积最大, 范围最广.灌域多年平均引水4.38亿m³, 排水0.87亿m³(2009~2018年).

河套平原为一自中生代晚期以来持续沉降的近封闭的内陆断陷盆地, 由于其特有的沉积构造条件, 形成了以细粒相为主的湖积含水层系统.乌拉特灌域地理位置特殊, 地质条件复杂多样(图 1), 西部地下水含水层主要由粉细砂、黏土和淤泥质构成的冲湖积沉积物组成, 颗粒透水性差, 加之灌域水力坡度小, 河套盆地相对封闭等因素, 地下水基本属于停滞状态, 排泄方式主要以蒸发为主, 补给方式主要是灌溉和降雨入渗.另外, 西南部地区地下为一潜伏的乌拉山隆起带, 受断裂和发育等因素影响, 下部承压水头较高, 在漫长的地质时期中, 沿断裂溶滤侵染, 导致浅层地下水矿化度较高, 形成带状分布的咸卤水带.灌域东部为乌拉山山前冲积平原, 其含水层以黏土和粉细砂等组成的冲积湖积层为主, 地下水补给主要来自于灌溉、降水入渗和乌拉山冲积扇的侧向补给.

图 1

Fig. 1

图 1 河套灌区东部水文地质剖面示意 Fig. 1 Hydrogeological profile map of the eastern part of Hetao irrigation district

研究区基本水流方向为由西向东、由北向南方向, 但地下水流动滞缓, 水平方向基本属于停滞状态.该地区地下水埋深浅, 受灌溉和降水影响, 年内呈周期性波动, 表现为灌溉集中期埋深浅, 非灌溉期埋深大, 地下水埋深年内变化情况如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 乌拉特灌域1998~2019年年内地下水埋深变化情况 Fig. 2 Map of groundwater depth changes in Wulate irrigation area annually from 1998 to 2019

灌域内较均匀地布设33个浅层地下水采样点(S1~S33), 主要分布在农田、荒地和村庄等3种土地利用类型上, 采样点位置如图 3所示, 采样井主要为自用水井和观测用地下水井, 井深均在30 m以内, 采样时间为2019年3~11月, 共收集地下水样品231组.采样前用蒸馏水反复冲洗500 mL取样瓶, 干燥后备用, 分装样品前用地下水样品冲洗取样瓶防止其它杂质影响, 水样于24 h内送往巴彦淖尔市水利科学研究所进行测定, 严格遵循中华人民共和国卫生部提出的标准测定方法(GB/T 5750-2006)^[20], pH用玻璃电极法测定, K⁺和Na⁺采用火焰原子吸收分光光度法测定, Cl^-、Ca²⁺、SO₄^2-、Mg²⁺和HCO₃^-采用传统滴定法测定.

图 3

Fig. 3

图 3 乌拉特灌域地下水采样点布设 Fig. 3 Layout of groundwater sampling points in Wulate irrigation area

运用Microsoft Excel 2016软件对数据进行预处理, 剔除可靠性较低数据; 应用AqQA软件绘制Piper三线图, 对研究区地下水水化学组成类型进行分析确定; 采用SPSS软件对地下水“三氮”与其它水化学离子进行相关性分析, 其它图件均采用Origin 2018软件绘制.同时, 将研究区地下水化学氮素浓度与《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)和《地下水质量标准》(GB/T 14848-2007)对比, 以地下水NO₃^--N浓度为主要评价指标, 对地下水环境质量进行评价并分类.

研究区地下水理化性质如图 4所示, 区内地下水总溶解性固体(total dissolved solids, TDS)变异程度较高, 变化范围在286.35~38 847 mg·L^-1之间, 平均值为4 841.15 mg·L^-1, 高值点主要出现在灌域西南部, 该地区受乌拉山潜伏隆起影响, 富盐的淤泥层浅埋且下部承压水头较高, 沿断裂溶滤侵染, 导致浅层水土层咸化^[21].

图 4

Fig. 4

图 4 乌拉特灌域地下水化学指标浓度箱线图 Fig. 4 Box plots of the concentration distributions of groundwater chemical indicators in the Wulate irrigation area

水化学Piper三线图如图 5所示, 阳离子中, Na⁺优势明显, 阴离子分布较为分散, 极个别观测点位于HCO₃^-优势区, 少部分集中在Cl^-优势区, 其余落在HCO₃·Cl·SO₄区域, 根据舒卡列夫分类, 水化学类型主要为Cl-Na型和Cl·SO-Ca·Mg型, 虽年内不同月份离子浓度出现波动, 但水化学类型组成无明显差异.地下水不断水解岩石矿物, 使长石中的Na⁺释放出来, 同时发生置换反应, 增大了地下水中Na⁺浓度, 反应方程式如下.

图 5

Fig. 5

图 5 乌拉特灌域浅层地下水化学Piper三线图 Fig. 5 Piper diagram for the chemical composition of shallow groundwater in Wulate irrigation area

(1)

(2)

研究区地下水不同时期3种形态的氮及其占总氮(TN)的比值的统计结果如表 1所示.年内7次采样过程中, ρ(TN)范围为0.09~73.94 mg·L^-1, 平均值为6.68 mg·L^-1, ρ(NO₃^--N)范围为0.01~60.00 mg·L^-1, 平均值为4.85 mg·L^-1, 占TN的质量分数为72.68%, 是地下水中氮素的主要存在形式, 约10.50%的地下水NO₃^--N超过国家《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)限值(10 mg·L^-1).NH₄⁺-N也是地下水中氮素存在重要形态, ρ(NH₄⁺-N)范围为0.02~4.99 mg·L^-1, 平均值为0.81 mg·L^-1, 与标准值(0.5 mg·L^-1)^[22]相比, 超标率达42.86%, 最高浓度出现在10月和11月, 平均值分别为1.37 mg·L^-1和1.17 mg·L^-1, 在5、10和11月NH₄⁺-N占TN的质量分数分别为49.23%、49.35%和44.13%, 均高于NO₃^--N, 这些时段内, 研究区对农田集中进行春灌和秋浇活动, 灌水量大且分布面积广, 因此, 地下水不同形态氮素浓度改变可能是由于受到农田灌溉的影响. ρ(NO₂^--N)的范围为未检出~2.57 mg·L^-1, 平均值为0.11 mg·L^-1, 占TN的质量分数为1.69%.综上所述, 研究区地下水主要以NO₃^--N为主, NH₄⁺-N次之, NO₂^--N最少, 灌溉集中期NH₄⁺-N占比高于NO₃^--N, 地下水3种形态氮浓度随着时间变化而波动, 主要受到人类活动等因素的影响, 在农业活动频繁和降雨集中时期, 地下水中NO₃^--N和NH₄⁺-N浓度大, 主要是由于农田中含氮化肥和农药的大量使用伴随降雨和灌溉水下渗进入地下水, 不同形态氮素在迁移过程中与土壤接触可能发生转换^[23].

表 1 (Table 1)

表 1 地下水中不同形态氮浓度及占总氮质量分数 Table 1 Concentration of different morphological nitrogen and its mass fraction in total nitrogen of groundwater 项目 3月 5月 7月 8月 9月 10月 11月 不同形态氮素浓度1) /mg·L-1 TN 2.29±3.13 4.44±11.52 7.75±15.36 8.71±14.47 5.88±9.21 8.93±13.82 8.73±16.50 NO3- 1.77±3.14 3.40±10.04 5.95±13.06 6.61±12.31 3.76±7.51 6.22±11.20 6.25±13.88 NH4+ 0.50±0.61 0.43±0.49 0.63±0.80 0.64±0.80 0.94±0.90 1.37±0.79 1.17±1.19 NO2- 0.02±0.02 0.03±0.03 0.14±0.35 0.26±0.54 0.23±0.50 0.07±0.12 0.04±0.07 质量分数/% NO3- 61.43 39.22 51.25 46.21 43.68 32.66 36.08 NH4+ 36.09 49.23 31.97 31.13 30.38 49.35 44.13 NO2- 2.48 3.25 5.23 6.70 5.75 1.10 1.36 1)浓度表示为平均值±标准差

表 1 地下水中不同形态氮浓度及占总氮质量分数 Table 1 Concentration of different morphological nitrogen and its mass fraction in total nitrogen of groundwater

另外, 受气候因素和人类活动等影响, 不同时期NO₃^--N浓度表现出明显的波动, 最大值出现在8月, 平均值为6.61 mg·L^-1.受集中灌水影响, ρ(NO₃^--N)在10月(6.22 mg·L^-1)和11月(6.25 mg·L^-1)也较高, 3月ρ(NO₃^--N)最低, 平均值仅为1.77 mg·L^-1.研究区不同时期ρ(NO₃^--N)平均值介于1.77~6.61 mg·L^-1之间, 总体表现为丰水期高于枯水期的时间变化特征(图 6).丰水期农田施肥量大, 肥料易随降水入渗等进入地下水, 且丰水期温度和湿度等条件适宜, 有利于硝化反应发生, 产生NO₃^-离子增大了地下水中NO₃^--N浓度^[24].

图 6

Fig. 6

图 6 不同时期NO3--N浓度变化情况 Fig. 6 Changes in NO3--N content in different periods

根据《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)中规定的NO₃^--N浓度限值, 对地下水NO₃^--N进行评价分类, 研究区地下水NO₃^--N质量评价结果和地下水TDS、NO₃^--N空间分布情况如图 7所示.根据地质条件和影响因素等差异, 可将研究区大体分为3个部分, NO₃^--N浓度和TDS值分布情况总体上均表现为：西南部>西北部>东部.S25~S33观测井主要位于研究区东部的乌拉山山前冲积平原, 该区地下水NO₃^--N浓度和TDS值较低, 均值为0.82 mg·L^-1, Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类水占比分别为88.89%、9.52%和1.59%, 根据生活饮用水卫生标准规定的限值(10 mg·L^-1), 其超标率仅为1.59%; S14~S24观测井主要位于研究区西南部, 地下水NO₃^--N浓度和TDS值相对于灌域西北部和东部较高, 其ρ(NO₃^--N)范围为0.01~60.00 mg·L^-1, 平均值为8.87 mg·L^-1, 超标率高达19.48%, 该区Ⅲ类及以下水占比29.87%, 存在向Ⅳ类和Ⅴ类水转化的风险.其中, S19和S20观测井NO₃^--N浓度出现极高值, 年内不同时期观测数据中, 两观测井分别有5个和4个时期地下水NO₃^--N浓度属于Ⅴ类水质, 有研究表明, 地下水埋深、土地利用类型和不同地区环境因素等均会对地下水NO₃^--N浓度产生影响^[14], 两观测井地下水含盐量高(图 8)且井口附近居民点和耕地密集, 距离垃圾堆放点距离较近, 井口周围地势低洼, 易受周围各类环境因素影响; S1~S13位于研究区西北部, 地下水ρ(NO₃^--N)介于西南部和东部之间, 范围为0~52 mg·L^-1, 平均值4.25 mg·L^-1, 超标率为10.99%, 该地区Ⅰ类水占比70.33%, 区域地下水污染风险相对于西南部较小.

图 7

Fig. 7

图 7 不同地区NO3--N水质分布直方图 Fig. 7 NO3--N of histogram of groundwater quality distribution in different regions

图 8

Fig. 8

图 8 乌拉特灌域地下水TDS和硝态氮空间分布 Fig. 8 Spatial distribution map of groundwater TDS and NO3--N in Wulate irrigation area

研究区月平均降水量与NO₃^--N浓度关系如图 9所示, 除灌溉密集期外, 研究区多数时期地下水NO₃^--N浓度随降水量增大而增大, 总体表现为丰水期高于枯水期的特点, 8月的月平均降水量大(339 mm), 且夏季气温高, 地下水ρ(NO₃^--N)出现年内最高值(6.61 mg·L^-1), 3月的月平均降水量仅为103 mm, 气温相对较低, ρ(NO₃^--N)也较小(1.77 mg·L^-1), 可见地下水NO₃^--N浓度随降水量增大而增大, 且可能与气温存在一定的相关关系.然而, 5、10和11月的降水量小, 但地下水中NO₃^--N浓度相对较高, 主要是由于该时期为当地灌溉期, 秋收后集中灌水称为秋浇, 灌水量大且范围广, 5月为夏灌期, 此次灌水为局部灌水, 灌水规模远小于秋浇时期, 这是5月地下水NO₃^--N浓度远小于10月和11月的主要因素.降雨同灌溉相似, 均为土壤中可溶物质向下运移的主要驱动力, 同时也是地下水的重要补给来源^[25].枯水期壤中流动性相对较差且施肥量少, 与地下水接触概率低, NO₃^--N浓度减小^[26].研究区地下水NO₃^--N与降雨、灌溉和施肥等因素具有直接响应关系, 以上因素均为研究区地下水NO₃^--N浓度时空变异的重要驱动因子.此外, 当研究区未发生大规模灌溉事件时, 地下水NO₃^--N浓度表现为夏季高于春季和秋季, 气温也可能是地下水中NO₃^--N浓度的影响因素之一, 有研究表明, 温度可直接或间接影响微生物生长和酶活性, 低氧或厌氧条件下伴随适宜的温度有利于硝化反应发生^[27].

图 9

Fig. 9

图 9 NO3--N浓度与降雨量的关系 Fig. 9 Relationship between NO3--N concentration and rainfall

研究区土层透水性差, 加之多年来引黄河水灌溉等, 导致地下水埋深浅, 多集中在0~500 cm之间.图 10显示, 埋深在100~300 cm范围内时, 地下水NO₃^--N浓度最高, 且在250 cm左右处达到最高值, 这与江南等^[14]的研究结果一致, 在高于或低于该区间时, NO₃^--N浓度均较低.灌溉集中期地下水受到大量灌溉水的补给, 稀释了地下水中NO₃^--N浓度; 而埋深在100~300 cm时, 土壤中NO₃^--N极易随灌溉水或地下水发生垂直或水平移动进入地下水^[28], 导致地下水NO₃^--N浓度增加; 当埋深大于400 cm时, 地层透水性差^[10], 加之灌水量限制, 土层中NO₃^--N很难随灌溉水向下移动, 另外, 有研究表明^[26], 该埋深条件下含氧量降低而形成的还原环境, NO₃^--N在该条件下可能转化为氮气等气态物质而使地下水中NO₃^--N浓度降低.

图 10

Fig. 10

图 10 NO3--N浓度与埋深关系 Fig. 10 Relationship between NO3--N concentration and groundwater table depth

研究区地下水NH₄⁺-N、NO₃^--N和NO₂^--N与其它水化学离子组分的相关分析结果如表 2所示, 结果显示, 研究区地下水NO₃^--N浓度与各离子浓度相关性较弱, 各离子浓度对地下水中三氮浓度影响较小.其中, NO₃^--N与pH呈弱负相关, 相关系数-0.19, pH升高会抑制硝化细菌活性, 导致NH₄⁺-N浓度增加而NO₃^--N浓度降低^[14], 这可能是导致其呈负相关的原因之一, 与Cl^-(相关系数0.16)、Ca²⁺(相关系数0.35)和Mg²⁺(相关系数0.28)均呈正相关关系, 可见其浓度可能受到人类活动输入和肥料施用等因素影响, 但相关性较弱.

表 2 (Table 2)

表 2 地下水不同化学离子相关分析结果 Table 2 Correlation analysis results of different chemical ions in groundwater pH TDS HCO3- Cl- SO42- Ca2+ Mg2+ K++Na+ NH4+-N NO3--N NO2--N NH4+-N 0.121 2 0.041 6 -0.030 1 0.038 1 0.024 6 0.093 7 0.086 1 0.022 6 1 NO3--N -0.185 5 0.206 4 -0.057 6 0.163 1 0.218 7 0.354 4 0.277 7 0.137 7 0.120 9 1 NO2--N -0.044 0 0.040 2 -0.177 9 0.038 0 0.069 4 0.104 0 0.080 3 0.025 6 0.240 8 0.297 4 1

表 2 地下水不同化学离子相关分析结果 Table 2 Correlation analysis results of different chemical ions in groundwater

对NO₃^--N的毫克当量浓度与NH₄⁺-N的毫克当量浓度、TDS值和pH值的相关关系进行分析, 结果如图 11所示.NO₃^--N与NH₄⁺-N未表现出显著相关性, 但多数地下水样本表现为NO₃^--N浓度升高, NH₄⁺-N浓度降低, 反之亦然, 可见这两者一方浓度升高与另一方浓度降低有关, 随着环境条件的改变, 地下水NH₄⁺-N、NO₃^--N在微生物的作用下发生硝化和反硝化作用, 使地下水中氮素存在形态发生变化.当2 000 mg·L^-1 < TDS < 5 000 mg·L^-1时, NO₃^--N与之相关性较好, 超出此区间相关性不明显, 这与NH₄⁺-N关系相同, 高的NO₃^--N浓度往往对应低的TDS值, 该结果与吕晓立等^[9]对珠江三角洲地区硝酸型地下水赋存特征的研究结果一致.当7.75 < pH < 9时, 二者之间存在一定负相关关系, 但相关性较弱, 与相关系数体现的结果一致, 这表明这3个指标与NO₃^--N间仅为近似线性关系, 并不是影响NO₃^--N浓度的主要因素.

图 11

Fig. 11

图 11 地下水NO3--N和NH4+-N浓度关系 Fig. 11 Relationship between NO3--N and NH4+-N concentrations of groundwater

根据NO₃^-/Na⁺和SO₄^2-/Na⁺关系可反映农业活动、工业活动对地下水的影响, NO₃^-/Na⁺与Cl^-/Na⁺的关系可反映人类活动输入对水体硝酸盐的影响^[12].图 12(a)显示, 研究区地下水NO₃^-与Na⁺的比值小于0.04, SO₄^2-与Na⁺的比值小于1.65, 部分地区NO₃^-/Na⁺比值偏高, 说明研究区地下水一定程度上受到农业活动的影响.NO₃^-/Na⁺与Cl^-/Na⁺可用于指示人类活动对地下水体中硝酸盐浓度的影响^[29].图 12(b)显示, 研究区地下水NO₃^-与Na⁺的比值均小于0.04, 多数地下水Cl^-与Na⁺的比值小于1, 研究区地下水受岩石风化作用影响, 部分地下水Cl^-/Na⁺比值大于等于1, 受到蒸发盐岩溶解和工业废水输入等因素影响.经实地调查发现, 研究区农耕区分布面积大、范围广, 且存在番茄、化肥等加工厂, 农田施用化肥、农药和工厂排放的废水随降水和灌溉水等进入地下水的可能性极大, 对地下水体造成污染.然而, 要明确不同过程对地下水的影响过程, 还需要利用同位素等手段对其进行精准识别.

图 12

Fig. 12

图 12 NO3-/Na+与SO42-/Na+和Cl-/Na+与NO3-/Na+关系 Fig. 12 Plots of NO3-/Na+ and SO42-/Na+, Cl-/Na+ and NO3-/Na+

利用SPSS 20软件对研究区地下水TN和NO₃^--N浓度进行相关分析, 其结果如图 13所示, TN与NO₃^--N呈极显著正相关(P < 0.001), 研究区地下水NO₃^--N是氮素的主要存在形态, 占TN的质量分数为72.68%, 其超标率达10.50%, 河套灌区地下水可能面临着越来越严重的硝酸盐污染问题.

图 13

Fig. 13

图 13 研究区地下水TN与NO3--N浓度关系 Fig. 13 Relationship between TN and NO3--N concentration of groundwater in study area

河套灌区是我国北方重要的粮食生产基地, 农田施用含氮肥料在土壤微生物的作用下转化为NO₃^--N和NH₄⁺-N被作物吸收利用^[30], 然而, 我国氮肥当年利用率不足35%^[31], 未被利用的氮肥极易随灌溉水和降雨下渗, 剩余肥料多以NO₃^--N形式赋存于土壤中^[32], 极易随土壤水分向下运动, 而NH₄⁺-N极易被土壤吸附, 很难发生淋溶流失^[33], 这是导致NO₃^--N在地下水中优势明显的重要原因.此外, 研究区为集约式农业带, 灌溉集中且灌水量大, 灌溉期大量水分入渗淋洗土壤中NH₄⁺-N向下移动, 且灌溉水入渗后可能导致水埋深升高而形成氧化环境, 使部分NO₃^--N转化为NH₄⁺-N, 因此出现了高的NO₃^--N浓度对应低的NH₄⁺-N浓度的情况.

研究区地下水NO₃^--N浓度受降水、地下水埋深、农业灌溉、气温和水化学因子等因素影响.pH是影响微生物活性的重要因素之一, 低pH环境有利于硝化、反硝化作用的进行^[34], 当pH值范围在6.4~7.9时, 硝化作用最强, 研究区地下水NO₃^--N浓度与pH呈弱负相关, 高于或者低于硝化细菌最适pH范围时, 均会对其活性产生一定抑制作用, 乌拉特灌域地下水pH均值8.34, 超出硝化细菌最适pH阈值范围可能是导致地下水NO₃^--N浓度与pH呈弱负相关的重要原因.此外, 有学者提出利用NO₃^--N与Cl^-的关系可用于识别NO₃^--N的来源, 通常, 低NO₃^-/Cl^-值或高Cl^-浓度表明NO₃^-主要来源于工业和生活污水/粪肥^[35], 反之则来源于农用化肥, 本研究中, Cl^-远大于NO₃^-浓度, 但研究发现工业和生活污水并非NO₃^-的主要来源, 其主要原因可能是河套灌区盐渍化土壤含盐量高, 地下水埋深浅, Cl^-主要由于原生地质条件和土壤中可溶盐淋溶下渗, 地下水咸化问题凸显, 由此推断该判别方法不适用于河套灌区盐渍化地区地下水NO₃^--N来源识别.

氮污染是我国农业面源污染中面临的主要问题.本研究结果表明, 乌拉特灌域在降雨量大的8月和灌溉集中的10月和11月是该地区地下水硝酸盐污染最严重时期, 其主要是由于大量水分垂直入渗使土体中的硝酸盐随之向下迁移.有学者针对农业生产中面临的氮肥利用率低, 氮素流失严重等问题提出秸秆覆盖和减氮配施等方法取得了较好的效果, 不仅可以提高氮肥的利用效率, 还能有效减少氮素下移, 这是因为秸秆深埋可以提高土壤的田间持水能力, 减少土壤水分下渗量, 同时减少氮素流失^[3].另外, 深埋的玉米秸秆可作为缓释有机肥缓慢向作物释放肥料^[36], 不仅可以保证作物正常生长的氮素需求, 还能有效减少氮素流失, 有效提高农田氮肥的利用效率^[37], 该方法用于研究区西南部地下水硝酸盐污染严重地区农田中, 可有效缓解该地区地下水污染问题.

(1) 乌拉特灌域地下水水化学类型主要为Cl-Na型和Cl·SO-Ca·Mg型, NO₃^--N是地下水氮素主要存在形式, 占TN的质量分数为72.68%, ρ(NO₃^--N)范围为0.01~60.00 mg·L^-1, 超标率达10.50%, 农田灌溉集中期, NH₄⁺-N浓度高于NO₃^--N, NO₃^--N和NH₄⁺-N浓度均存在潜在威胁, 需要定期监测并及时采取治理措施.

(2) NO₃^--N浓度呈现出一定时空变化格局.时间上, 存在降水或灌溉驱动的8月(6.61 mg·L^-1)、10月(6.22 mg·L^-1)和11月(6.25 mg·L^-1)最高, 3月降水少且气温低, ρ(NO₃^--N)最低(平均值为1.77 mg·L^-1).空间上, 研究区总体ρ(NO₃^--N)表现为：西南部(8.87 mg·L^-1)>西北部(4.25 mg·L^-1)>东部(0.89 mg·L^-1), 东部乌拉山冲积平原水质较好, Ⅰ类水占比88.89%, 西北部Ⅰ类水占比70.33%, 西南部受地质条件等因素影响水质最差, Ⅲ类及以下水平占比29.87%, 该地区地下水面临较严重的NO₃^--N污染问题, 需加强土地管理和地下水环境监测.

(3) 人类活动(氮肥施用、农业灌溉、生活污水和工业废水)、降水和地下水埋深等因素是研究区地下水NO₃^--N浓度的主要驱动因素, 而水化学离子浓度对其影响较小, 且高NO₃^--N浓度往往对应着低NH₄⁺-N浓度和TDS、pH值, 此外, NO₃^--N浓度还与氧化还原条件、地质因素和土壤利用类型等因素密切相关.合理控制施肥、灌溉和土地利用情况, 是研究区地下水NO₃^--N的重要途径.