干旱荒漠绿洲区不同土地利用类型浅层地下水硝态氮变化趋势

Trend of nitrate-N concentration in shallow groundwater of different land use types in arid desert oasis

摘要

目的 分析西北干旱区黑河中游绿洲农业区不同土地利用类型地下水埋深和NO₃^--N含量时间变化规律。 方法 对研究区域近10 a（2005~2014年）地表水和地下水NO₃^--N浓度变化情况进行分析，在垂直黑河河道方向设置9个观测井，对不同土地利用类型地下水埋深及NO₃^--N含量进行连续监测和分析。 结果 2005~2014年荒漠绿洲边缘区地下水NO₃^--N含量呈明显上升趋势；不同景观带地下水埋深及NO₃^--N含量均存在显著性差异，垂直河道由近及远方向地下水位基本呈下降趋势，而NO₃^--N含量无明显递增或递减趋势；位于黑河河漫滩（GW₁）、老绿洲农田（GW₂）及东沙丘（GW₇）区域的地下水NO₃^--N含量显著低于其他土地类型的地下水，新垦沙地农田（GW₃、GW₄、GW₅）地下水NO₃^--N含量已经严重超出WHO饮用水标准，荒漠绿洲过渡带GW₆、GW₈和GW₉观测井NO₃^--N浓度呈增加趋势。 结论 黑河中游绿洲农业区地下水NO₃^--N含量变化对自然条件和人类活动敏感性较强，尤其是新垦绿洲农田对灌溉表现出较强的敏感性，是地下水硝酸盐污染的敏感区域，建议在新垦沙地农田区实施减少氮淋溶灌溉施肥管理方案。

Abstract

Objective In order to analyze the temporal variation of groundwater depth and NO₃^--N content under different land use types in oasis agricultural area in the middle reaches of Heihe River in arid northwest China. Method First of all，we analyzed the the changes of NO₃^--N concentration in surface water and groundwater in the study area in recent ten years，and then，nine observation wells were set in the vertical direction of Heihe River to continuously monitor and analyzed the groundwater depth and NO₃^--N content of different land use types. Result The results showed that the NO₃^--N content of groundwater in desert oasis fringe area increased significantly from 2004 to 2014.Groundwater depth and NO₃^--N content of different land use types were significantly different，and groundwater level of vertical river showed a decreasing trend from near to far，while NO₃^--N content had no obvious increasing or decreasing trend.The NO₃^--N content of groundwater located in the Flood plain of Heihe River (GW₁)，Old oasis cropland (GW₂) and Sand Dune in eastern (GW₇) was significantly lower than that of other land types.The NO₃^--N content of observation Wells GW₆，GW₈ and GW₉ in the desert oasis transition zone showed an increasing trend，and the NO₃^--N content of groundwater in Newly cultivated sandy cropland (GW₃，GW₄，GW₅) was significantly higher than WHO drinking water standard. Conclusion The changes of groundwater NO₃^--N content in the oasis agricultural area in the middle reaches of Heihe River are highly sensitive to natural conditions and human activities.Especially，the newly reclaimed oasis farmland shows strong sensitivity to irrigation，which is a sensitive area of groundwater nitrate pollution.Thus，we suggested that reduce the nitrogen application rate in newly cultivated sandy cropland.

Graphical abstract

关键词

荒漠绿洲 / 土地利用 / 地下水埋深 / 地下水硝态氮含量

Key words

desert oasis / land use / groundwater depth / nitrate-N content in groundwater

地下水硝酸盐污染已成为普遍存在的环境问题，过量的硝酸盐会对水生生态系统和人体健康造成威胁^［1-2］。地下水硝酸盐含量过高将会改变地下水资源属性，破坏生态环境良性循环，水体富营养化等^［3］；长期饮用含有高浓度硝酸盐的地下水会引起新生儿患“蓝婴症”及人体消化道癌变等^［4-5］。为此，国内外学者对地下水硝酸盐污染状况进行了大量的调查研究。美国、印度、日本、加拿大、以色列等国家都有关于地下水硝酸盐浓度严重超标的报道记载^［6-8］。我国早在20世纪70年代就展开了地下水硝酸盐调研工作。北京、天津、河北、成都及长江中下游农业区等地，均有地下水硝酸盐超标现象^［9-11］。随着时间推移，不同地区地下水硝酸盐浓度呈不同的变化趋势。西北关中地区2017年浅层地下水硝态氮超标率为2.4%（>20 mg/L），与2001年相比下降30%；华北平原2016~2018年期间，浅层地下水硝酸盐超标率达18.9%，高于1998年7.1%，呈上升趋势^［12］。

通常人类活动频繁的地区其地下水硝酸盐浓度普遍高于人类干扰较少的地区^［13］，在农区，农业不合理的施肥、较高的灌溉水量是引起地下水硝酸盐浓度偏高的主要原因^［14-15］。土地利用方式决定了氮肥输入量和灌溉水量的多少，进而影响地下水硝酸盐浓度的变化^［16］。耕地、林地受施肥和灌溉的影响，其浅层地下水硝酸盐浓度普遍高于荒地、居民用地、草地；蔬菜种植区氮肥施用量较高、灌溉频繁，地下水污染程度高于大田、果园等土地利用类型^［17-18］。因此，从土地利用变化的角度研究地下水硝酸盐浓度变化是十分必要的。

河西走廊绿洲地处我国西北内陆干旱区，是典型的灌溉农业绿洲区。近几十年来，随着经济迅速发展和人口急剧增长，河西走廊大面积的荒漠开垦为新农田。这种新垦沙地农田土壤肥力低，保水保肥性能差，是干旱区绿洲灌溉耗水和化肥施用最大的区域，也是地下水硝酸盐污染风险较高的区域^［19］。现有调查研究表明，绿洲区地下水硝酸盐浓度超标率为32.4%，呈持续增长状态^［20-21］。然而，河西走廊绿洲土地利用类型丰富多样，水文地质条件复杂，关于地下水硝态氮浓度时空变化规律及不同土地利用类型对地下水硝态氮浓度的影响机制缺乏系统认识，特别是农业生产活动对硝态氮淋失的影响还缺乏定量的评估。因此，研究干旱区地下水硝酸盐污染现状及污染机理对维护区域生态环境平衡具有重要意义。鉴于此，本文立足西北干旱区黑河中游绿洲农业区，在黑河中游荒漠绿洲过渡带（平川镇）垂直河道方向选取不同土地利用类型地下水观测井进行长期定位观测地下水NO₃^--N含量，以此研究地下水NO₃^--N含量时间变化规律，以期为地下水硝酸盐污染机理及污染源解析提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域与样地概况

研究区域位于西北干旱荒漠绿洲区黑河中游地带，属温带暖温带干旱荒漠气候，年均气温7.6 ℃，年均最高温为39.1 ℃（8月），年均最低温为 -27 ℃（1月）；多年平均降水量为117 mm（1965~2010年），降水主要发生在7~9月份；年均蒸发量2 390 mm，年均无霜期为112~165 d，初霜期一般在10月上旬至中旬；农田区域地下水位介于4~6 m。土壤母质主要为第四纪砂砾洪积-冲积物。土壤类型有黑河沿岸分布的绿洲潮土和灌淤土，以及绿洲边缘由荒漠土开垦后长期灌溉耕种形成的灌耕灰棕漠土和灌耕风沙土^［22］。由于开垦年限不同，形成熟化程度各异的沙地灌溉农田，土壤砂粒含量高、有机质含量低、持水性能低是其主要特征^［23］。为探究该研究区不同土地利用类型地下水硝酸盐动态变化过程，在中科院临泽内陆河流域研究站（N 39°14′~39°24′，E 100°02′~100°21′，海拔1 350~1 400 m）附近，垂直黑河河道方向（SW-NE）选择不同景观带地下水观测井进行定位观测地下水埋深并采集水样（图1，表1）。每月1号进行观测和取样，观测时间段为2016年4月至2017年9月。

1.2 数据来源、样品采集及测定

不同水体硝态氮数据：不同水体硝态氮数据来源于中科院临泽内陆河流域综合研究站，主要为临泽站近10 a（2005~2014）不同水体（地下水、地表水和水库）硝态氮含量监测结果。

地下水水井取样及测定：每个样点采集250 mL水样，用聚乙烯瓶盛放，收集瓶用待采集的水样涮洗3~5次后盛取水样，收集到的水样贴好标签后带回实验室放入冰箱冷冻保藏。

样品的测定方法：待测水样解冻后用中速定性滤纸过滤直至澄清，采用水化学间断分析仪（Smart Chem-140）测定水样中NO₃^--N的质量浓度。测定量程为0.025~10 mg/L，当测定结果大于10 mg/L时，则需要稀释后再次测定。

1.3 数据分析

所有数据应用SPSS 19.0 （Chicago，IL，USA） 软件进行分析处理，用Origin 8.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水体NO₃^--N含量年际变化趋势

由荒漠绿洲区近10 a不同水体NO₃^--N含量变化趋势可知（图2），地下水NO₃^--N含量呈明显上升趋势，2014年地下水NO₃^--N浓度为2005年的7.1倍；地表水和水库NO₃^--N含量变化则较为平稳，无明显上升或下降趋势。2005~2014年间地表水和水库NO₃^--N含量变化范围相近，分别介于0.29~4.18 mg/L和0.29~5.92 mg/L之间，低于WHO规定的地下饮用水NO₃^--N含量标准10 mg/L，地下水NO₃^--N平均质量浓度为8.42 mg/L，变化范围介于0.72~21.5 mg/L。由地下水NO₃^--N含量年际变化曲线可知，2011年8月起至2014年地下水NO₃^--N含量超出WHO地下饮用水NO₃^--N含量标准，2012、2013和2014年NO₃^--N平均含量分别超出WHO地下饮用水标准15.8%、30.6%和36.3%。

2.2 不同土地利用类型浅层地下水埋深及NO₃^--N含量季节变化趋势

2.2.1 垂直河道方向变化趋势

不同土地类型GW₁~GW₉观测井之间其埋深存在显著性差异（P<0.05），位于农田的观测井GW₂~GW₅，受土壤类型和灌溉强度的不同，其地下水埋深也存在显著性差异（P<0.05）。同时，垂直河道SW-NE方向地下水埋深基本呈升高趋势，距离河道最近位于河漫滩处的观测井GW₁其埋深最浅（（0.7±0.1） m），而距离河道最远位于戈壁处的观测井GW₉其埋深最深（（11.0±0.3） m），观测井GW₂~GW₈埋深变化范围则介于2.3~4.6 m之间（图3-A）。

垂直河道SW-NE方向观测井NO₃^--N含量并无明显上升或下降趋势，不同土地类型GW₁~GW₉观测井NO₃^--N含量存在显著性差异（P<0.05，图3-B），GW₆观测井NO₃^--N质量浓度显著高于其他观测井（P<0.05），其均值为（36.5±6.7） mg/L，其次为GW₈（（20.8±8.6 ）mg/L），与观测井GW₆均超出我国地下饮用水NO₃^--N含量标准（20 mg/L），处于地下水硝酸盐污染状态；尽管GW₃、GW₄、GW₅及GW₉观测井NO₃^--N浓度平均值均低于20 mg/L，但显著超出WHO地下饮用水NO₃^--N含量标准（10 mg/L），也处于硝酸盐污染状态；GW₁、GW₂和GW₇显著低于10 mg/L，处于未被硝酸盐污染状态。

2.2.2 季节变化情况

2016年4月至2017年9月不同土地类型地下水埋深表现出不同的季节变化特征（图4-A）。除观测井GW₁和GW₉之外，观测井GW₂~GW₈地下水埋深在10、11月份呈明显下降至最低点，12月份则逐渐回升，翌年3、4月份观测井GW₄、GW₅、GW₆、GW₇地下水水位下降，而GW₂和GW₈呈上升或无明显波动趋势。

观测期间不同土地类型地下水NO₃^--N含量在时间尺度上并未呈现出明显的季节变化规律，呈上下波动变化状态（图4-B）。其中，GW₁、GW₂和GW₇观测井NO₃^--N含量分别介于2.7~8.7、1.9~5.4、0.8~4.3 mg/L，上下变化幅度较小，观测期内始终小于10 mg/L；位于新农田区域的GW₃、GW₄、GW₅观测井NO₃^--N含量变化范围分别为7.7~29.9、11.2~19.9、2.0~19.5 mg/L，上下波动明显；位于荒漠区域观测井GW₆和GW₈的NO₃^--N含量变化范围分别为20.8~45.5 、8.4~35.3 mg/L。监测井GW₉因2017年4月干涸，NO₃^--N监测数据不连续，结果未在图中展示。

2.3 地下水埋深与NO₃^--N浓度的关系

研究区域地下水埋深与NO₃^--N含量没有显著的相关关系。如图5所示，地下水埋深与NO₃^--N含量呈线性函数关系y=1.0x+1.9（P<0.001），其中R²为0.340。

3 讨论

将该区域近十年（2004~2014）的地下水NO₃^--N含量与地表水（来自黑河）及水库NO₃^--N含量进行对比发现，地下水NO₃^--N含量呈明显上升趋势，2011年8月起地下水NO₃^--N含量超出WHO既定标准，截止2014年，地下水NO₃^--N含量升高7.1倍，说明该区域地下水存在被硝酸盐污染的风险或已经污染。地下水硝酸盐污染的原因较为复杂，通常是地形、土壤质地、气候和人类活动共同作用的结果。在农业种植区，灌溉、施肥、耕作等农业管理是引起地下水硝态氮含量强烈变化的主要因素。2009年监测到地下水硝态氮含量出现骤降后又上升的情况，我们认为这可能是采集水样时刚好为灌溉后不久，地下水硝态氮含量受地表水的稀释作用而降低，受稀释作用维持了很短的时间，硝态氮含量又呈升高状态，说明此时地下水硝态氮浓度已经高于地表水了。苏永中等^［24］在同一研究区监测发现，2012年11月冬灌后，新垦沙地区地下水位呈升高状态，地下水硝态氮含量出现了骤降现象，分析认为地表水稀释作用使得地下水硝态氮浓度有所降低。

研究分析不同土地类型观测井埋深季节变化情况发现，垂直河道SW-NE方向埋深基本呈升高趋势，距离河道最近位于河漫滩处的观测井GW₁其埋深最浅（（0.7±0.1） m），而距离河道最远位于戈壁处的观测井GW₉其埋深最深（（11.0±0.3） m），观测井GW₂~GW₈埋深变化范围则介于2.3~4.6 m之间；并且距离河道最近和最远的观测井GW₁和GW₉其埋深年内变化动态波动幅度较小，位于绿洲农田、沙丘、荒漠土地利用类型的观测井GW₂~GW₈其埋深上线波动幅度较大，部分观测井呈现出一定的季节性变化规律，如GW₂~GW₈地下水埋深在10~11月份呈明显下降至最低点，12月份则逐渐回升，翌年3~4月份观测井GW₄、GW₅、GW₆、GW₇地下水水位下降，而GW₂和GW₈呈上升或无明显波动趋势。观测井所在范围系属于黑河平川灌区，属地表水与地下水联合灌溉区域，地下水位的变化主要受地表水入渗补给和井水抽灌的影响，因而观测井埋深年内变幅明显。

灌溉可使土壤中残留的NO₃^--N淋失至地下水圈，增加硝酸盐浓度，但也有可能因灌溉的稀释作用降低地下水硝酸盐浓度。同样，研究通过分析不同土地类型地下水硝酸盐季节变化情况发现，地下水NO₃^--N含量呈上下波动的变化状态，但并未呈现出明显的季节变化规律。位于黑河河漫滩的观测井GW₁、老绿洲农田的GW₂以及东沙丘地带的GW₇其NO₃^--N含量变化幅度较小，介于2.7~8.7、1.9~5.4、0.8~4.3 mg/L之间，观测期内NO₃^--N浓度观测值始终低于WHO规定的标准（10 mg/L），未受到NO₃^--N污染；位于新垦沙地农田的GW₃、GW₄和 GW₅观测井NO₃^--N含量均值分别为18.5、15.4、10.4 mg/L，处于NO₃^--N污染状态或临界状态，显著高于老绿洲农田GW₂。

究其原因，与农田土壤质地及施肥灌溉习惯密切相关。老绿洲农田有机质及黏粉粒含量较高，黏粉粒较强的养分保持能力在一定程度上阻碍了NO₃^--N向下迁移^［25］；同时，老绿洲农田经过长期的耕作历史，耕作层土壤结构较为稳定^［26］，灌溉量及化肥投入量相对新绿洲较小，因而地下水NO₃^--N污染风险低。而新垦沙地农田具有耕作年限短，土壤结构发育尚未成熟，土壤砂粒含量高、有机质含量低，持水保肥性能差等特点，加之作物生产过程中灌溉量大、化肥投入量高，导致土壤中大量氮素淋溶至地下水圈，是引起地下水NO₃^--N含量较高的主要原因。同样，苏永中等^［23］研究认为老绿洲农田130 cm土层以下形成以壤土或黏壤土为主的滞水层，在一定程度上阻碍了土壤水分和溶质向下的渗漏迁移，加之黑河与绿洲农田区域地下水之间的平流交换稀释了地下水NO₃^--N浓度，这就很好地解释了老绿洲农田地下水NO₃^--N浓度低的原因。李晶^［27］在黑河中游荒漠绿洲区利用土柱模拟试验进行研究发现，老绿洲农田“蓄水保墒”生态效应优于新垦沙地绿洲农田，新绿洲农田每年有将近18.7%~34.2%的氮肥淋溶出200 cm土层，由此更加证实新绿洲农田地下水NO₃^--N污染风险高于老绿洲农田。

此外，研究还发现新绿洲农田地下水埋深及硝态氮浓度对灌溉、施肥及耕作等农业生产活动极为敏感。如2016年10月下旬至11月初该区域进行大面积的地表水冬季灌溉，观测井GW₅地下水埋深由4.22 m急剧下降至1.98 m，在地表水稀释作用下NO₃^--N浓度逐渐下降，降至翌年3月份最低值4.3 mg/L，但到4月份NO₃^--N浓度又急剧上升至13.4 mg/L，说明新绿洲农田地下水硝酸盐污染程度较为严重。值得注意的是，地下水是新垦沙地农田区域的主要灌溉水源，含有高浓度NO₃^--N的地下水灌溉有利于作物生长发育，但多次循环灌溉-渗漏很有可能加剧NO₃^--N污染^［28］，因此，建议在生育期内进行地表水和地下水联合灌溉或交叉灌溉的方式。荒漠绿洲过渡带GW₆、GW₈和GW₉观测井NO₃^--N浓度较高的原因可能是由于新绿洲农田地下水向过渡带水平流动，NO₃^--N在荒漠区域富集，诱发NO₃^--N浓度升高。但解释同样在过渡带的GW₇观测井NO₃^--N含量较低的原因，需观测分析土壤剖面NO₃^--N分布情况或借助同位素示踪技术辨析污染源。

一般而言，包气带厚度决定了土壤硝态氮淋溶路程和时间，包气带厚度越大，氮素淋溶至地下水水圈的距离和时间越长，地下水受硝酸盐污染影响较小。但在黑河中游荒漠绿洲区，浅层地下水埋深与NO₃^--N含量没有明确的关系，即使在埋深较小的河漫滩处其地下水NO₃^--N浓度受河水入渗稀释的作用而低于埋深较深的农田区域。戈壁距离河道较远、埋深较大，但其地下水因农田区域含有高浓度NO₃^--N的地下水向荒漠-戈壁方向水平流动使得NO₃^--N富集在此，地下水遭受硝酸盐污染。

综上所述，黑河中游荒漠绿洲区复杂的地质地貌、荒漠-绿洲化历史进程以及人类活动特征使得该区域地下水硝酸盐含量时空变化具有自身特色。该区域地下水NO₃^--N含量变化对自然条件和人类活动敏感性较强，尤其是新垦绿洲农田对灌溉表现出较强的敏感性，是地下水硝酸盐污染的敏感区域。

4 结论

1） 2004~2014年荒漠绿洲边缘区地下水NO₃^--N平均质量浓度为8.42 mg/L，NO₃^--N含量呈明显上升趋势，2014年地下水NO₃^--N浓度为2004年的7.1倍，2011年8月起至2014年地下水NO₃^--N含量超出WHO地下饮用水NO₃^--N含量标准。

2） 黑河中游荒漠绿洲边缘不同景观带地下水埋深存在显著性差异。垂直河道方向地下水位基本呈下降趋势，位于灌溉区域的观测井GW₂~GW₈埋深变化幅度较大，观测井GW₄、GW₅、GW₆、GW₇埋深变化呈现出一定的季节性变化规律。

3） 黑河中游荒漠绿洲边缘不同景观带地下水NO₃^--N含量存在显著性差异，垂直河道方向地下水NO₃^--N含量无明显递增或递减趋势。位于黑河河漫滩（GW₁）、老绿洲农田（GW₂）及东沙丘（GW₇）区域的地下水NO₃^--N含量显著低于其他土地类型的地下水；新垦沙地农田（GW₃、GW₄、GW₅）地下水NO₃^--N含量已经严重超出WHO饮用水标准，对灌溉表现出较强的敏感性，是地下水硝酸盐污染的敏感区域，建议在新垦沙地农田区实施减少氮淋溶灌溉施肥管理方案；荒漠绿洲过渡带GW₆、GW₈和GW₉观测井NO₃^--N浓度呈增加趋势。

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基金资助

国家自然科学基金创新研究群体项目(41621001)

甘肃省科技厅软科学专项(21CX6ZA015)

甘肃省陇原青年创新创业（个人）项目