桂林寨底地下河硝酸根含量特征研究

王 松,裴建国

(1.中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004 2.广东省工程勘察院,广东广州 510510)

地下水系统有多种形态的氮存在,它们在一定条件下可以相互转化。由于土壤层吸附以及特殊的生境条件,地下水有机氮一般含量较少。地下水无机氮主要包括NO3-以及NH4+和NO2-,NO2-是硝化和反硝化的中间产物,化学稳定性差致使该形态离子的含量不高[1]。NH4+由于离子交换和硝化作用等含量也较少。因此,在工农业生产迅速发展使地下水硝酸盐污染成为世界性的环境问题[2]的今天,研究地下水中硝酸根的含量特征具有重要意义,在水文地质结构特殊的西南岩溶地区尤为明显。

1 研究区概况

研究区位于桂林市区东面的灵川县境内,地处南岭山地南面的西麓,处于北回归线附近的低纬度地区,地属亚热带季风气候区,气候四季分明,降雨量年内分配主要受季风活动影响,分布不均。夏季湿热多雨,秋季干旱少雨,且雨热基本同季。研究区寨底地下河系统补给面积为 32.69 km2。

2 研究方法

根据前人资料[3]可知该系统内的地下河管道的分布、联通状况以及控制特性,本研究选取地下河系统内 6个控制点定期取样(见图 2-1)。1号点为钓岩地下河出口;2号点为水牛厄岩溶泉;3号点东究地下河出口;4号点东究桥地下河出口;5号点小浮地下河出口;6号点为整个地下河系统总出口,位于桂林市灵川县海洋乡寨底村。

图1 寨底地下河取样点示意图

根据硝酸盐的特点,本研究于 2008年的 7月,9月,11月对 6个控制点进行硝酸根、亚硝酸根和铵根含量水样的采集。2008年 2月至 2009年 1月每月一次对地下河总出口(6号点)进行水样全分析检测。

每次取样均用 600 ml的高密度聚乙烯塑料瓶取水样 1瓶,密封、冷藏快速运至实验室进行 NO3-、NO2-、NH4+浓度检测。检测工作中国地质科学院岩溶地质研究所测试中心完成。

3 结果与分析

7月份为桂林地区的雨季,农作物生长的旺盛,主要农作物水稻在此时为第二季水稻肥田插秧时节。9月份应为桂林地区的平水季节,但是在 2008年 9月份前后降雨极少,取样前半个月均未下雨,总出口(6号点)处的水位为 3.3 cm,远低于 7月份的27.1 cm。11月份为桂林地区的干旱季节,但是在取样的前两天研究地区有较强的暴雨,取样当天也有中雨。

鉴于三氮的相互转化特征,考虑到铵根与亚硝酸根对硝酸根的影响,笔者在分析硝酸根浓度特征前也分析了研究区铵根与亚硝酸根浓度特征。

(1)NH4+含量特征所有水样的 NH4+浓度均小于检测限 0.02mg/L,符合Ⅰ类饮用水的标准,属于低含量,在此就不给予讨论。

(2)NO2-含量特征NO2

-在不同时间及不同样点均偶尔有检出,大部分样点NO2

-含量低于检测限 0.002mg/L,见图 2。

图2 研究区内 7月、9月和 11月NO2-浓度

NO2-的检测结果显示,7月份东究 NO2-浓度为0.01mg/L,其余 5个点 NO2-浓度均为低于检测限 0.002 mg/L。在 9月份东究桥和寨底均有检出,浓度分别为 0.01 mg/L和 0.2 mg/L,寨底 NO2-的浓度已属地下水质标准中的Ⅲ类水,浓度较高。NO2-为硝化作用与反硝化作用的中间产物,其高浓度应与 NH4+或NO3-低含量对应,检测结果也表明,在 9月份研究区内各研究点的 NO3-的浓度较低。但在其他三个点为何浓度较低或者未有检出,这一点需要进一步研究。11月份检出点有三个,各点 NO2-浓度差别不是很大,11月份有较多的检出点可能是因为 11月份取样前期至取样时遇暴雨,地表潜在污染源随雨水进入地下河管道,使得检出点较多,但浓度都比较低。

(3)NO3-含量特征18个水样中有 13个 NO3-浓度值低于天然背景下地下水硝酸根浓度值4.4mg/L,最低值为 0.44mg/L。最高值也远低于世界卫生组织规定的饮用水标准(50mg/L)为 23.4mg/L。

图3 研究区内 7月、9月和 11月NO3-浓度

从图 3可以看出,研究区内 NO3-浓度在不同月份呈现良好的分异性。6个取样点的 NO3-浓度均在 11月份为最高值,9月份为最低值,这可能与取样时的降雨情况密切相关。11月份虽已经进入旱季,但取样前几天和取样的当天都是暴雨到中雨,所取的水样呈现黄色,地表大量泥沙、垃圾等随落水洞进入地下,地表潜在的硝酸根源进入地下河,使得 11月份硝酸根浓度在三个月中居首位。9月份取样期间以及前十来天均是晴朗天气,地下河出口均清澈见底,寨底总出口的流量(约 185 L/s)远低于雨季 7月份的流量(4 374 L/s)。此时地表的垃圾、堆肥以及农田土壤里的 NO3-进入地下河要比在雨季慢或困难。7月份是研究区的雨季,其含量总体水平比 11月的暴雨时要低,比干旱时的 9月份要高。总体上说,在时间上,地下河中硝酸根的含量具有季节性变化,与大气降水密切相关。

在空间上,6个取样点每个月的硝酸根含量都有各自的特征,与各个点的地貌和土地利用方式有关。以7月份为例(见图 4):

图4 研究区 7月份 NO3-含量等值线图

从图 4可以看出,7月份水牛厄和钓岩的 NO3-浓度都比其它点要高,其主要原因可能是钓岩上游补给区有四个较大的洼地和坡立谷,洼地和坡立谷正是农作物密集的地方,NO3-含量受农业和人类活动的影响很大,水牛厄不仅接受了来自钓岩的地下水的补给,它也接受其上游洼地地表水的补给。而且,水牛厄出口就在人口密集的村中出露,村中人口众多,养有牛等牲畜,动物粪便、生活污水直接排入地下。钓岩出口到水牛厄补给区的管道和水牛厄地下河的管道都较短,减少了 NO3-在运移的过程中可能存在的自净作用,使得水牛厄的 NO3-的有效补给源和补给量都较高。东究和小浮NO3-的含量处于是 6个点中较低位置,这是因为东究和小浮的补给源区洼地较少,补给面积小,人类活动影响较小。小浮的补给区虽为一个大的洼地,但是洼地内的居民点较少,受人类生活影响较小。

不仅是 7月份,9月份和 11月份研究区内 6个点的硝酸根含量的空间分布特征也有着上述规律(见表 1)。

表1 研究区 9月、11月份 NO3-浓度

总体来说,研究区的硝酸根含量较低,测试结果显示该地区地下河水未受到明显的氮污染。但是部分研究点某些时段内 NO3-的含量还是高于天然土壤的背景值。

4 结论

研究区内水样硝酸根含量较低,未超过国家饮用水的标准。所有样点NH4+均低于检测限,NO2-在部分水点和特殊季节有检出,但含量均不高。大部分样点的 NO3-浓度虽未超过饮用水标准,但是部分水点的浓度还是超过了土壤天然背景值,并且在时空分布上与降雨和人类活动的影响(土地利用方式、人口密度等)有一定关系。

虽然研究区内“三氮”含量较低,但部分点 NO3-浓度在一定时期仍然超过土壤天然背景值,在今后工作中应重点研究其硝酸根来源。

[1]刘丛强等.生物地球化学过程与地表物质循环——西南喀斯特流域侵蚀与生源要素循环[M].北京:科学出版社,2007.315.

[2]Helmut K.Groundwater Updates Best-set Typesetter L td[M].Hong Kong,2000.3-8.

[3]黄敬熙,严启坤,王敏夫等.桂林岩溶水资源评价及其方法[M].重庆:重庆出版社,1988.