張掖市周邊集約化農(nóng)區(qū)地下水硝態(tài)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(qū)及周邊集約化農(nóng)區(qū)為主要研究區(qū)域，總面積約為110km。該范圍內(nèi)兩條河流穿過，其一為祁連山發(fā)源的黑河流經(jīng)城西至正北方向，其次為山丹河，方向為城北向西北。農(nóng)作物主要以玉米、小麥和稻谷等為主，相較于工業(yè)發(fā)展狀況，農(nóng)業(yè)則為主要產(chǎn)業(yè)。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(yè)污水的違規(guī)排放、耕地的過分開發(fā)等情況加劇了地下水的污染程度，加速了地下水的硝態(tài)氮的污染，使點源污染擴散到面源污染。在研究區(qū)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(qū)域大多為湖沼沉積層。通過實地考察，以集約化農(nóng)區(qū)為研究區(qū)域，結合降雨前后時間段采集數(shù)據(jù)，確保采集到的數(shù)據(jù)能夠進行客觀分析。按照國家《水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)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(shù)據(jù)，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(nèi)氮的沉降、牲畜禽養(yǎng)殖以及化肥有機肥等多種來源。同時地下水硝酸鹽也出現(xiàn)多源性特點，污染類型分為兩大類：點源型與非點源型。工業(yè)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(shù)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(huán)節(jié)，都會造成氮含量過高造成地下水硝酸鹽含量超標。可持續(xù)利用地下水資源是社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)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(huán)過程中，氮元素會經(jīng)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(jīng)過與人體環(huán)境相反應的階段后會轉變?yōu)閷θ梭w有直接傷害的亞硝態(tài)氮。血液內(nèi)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(fā)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(jīng)發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽經(jīng)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(fā)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(fā)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(shù)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(huán)境當中，擴大了污染面積。當?shù)卦谕寥篮退修D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(yǎng)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(nóng)區(qū)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(nóng)村地下水污染占比較大的便是農(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nèi)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(nóng)業(yè)養(yǎng)殖污染

部分農(nóng)村地區(qū)，大范圍進行農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖，對環(huán)境和地下水的污染比較嚴重。據(jù)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計顯示，農(nóng)村畜牧業(yè)飼養(yǎng)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(tài)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(tài)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(xiàn)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(tài)氮在土壤中的殘留，減少了硝態(tài)氮對土壤的淋溶作用，達到對地下水硝態(tài)氮防治作用。西歐國家主要應用多種生態(tài)農(nóng)業(yè)措施，如推行環(huán)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(chǎn)水平狀態(tài)下加強生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的良性循環(huán)，緩解硝態(tài)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(chǎn)生的游離態(tài)銨形成氫鍵的特點，該特點使得在氨揮發(fā)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(tài)氮的生成，減少了硝酸鹽對地下水的污染。同時我國利用農(nóng)業(yè)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(shù)據(jù)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(tài)氮污染。滴灌施肥技術也對于地下水硝態(tài)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(nóng)區(qū)地下水硝態(tài)氮污染主要由農(nóng)業(yè)化肥施肥量過度，工業(yè)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(tài)氮污染狀況加劇，威脅到了我們的身體健康。經(jīng)過查閱、分析大量國內(nèi)外對于地下水硝態(tài)氮污染的資料，得出以下結論：

有關于地下水硝態(tài)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(tài)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(tài)氮的主要污染途徑。防治措施主要集中在農(nóng)業(yè)工程方面。

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

4.2 展望

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

氮的轉化與地下水硝態(tài)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(tài)氮對地下水的研究時，需要結合多種農(nóng)業(yè)生態(tài)，糧食種植，城市環(huán)境等宏觀因素。地下水硝態(tài)氮污染的遷移與平衡對人類生活影響是全球性問題。