辽河流域典型农区地下水硝酸盐时空变化特征

牛世伟 安景文 宫亮 蔡广兴 何志刚 陈玥 刘子琪 隋世江

摘要：为了解和评价农业种植区域地下水硝酸盐含量状况，2005～2012年采集辽河流域典型农区2 839个井次的地下水样品，分析硝酸盐含量。结果表明，辽河流域典型农区地下水硝态氮平均为22.75 mg/L，井深小于或等于30 m地下水硝酸盐含量达到国家地下水质量标准的年份较少，井深30～100 m的除2011年外均达到标准，井深大于100 m的均能達到Ⅱ类水标准，各监测时期的硝酸盐含量和超标率有较大相关性；不同井深地下水硝酸盐含量差异明显，井深小于或等于30 m硝酸盐含量大于井深30～100 m的大于井深大于100 m的，随着井深深度的增加，地下水硝酸盐含量逐渐降低；以时间动态来看，硝酸盐含量总体呈逐年升高的趋势，超标可能性会进一步加大。

关键词：农业种植区域；地下水；硝酸盐；时空变化；井深；辽河流域

中图分类号：X523 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）05-1147-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.015

Spatial-temporal Change Characteristics of Nitrate in Groundwater in Typical Agricultural Areas of Liao River Basin

NIU Shi-wei，AN Jing-wen，GONG Liang，CAI Guang-xing，HE Zhi-gang，CHEN Yue，LIU Zi-qi，SUI Shi-jiang

（Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources，Liaoning Academy of Agricultural Sciences， Shenyang 110161，China）

Abstract： By sampling groundwater samples from 2 839 wells in typical agricultural areas of Liao river basin from 2005 to 2012， the nitrate concentration was analyzed to understand and evaluate nitrate status in groundwater of agricultural cultivation areas. The results showed that the average nitric nitrogen concentration of groundwater in typical agricultural areas of Liao river basin was 22.75 mg/L. The groundwater nitrate concentration from wells less than 30 meters depth reached the quality criterion of national groundwater in few years， from the wells in 30～100 meters depth， which met the quality criterion except for 2011， and from wells more than 100 meters depth， all attained Class II water standard， there was a significant correlation between nitrate concentration and over standard rate in different monitoring periods. Nitrate concentration of groundwater was significantly affected by different well depth， in the order of less than 30 m>30～100 m> more than 100 m. With the increase of well depth， nitrate concentration of groundwater decreased gradually. From temporal dynamics， nitrate concentration increased year by year， resulting in the further increase of over standard possibility.

Key words：agricultural cultivation areas； groundwater；nitrate；well depth

随着集约化农业的发展，由于过于追求经济效益和农产品产量，在农田中过量施用化肥和农家肥，含氮物通过地表径流及淋溶进入水体，导致江河、湖泊、溪流及地下水等水源硝酸盐含量过高[1-4]。研究表明，水体中的硝酸盐进入人体能被还原成亚硝酸盐，能够形成致突变和致癌的亚硝基化合物[5]。水体硝酸盐含量超标问题得到人们的关注，上世纪80年代开展了地下水硝酸盐含量超标和控制措施等方面的研究[6]，为防控地下水硝酸盐超标开辟了途径。国内外地下水硝酸盐含量超标问题日益严峻，国外报道加拿大的安大略湖南部1 292口监测井有14%地下水硝酸盐含量超标[7]；澳大利亚东北农区14%～21%的井水硝酸盐含量超标[8]，国内学者研究山东省莱西地区施肥对地下水硝酸盐含量的影响，含氮肥料对地下水硝酸盐的补给量占当次施肥量的24%和43%，地下水硝酸盐含量分别达到130 mg/L和177 mg/L，高于本地正常硝酸盐平均含量（63.5 mg/L）[9]。农田过量的氮肥投入，土壤中残留的氮素进入到地下水中，造成地下水硝酸盐含量超标[10]。

地下水是农村生活用水的主要来源，地下水硝酸盐含量的高低影响着人们的身体健康[11]。本研究以辽河流域典型农业种植区域为研究区域，从2005年开始连续定位监测其不同井深地下水硝酸盐含量的变化，以阐明辽河流域典型农区地下水硝酸盐时空变化特征，为辽河流域及类似地区防控地下水硝酸盐超标提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究區域慨况

调查区域为辽河流域典型农区的平原区，涉及沈阳市的于洪区、沈北新区、苏家屯区、新民市和辽中县，锦州市的北镇市和黑山县，铁岭市的铁岭县、开原市和昌图县，共计10个县区。区域耕地总面积约934 000 hm2，占全省总耕地面积的23.40%，研究区域属于温带半湿润气候区，年平均降水量在600 mm左右。其中，玉米主产区以旋耕播种为主，秸秆还田和施用有机肥较少，大部分只进行根茬还田，几乎不灌溉，化肥用量750～900 kg/hm2；水稻主产区长期连作，根茬还田，年灌水量7 500～12 000 t/hm2，化肥用量750～1 200 kg/hm2；蔬菜主产区长期连作，种植品种单一，有机肥用量50～120 t/hm2，年灌水量6 000～12 000 t/hm2，化肥用量3 000～4 500 kg/hm2；花卉主产区长期连作，品种较少，以玫瑰、百合为主，年灌水量4 500～9 000 t/hm2，有机肥用量45～60 t/hm2，化肥用量2 250～3 750 kg/hm2。

1.2 采样及测定方法

调查时间主要为2005年5～10月，除2005年外每年5月和10月均调查2次。地下水取自农村居民饮用水井，每个采样井用GPS定位，记录井深、水位、农田利用类型等信息。采样前进行排水并反复冲洗采集瓶，采集后加少量硫酸和HgCl冷冻保存。本研究样品共计2 839个，按照采样水井深度，将井深分为小于或等于30 m、30～100 m和大于100 m三大类。井深小于等于30 m的采样井数量最多，占67.49%，分布在玉米、水稻、花卉、蔬菜主产区；井深30～100 m的数量其次，占29.34%，分布在玉米、水稻、花卉、蔬菜主产区；井深大于100 m的最少，占3.17%，分布在水稻主产区。地下水硝酸盐含量采用紫外分光光度计双波长测定。

1.3 评价标准

采用中国地下水质量标准（GB/T 14848-1993）进行分类，即地下水硝酸盐含量大于20 mg/L为超标。

2 结果与分析

2.1 地下水硝酸盐含量变化总体特征

2005～2012年辽河流域典型农区地下水硝酸盐平均含量为22.75 mg/L，超出我国地下水质量标准的20 mg/L。其中达到国家地下水质量标准的年份有5个，超标的有3个，以2011年的38.08 mg/L为最高，最低为2005年的14.60 mg/L，相差幅度为23.48 mg/L。以时间动态来看，地下水硝酸盐含量呈逐年上升的趋势（图1）。

不同井深的地下水硝酸盐含量差异较为明显（图2），井深小于等于30 m的地下水硝酸盐平均含量为27.38 mg/L，属于Ⅳ类水，按国家地下水质量标准20 mg/L计算，超标36.90%，适当处理后才可作为生活饮用水；井深30～100 m的平均含量为14.19 mg/L，达到国家Ⅲ类水标准；井深大于100 m的平均含量3.48 mg/L，达到国家Ⅱ类水标准。这说明由于农户过量施肥，通过地表径流和地下淋溶，大量的氮素下渗，致使浅层地下水硝酸盐含量超标[12-14]，而随着井的深度增加，地下水硝酸盐含量逐渐降低。可见，井深对地下水硝酸盐含量有显著影响。

2.2 井深小于或等于30 m地下水硝酸盐含量变化特征

井深小于或等于30 m地下水硝酸盐含量监测结果（图3）表明，各年平均硝酸盐含量介于18.71～47.42 mg/L，其中，2006、2007、2008、2012年的超标，2009年和2011年的严重超标，2005年和2010年的合格，但表现为濒临超标。其变异系数（CV）除2007年和2008年走高外，总体呈逐年降低趋势，变异程度最高的为2008年的176.29%，最低的为2012年的76.28%。

2.2.1 不同监测时期井深小于或等于30 m地下水硝酸盐含量变化 从不同监测时期结果（图4）看，地下水硝酸盐含量总体趋势较为平稳（除2011年雨季前外），变化幅度在16.90～68.00 mg/L之间，超标的有10个监测时期，达标的有5个，超标的多于达标的。除2009年外，雨季前的地下水硝酸盐含量均高于雨季后的。各监测时期变异系数呈逐年下降的趋势，说明其变异程度也在下降，监测时期变异系数均在63.18%～166.73%之间。

2.2.2 不同监测时期井深小于或等于30 m地下水硝酸盐含量与超标率变化 不同监测时期硝酸盐含量与超标率结果表明（图5），20 mg/L的超标率在23.44%～78.63%之间，超标幅度呈上升趋势，其平均超标率达到了45.06%。超标率最高的为2011年的雨季前时期，其次为2009年雨季前的。20 mg/L超标率和地下水硝酸盐含量曲线轨迹几乎一致。由此可见，同一时期地下水硝酸盐含量与20 mg/L超标率相关性较大。

2.3 井深30～100 m地下水硝酸盐含量变化特征

从总体情况（图6）可以看出，地下水硝酸盐含量整体呈逐年升高的趋势，各年硝酸盐平均含量范围在4.80～20.23 mg/L之间，超标的只有2011年的20.23 mg/L，其余年度均达到国家地下水质量标准要求，但逐年升高的趋势表明，30～100 m地下水硝酸盐含量已经有超标风险。其变异系数处于75.13%～296.63%之间，除2005年外整体较为平稳，变化不大。

2.3.1 不同监测时期井深30～100 m地下水硝酸盐含量变化 各监测时期地下水硝酸盐平均含量为4.80～21.00 mg/L，只有2011年雨季后超标，雨季前和雨季后无明显的规律性，整体呈平稳态势。变异系数除2005年雨季前变异程度最大外，总体也较为平稳，变异系数在63.98%～135.82%之间（图7）。

2.3.2 不同监测时期井深30 m～100 m地下水硝酸盐含量与超标率变化 各监测地下水硝酸盐含量超标率范围在3.64%～43.86%之间，其超标率和硝酸盐含量平均值曲线趋势几乎一致，整体超标率有上升的趋势，说明各监测时期的硝酸盐含量和其超标率有较大相关性（图8）。

2.4 井深大于100 m地下水硝酸盐含量变化特征

2.4.1 不同监测时期井深大于100 m地下水硝酸鹽含量变化 2009年硝酸盐含量最低为2.33 mg/L，2006的最高为4.60 mg/L，监测期间地下水硝酸盐平均含量为3.48 mg/L，达到国家地下水质量标准Ⅱ水标准，总体变化幅度较小，相对稳定。其变异系数范围为42.65%～133.68%，2009年的变异程度高于其他年份（图9）。

2.4.2 不同监测时期井深大于100 m地下水硝酸盐含量变化 不同监测时期结果表明（图10），硝酸盐含量峰值为2006年雨季后的4.49 mg/L，最低值为2009年雨季后的0.94 mg/L，相差幅度为3.55 mg/L，变化幅度较小，相对稳定，各监测时期均达到国家地下水质量标准的Ⅱ类水要求。其变异系数出现2个高峰值，分别为2009年雨季后的133.69%和2012年雨季前的131.82%，变异程度高于其他监测时期。其20 mg/L超标率为0。由此可见，研究区域内井深超过100 m的地下水硝酸盐含量较低，受其他因素影响最小。

3 小结与讨论

在辽河流域典型农区调查的2 839个井次的地下水样品中，其硝酸盐平均含量为22.75 mg/L，超出国家地下水质量标准（20 mg/L），达标年份大于超标年份，但硝酸盐含量呈逐年上升的趋势，超标可能性进一步加大，各监测时期变异系数总体较为平稳。不同井深地下水硝酸盐含量差异明显，井深小于或等于30 m的27.38 mg/L>井深30～100 m的14.19 mg/L>井深大于100 m的3.48 mg/L，随着井深的深度增加，地下水硝酸盐含量逐渐降低。井深小于或等于30 m地下水硝酸盐含量达到国家地下水质量标准的年份较少，雨季前的硝酸盐含量均高于雨季后的，同一时期地下水硝酸盐含量与20超标率相关性较大。井深30～100 m地下水硝酸盐含量除2011年外均达到国家地下水质量标准，但总体呈逐年升高的趋势，其硝酸盐含量已经有超标风险，各监测时期的硝酸盐含量和超标率也有较大相关性。井深大于100 m地下水硝酸盐平均含量能达到国家地下水质量标准Ⅱ类水标准，总体变化幅度较小，其20 mg/L超标率为0，研究区域内硝酸盐含量较低，受其他因素影响小。

地下水硝酸盐含量的影响因素不仅仅局限于采样井深[15]，还要兼顾到采样周围的地形地貌、水文、地质等环境因素，区域降雨量等自然因素，农区种植类型、灌溉、施肥等人为因素，特别是集约型农区受人为因素影响较大[16]，应考虑其综合因素进行研究，由于本研究可获数据的局限性，其他影响因素有待以后的研究中逐渐完善。

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