肖亚奇

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

1 概述

近年来，焉耆盆地内地下水的过度利用及氮肥的大量施用使得地下水中硝态氮含量面临着快速增加的风险。硝态氮淋失是旱地土壤氮素损失的一个重要途径，是导致区域性地下水硝酸盐污染的重要原因[1]，受到土壤质地、水文地质条件等自然因素和灌溉施肥、土地利用方式及地下水资源开发等人为因素的综合影响，由于淋洗到地下水的硝态氮存在巨大的危害性和难治理性，因此，明晰灌区硝态氮淋失迁移因素及污染情况，对改善绿洲农田环境，控制地下水污染及保护居民生活健康有重要意义。早在20世纪80～90年代，一些发达国家已开始通过限定氮肥的施用量来控制地下水氮污染问题[2]。基于对环境问题的关注，近年来对区域氮平衡及施用氮肥造成地下水污染风险的评价成为我国农业与环境研究的热点[3]。由于干旱半干旱地区降雨较少，早期普遍认为这种气候条件下的硝态氮淋洗损失很少。然而越来越多的证据表明[4]，在旱地土壤硝态氮大量累积的情况下，其淋洗程度主要受到施肥和灌溉强度的影响。因此，硝态氮淋洗也是旱地土壤氮素损失的一个重要途径，是导致区域性地下水硝酸盐污染的重要原因，已经成为全球集约农区重大农业和生态环境问题。明确土壤硝态氮的产生、淋失过程及影响因素，并进一步提出防控措施，具有重要的农艺价值和环境意义。在该领域，国内外学者已经开展了长期、大量的研究，并积累了丰富的资料。本文就干旱绿洲灌区土壤硝态氮淋失情况、影响因素及对地下水污染情况作简要综述。本文以新疆焉耆盆地绿洲灌区土壤、地下水中硝态氮为研究对象，开展典型区域的硝态氮分布特征调查与分析，旨在明晰区域淋失因素及污染情况，进而为改善绿洲农田环境和控制地下水污染提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

焉耆盆地绿洲灌区位于天山东段南坡(东经85°54′58″～87°29′6″，北纬41°43′33″～42°26′17″)，行政区隶属新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州(以下简称巴州)的焉耆县、博湖县、和静县及和硕县(俗称焉耆盆地北四县，详见图1)。该区在远离海洋和高山环绕的综合影响下，具有明显的干旱区绿洲气候特征，即干旱少雨、冬寒夏热、光照充足、蒸发量大等，多年平均降水量为73 mm，多年平均气温为8.3℃，水面蒸发能力为1 096 mm(蒸发值为折算后的E601型蒸发器的蒸发量)。灌区内主要是以盆地内的最大河流开都河为主要灌溉水源，其余的则为一些较小的河流，地下水主要由上游的地表径流补给形成。盆地内灌溉引用的开都河年均径流量约为12×108m3，剩余水量注入博斯腾湖内作为下游农业用水及维系湖区生态。绿洲区内以加工番茄和色素辣椒等经济作物为主，同时也种植小麦、玉米。

图1 研究区地理位置示意

2.2 样品采集及测定

通过2016—2017年野外调查取样，获取研究区灌区土壤及地下水中硝态氮、铵态氮等的指标信息。其中在库尔勒灌溉试验站(E86°10'24″，N41°35'14″)进行了不同灌溉定额的冬灌大田试验，采集冬灌前后土样12批，每个土壤取样点均采用GPS定位，利用圆凿钻采集土样，0～100 cm的土层每10 cm采集一个样，100 cm以上每20 cm取一个样；同时调查111眼井，共取地下水样80个。采集的样品由新疆地矿局第二水文地质工程地质大队统一检测。室内测试指标包括简分析、pH值、电导率、硝态氮、铵态氮、颗粒分析等；现场当天检测指标包括温度、溶解氧。通过T6(新世纪)紫外可见分光光度计测定土样、水样中硝态氮、铵态氮的浓度，土壤含水率用烘干法测定，电导率值则按1:5水土比配制水溶液使用雷磁DDS—307型电导仪测定。所采集的样品均严格依据《生活饮用水检验方法(GB/T 5750—2006)》、《土工试验方法标准(GB/T 50123—1999)》所规定的方法操作[5]。

3 结果与分析

3.1 硝态氮淋失自然因素影响分析

1) 土壤质地

焉耆盆地土壤质地从西北到东南依次为砂砾石、亚黏土、亚砂土及粉细砂。砂砾石主要分布在和静县以西、和硕县以北的山前平原地带；亚黏土主要分布在盆地中部平原区的焉耆县和博湖县；亚砂土主要分布在和静县及和硕县；粉细砂分布在博斯腾湖以东山前平原区[6]。

通过对检测水样统计分析可知(见表1)，研究区共检测水样80个，检出率达100%，在超限值为10 mg/L的标准下，超标率共13.8%，且大部分分布在土壤质地为砂砾石的区域(采样点11个，超标点6个，超标率54.6%)，其余分布在土壤质地为亚黏土(采样点37个，超标点4个，超标率10.8%)和亚砂土(采样点32个，超标点1个，超标率3.1%)的区域。由此说明盆地灌区地下水超标点主要分布在土壤质地为砂砾石的区域，其土颗粒孔隙较大易于硝态氮垂向渗透和迁移[7]。

表1 焉耆盆地地下水组分检出率与超标率统计

2) 地下水埋深

地下水硝态氮主要由地表氮污染源随降水或灌溉经包气带进入地下水，因此入渗过程对硝态氮有较大影响。不同埋深的地下水，其硝态氮浓度差异显著[8]。

由调查结果(见表2、图2)可知，地下水硝态氮浓度整体随着埋深的增加而降低。0～5 m埋深最浅，但硝态氮最高含量达到28.73 mg/L，位于焉耆县下五号渠村，超标率达10%，严重超标率达3%；在埋深5～10 m，硝态氮平均含量达到小峰值，13个样本平均值为3.62 mg/L，最高值为12.48 mg/L，位于和静县巴润哈尔莫顿镇查汗赛尔村，超标率达8%。说明该区域潜水(埋深0～10 m)已受到硝态氮污染。而对于埋深在100 m以上的地下水样品，其硝态氮含量最高已达4.6 mg/L，说明硝态氮已经淋溶至100 m以下的地下水。

表2 不同埋深地下水硝态氮含量 mg/L

图2 不同埋深地下水硝态氮含量示意

总体趋势是，灌区浅层地下水(埋深0～20 m)硝态氮浓度已超出国家饮用水标准(超限值>10 mg/L)，超标率达11.67%，严重超标率达1.7%；中深层地下水硝态氮浓度虽未超标，但已具有受潜在污染的风险。

3.2 硝态氮淋失人为因素影响分析

1) 灌水量

硝态氮的淋失取决于灌水和硝态氮浓度两个因子[10]。根据灌水量不同在库尔勒灌溉试验站的试验地设置6个灌水处理，灌水时间为2016年11月21日，灌水定额分别为1 200 m3/hm2、1 800 m3/hm2、2 400 m3/hm2、3 000 m3/hm2、3 600 m3/hm2、4 200 m3/hm2，试验区土壤质地为砂质壤土和砂壤土，每个灌水定额均钻取6个0～100 cm的土样，且间隔10 cm取1个样。为了减少样本的差异性且节约成本，将同一灌水定额同一层次的土样均匀混合，标记后带回实验室检测，检测获得数据即为硝态氮的平均含量。将取得的数据进行处理并对比分析冬灌前后土壤硝态氮变化情况。

通过表3、图3、图4可知，不同定额对土壤硝态氮的淋洗效果在表层(0～10 cm)最显著，对于中部土层(20～60 cm)范围，不同灌溉定额下硝态氮的淋洗程度不同，中部土层的平均淋洗率为33.7%、29.6%、28.9%、14.9%、-1.6%、30.2%；对于60～100 cm土层，随着灌溉定额的增大，硝态氮的淋洗程度差异显著。由表3可知，不同灌溉定额对整个0～100 cm土层剖面均有不同程度的淋洗，1 800 m3/hm2、2 400 m3/hm2对整个剖面淋洗程度较明显。

表3 不同冬灌定额下土壤硝态氮淋洗率 %

图3 不同灌溉定额土壤硝态氮淋洗率统计示意

图4 不同灌水定额土壤硝态氮含量变化特征示意

2) 施氮量

施氮量是影响硝态氮累积和淋洗的重要因素[11-12]。焉耆盆地水土资源丰富，是新疆主要的特色农牧业产区之一。近年来，随着集约化生产模式的形成，农业增产增收更依赖于化学肥料的投入，氮肥施用量的增加引起的负效应已表现的越来越突出。据统计，盆地耕地氮肥施用量在以年均7%左右的速度增长，且整个巴州氮肥施用量(折纯)由1998年的7.81万t增至2017年的19.69万t[13]，增长了1.52倍，但利用率仅有30%～40%左右，比发达国家低10%～20%。图5为焉耆盆地1998—2017年化肥施用量和单位面积纯氮施用量的变化过程。对整个盆地而言，其化肥施用量在1998年仅为2.19万t，而2017年达到5.06万t，增加1.31倍(见表4)，盆地单位面积平均施氮量从1998年的176 kg/hm2增加到2017年的486 kg/hm2，增加1.76倍，增长速度接近线性增长(见图5)。农田施肥对地下水的污染主要受施氮量、灌溉量和土壤质地等综合作用的影响[14]。

图5 各年总施肥量及单位面积平均施氮量变化过程

表4 焉耆盆地1998—2017年化肥施用量及平均施氮量

由研究区绿洲灌区内1996—2017年潜水硝态氮浓度年际变化(见图6)可知，潜水硝态氮平均含量已从1996年时0.02 mg/L增加到2017年的3.45 mg/L，呈现快速增加的趋势。这是由于潜水与包气带直接相通，其浓度变化除了受土壤质地、地下水埋深等因素影响外，主要受降水量、灌溉用水量、氮肥施用量的干扰等较大。

通常情况下，由于硝态氮不易被土壤吸附，大量的降水是引起硝态氮淋洗的主要因素，氮素淋失和降雨量成正相关[15]。焉耆盆地1998—2016年降水量总体呈波动上升趋势，年平均降水量为174.38×108m3，潜水硝态氮浓度总体变化趋势与年降水量不完全一致，2014年后出现随年降雨量的增大而增大的现象。这说明潜水硝态氮浓度的年际动态不只是受降水量的影响，主要还受施肥和灌溉水量的影响。农田灌溉在干旱绿洲灌区发挥重要作用，迅速增长的氮肥施用量和农田灌溉用水量将田间累积的氮素淋洗至地下水中，从而引起硝态氮浓度的增加。

由图6可知，单位面积施氮量与灌区潜水硝态氮浓度具有明显的正相关关系，灌区平均每年每公顷土地氮肥施用量增加15.50 kg，其潜水硝态氮平均浓度增加0.22 mg/L。因此，逐年增大的氮肥是影响潜水水质不断恶化的重要因素。

图6 1996—2017年潜水硝态氮浓度年际变化示意

4 结语

1) 硝态氮在土壤剖面中的淋失受土壤质地、水位埋深、灌水量、施氮量等多种因素影响，过程较为复杂。不同埋深对地下水硝态氮浓度影响不同，总体呈现出硝态氮含量随深度的增加而减少的趋势。其中冬灌是硝态氮淋失最直接的影响，不同灌溉定额对硝态氮的淋洗效果表层较整个土壤剖面更显著。随着冬灌定额的增加，中部土层(20～60 cm)的平均淋洗率为33.7%、29.6%、28.9%、14.9%、-1.6%、30.2%，对于60～100 cm土层，随着灌溉定额的增大，硝态氮的淋洗程度表现差异。冬灌对整个0～100 cm土层剖面均有不同程度的淋洗。

2) 逐年增大的氮肥是影响潜水水质不断恶化的重要因素，其正在以平均每年15.50 kg/hm2的速度迅速增加，已造成潜水硝态氮浓度每年增加0.22 mg/L的趋势。

3) 灌区浅层地下水已受到污染，超标率(超限值>10 mg/L)达11.67%，严重超标率(超限值>20 mg/L)达1.7%，且主要分布在土壤质地为砂砾石的区域，中深层地下水硝态氮的浓度虽未超标，但已具有受潜在污染的风险。