焉耆盆地绿洲区水体硝态氮量调查及其空间分布研究

汪昌树，杨鹏年，张瀚，于宴民

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)



焉耆盆地绿洲区水体硝态氮量调查及其空间分布研究

汪昌树，杨鹏年，张瀚，于宴民

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

【目的】研究焉耆盆地绿洲区水体硝态氮污染现状及地下水空间分布规律。【方法】2014～2015年通过野外采样及室内化验，利用紫外可见分光光度法测定地表水(80个)、不同埋深地下水(284个)水体硝酸盐含量，并运用统计分析及克里金(Kriging)法研究盆地现状硝态氮量及空间分布。【结果】除包气带水体外，绿洲区水体硝态氮量水平总体较低，但不同类型、区域水体间差异性明显，变异性较高。主要河流与农田排渠均受到人为因素干扰，部分农田排渠硝态氮量已超过10.0 mg/L。地下水硝态氮量与埋深密切相关，包气带水>手压井>灌溉井>自来水井，随着埋深的增加，硝态氮量呈减小的趋势。氮素进入田间后，富集于耕作层等包气带土层，为进入地下水的起点。普通克里金插值(Or-Kriging)结果显示，部分典型灌区地下水已接近甚至超过国际(WHO)地下水安全允许浓度(硝态氮量>10.0 mg/L)，较高的区域多分布于典型灌区。【结论】集约化种植氮肥施用量的增加、利用率偏低是焉耆盆地绿洲区水体硝态氮量升高的主要原因，包气带中积累过多的氮素是水体污染的潜在风险。

硝态氮；空间分布；氮肥；焉耆盆地；绿洲

0 引 言

【研究意义】近年来，随着农业集约化程度的提高，面源污染呈现加重的趋势，水体硝态氮污染已成世界上面临的严峻问题之一。摄入硝态氮浓度过高的饮用水有患高铁血红蛋白症、蓝婴综合症(婴幼儿)及消化系统癌症等风险[1]；河流、湖泊地表水体硝态氮量过高将引起水体富营养化等一系列环境问题。面对焉耆盆地日益严峻的生态环境问题，提出硝态氮为影响水土环境的重要因子，以绿洲区为研究对象，调查分析变化环境下水体硝态氮的污染现状并对其空间分布开展研究，对农业面源污染、绿洲生态环境防治以及实现绿洲的安全可持续管理具有重要意义。【前人研究进展】地下水本身具有天然净化功能，但流动更新缓慢，一旦污染物浓度超过了其自净能力，含水层的修复过程将非常漫长。硝酸盐既是水体污染最具代表性的物质之一[2]，又是公认的世界上分布最广的地下水污染物。自20世纪末以来，我国许多地区出现了有关湖泊、河流及地下水硝态氮污染的报道[3-7]，尤其是农业面向现代化过程中的生产方式如作物种植、灌溉排水、施肥喷药等技术也朝着集约化、轻简化的方向发展，使面源污染(硝态氮)有加重的趋势。【本研究切入点】绿洲既是干旱少雨地区人类活动的载体、精华所在[8]，亦是区域尺度干扰生物多样性的策源地[9]，绿洲区的稳定与否直接关系人类的生产、生活以及区域社会经济的发展[10]。以往研究有关焉耆盆地的研究多是从水盐均衡的角度出发[11-14]，主要集中于水量和水质(盐分)的演化上，建立了水文及地下水模型，研究了焉耆盆地─博斯腾湖─孔雀河灌区可持续发展的水资源配置、水盐调控及向塔里木河下游输水等问题，但对于盆地面源污染的研究并不多见，关于硝态氮污染的涉及更为鲜见。此方面的研究与治理多集中于城区，对于面源污染严重的集约化农区不够重视，基础研究也非常缺乏。盆地农业发展面临土地利用方式转变、面源污染加剧、入湖水量锐减、水质劣变等生态环境问题，加上近些年化肥施用量急剧增加、利用率较低以及不合理的灌溉使氮素被淋洗至河流、湖泊及地下水体，造成污染，但有关硝态氮的统计资料与分析研究从未系统化。研究焉耆盆地绿洲区水体硝态氮污染现状及地下水空间分布规律。【拟解决的关键问题】研究绿洲农区水体的硝态氮量的现状调查及地下水分布规律，为盆地乃至类似地区硝态氮面源污染的防治提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

焉耆盆地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内，为西北内陆干旱区，行政区划包括焉耆、和静、和硕、博湖县及新疆生产建设兵团第二师21～27和223团场，面积1.361 2×104km2，区内水土资源丰富，拥有我国最大的内陆淡水湖博斯腾湖(约1 000 km2)。研究区为盆地绿洲区，即平原耕地区(85°54′58″～87°29′6″E，41°43′33″～42°26′17″N)，约占盆地总面积的45%。该区深居内陆，属中温带大陆性干旱半干旱气候，年内平均气温-11.6(1月)～23.3℃(7月)，相对湿度36.67%(4月)～73.67%(12月)，无霜期178 d，降雨多集中在夏季，降水量0.93(2月)～16.23(7月)mm。主要种植小麦、玉米等粮食作物，棉花、瓜果、工业番茄及色素辣椒等经济作物。图1

此次取样的水体类型包括盆地内主要的河流、湖泊及引、排水渠等地表水和不同埋深地下水。盆地第四系堆积物厚度大，分布广泛的松散孔隙介质中，地下水储存量极其丰富。第四系含水系统分为山前冲积扇单一潜水子含水层系统和细土平原区多层潜水─承压水子含水层系统，前者位于盆地西北部，以山前暴雨洪流形成的河水、雨水的垂直入渗补给及地下水径流的侧向补给地下水，后者为径流、排泄区，排水最终汇流于博斯腾湖。盆地潜水系统是一个较复杂的开放系统，潜水位埋深变化幅度大，多在5～20 m，岩性为亚砂土、亚粘土和砂砾的交互层。细土平原区潜水位受河流、湖泊以及侧向径流的影响，一般小于5 m，山前戈壁倾斜平原，潜水位一般10～50 m。地表向下砂砾、石粒逐渐变细，60 m处出现10 m厚的稳定承压水隔水层。盆地地下水补给来源除河流入渗、地下径流侧向补给外，还有灌溉、降水补给等。依据地下水埋藏条件和水井利用类型将地下水划分为包气带水(上层滞水)、潜水(手压井)、承压水(灌溉、自来水井)。图1

图1 样点采集分布及研究区示意
Fig.1 Location of the study area and sampling distribution

1.2 方 法

1.2.1 样品采集

采用均匀布点、局部加密的原则选择盆地代表性较强的作物种植区，于2014年7至2015年9月连续4次取样，并采用GPS定位。地表水取自河流(上、中、下游)断面、排灌沟渠及湖泊。地下水依据水体类型取样：(1)包气带水，为农田采集土样(2.6 m深)后的渗水，即未钻取至潜水位前经包气带扩散平衡后积聚形成；(2)手压井水取自居民家中的潜水井，一般用于家禽饮水和应急生活用水；(3)灌溉水和饮用水(自来水)均为承压水，灌溉水位于农田灌溉井，80～140 m深；饮用水最深，位于城镇的集体供水井(140～200 m)。手压井与机井采用人工或水泵提水，取样时先用水样进行清洗，之后放入装有冰块的保温箱中带回，测试前于冰箱内冷冻保存，分析时对混浊的水样进行过滤，采用T6(新世纪)紫外可见分光光度计测定N(>)量。

1.2.2 硝态氮污染评价标准

世界卫生组织(WHO)和欧美规定：美国和日本饮用水硝态氮最大允许浓度为10.0 mg/L，欧洲11.3 mg/L[17]。我国《生活饮用水卫生标准》规定：饮用水中硝态氮量不得超过10.0 mg/L，饮用水水源地不得超过20.0 mg/L[18]。地下水质量标准(GB/T14848-93)：硝酸盐(以N计，mg/L)，Ⅰ类≤2.0，Ⅱ类≤5.0，Ⅲ类≤20.0，Ⅳ类≤30.0，Ⅴ类>30.0。一级硝态氮量为10.0 mg/L，二级20.0 mg/L。根据上述标准及实测值，将硝态氮量分析标准分为：Ⅰ类≤2.0 mg/L、Ⅱ类≤5.0 mg/L、5.0～10.0 mg/L、10.0～20.0 mg/L、>20.0 mg/L(Ⅳ类含量以上)。

2 结果与分析

2.1 焉耆盆地绿洲区水体硝态氮量

此次野外调查取样包括河流及农田引水渠、排渠、博斯腾湖和不同埋深地下水水样共364个，分别占取样总数的8.2%、9.9%、3.8%、76.1%，涵盖了盆地绿洲农区的地表水、生活及工农业用水。研究表明，地表水(河流及引水渠、排渠)硝态氮平均值分别为1.12、1.81 mg/L，包气带、井水分别为24.73、2.40 mg/L。除包气带水体外，绿洲区硝态氮量总体较低。井水平均值为地下水质量Ⅱ类标准，表明河流及引水渠的灌溉水、生活用水质量总体较好，但变异系数分别为0.69、1.63，分别属于中等变异与高变异强度，表明不同类型、区域水体之间具有明显的差异性。博斯腾湖不同位置取样的水体变异系数为0.70，属中等变异强度，表明不同位置排渠汇入的水体硝态氮量有所差异，湖体平均值为0.28 mg/L。取自农田的包气带水平均值高达24.73 mg/L，农田化肥的施用使氮素多集中于耕作层。图1，表1

表1 焉耆盆地绿洲区不同类型水体硝态氮量统计
Table 1 Nitrate nitrogen concentration statistics of different water type of the oasis area of Yanqi Basin

采集水样类型Watertype样点数Samplingnumber(个)含量范围Concentrationrange(mg/L)均值Average(mg/L)标准差(SD)变异系数(CV)地表水Surfacewater河流、引水渠300.30～2.951.120.780.69农田排渠360.08～12.191.812.821.56博斯腾湖140.10～0.670.280.190.70地下水Groundwater包气带水78.73～51.3324.7314.420.58井水2770.01～30.412.403.911.63

2.2 焉耆盆地地表水硝态氮量

2.2.1 主要河流及引水渠水体硝态氮量

盆地内常年性河流多分布于西北部，主要河流的硝态氮量比较分析表明，大部分河流硝态氮量总体水平较低，盆地北部常年性河流─清水河硝态氮量最高，为1.52 mg/L，其余河流均在1.0 mg/L以下。不同河流之间因人为因素影响程度及位置不同水体硝态氮量有所差异，盆地内最大的常年性河流─开都河硝态氮量为0.61 mg/L；黄水沟是盆地西北部主要的河流之一，同时也是流入开都河的主要支流，为0.71 mg/L；各行政区主要干渠硝态氮量在1.10 mg/L左右，灌溉地表水水质较好。图2

图2 主要河流及引水渠水体硝态氮量
Fig.2 Nitrate nitrogen concentration ofriver of Yanqi Basin

2.2.2 主要农田排渠水体硝态氮量

近些年，随着耕地面积的不断扩大，灌溉引水量不断增加，各县及团场农区均建有典型的干排，区内排水系统较完善，盆地内排碱渠共计24条，排水直接或间接汇入博斯腾湖。从选取排渠断面的硝态氮量看，各行政区的主要农田排渠水体硝态氮平均值第二师最高，为2.58 mg/L，其次是博湖县达1.97 mg/L，其余三县硝态氮量较低，在1.0 mg/L以下。从实际调查数据看，各行政区农田排渠硝态氮量差异显著，尤其对于排水面积较大的排碱渠，其中博湖县种畜场排碱渠硝态氮量高达12.20 mg/L，第二师最高硝态氮量达10.31 mg/L，同样位于上述两个行政区的博湖县黄水育苇公司和22团南干排分别为0.11、0.09 mg/L。目前，焉耆盆地每年大约有2.7×108～3×108m3的农田排水、近 900×104m3的生活污水和1 000×104m3的工业废水通过农田排渠直接或间接汇入博斯腾湖，这些硝态氮量过高的水体将沿渠渗入地下水形成污染，汇入博斯腾湖后，造成湖区水体出现以硝态氮为代表性的富营养化等一系列问题。相比河流而言，排渠断面水体间差异性更大，受区域影响显著。图3

图3 各行政区划排渠硝态氮量
Fig.3 Nitrate nitrogen concentration of drainage for counties

2.3 焉耆盆地绿洲区地下水硝态氮量

2.3.1 不同埋深地下水硝态氮量比较

研究表明，地下水硝态氮量总体水平较低，但不同埋深水体间差异明显，277眼水井埋深由浅至深平均值分别为3.10、2.22、1.29 mg/L，相同埋深不同区域水体硝态氮量之间相差也较大。手压井Ⅰ类水体占71.8%，Ⅲ、Ⅳ类分别有18.4%、2%，且存在Ⅴ类水质，表明部分地区潜水质量已不容乐观，个别区域污染已很严重。农田灌水井97.7%的硝态氮量在10.0 mg/L以下，Ⅲ、Ⅳ类水体分别占8.4%、1.5%，无Ⅴ类水体。埋深最大的自来水井多为近些年新建，为集体饮用水井或公用自来水井，水井中无Ⅲ类及其浓度以上水体，最大值为3.81 mg/L，表明盆地饮用水质量较好。上述分析表明地下水硝态氮量与其埋深呈负相关关系，越接近地表的地下水体易受到人为活动的影响而污染，随着埋深的增加，劣质水体明显减少，这与硝态氮污染的影响因素、机制及其方式有关。地下水污染主要来源为地表淋溶，氮素在土体中不易被吸附，随着水流淋失至深层土壤进入地下水，这种淋溶方式决定了浅层地下水污染在先，而深层具有污染的滞后性[2,5]。土体中的铵态氮经硝化作用将变为更易迁移的硝态氮，同样经由土体淋溶至地下水流而最终进入博斯腾湖或地下水体。目前，盆地绿洲区灌溉及饮用水水质总体较好，但硝态氮污染已进入灌溉井水层，承压水已受到影响。表2

表2 不同埋深地下水硝态氮量
Table 2 Nitrate nitrogen concentration statistics of different depth of groundwater

地下水类型Groundwatertype样本数Samplingnumber(个)平均值Average(mg/L)最大值Max(mg/L)硝态氮量Nnitratenitrogenconcentration(mg/L)≤2.02.0～5.05.0～10.010.0～20.0>20.0均值Average比例Per(%)均值Average比例Per(%)均值Average比例Per(%)均值Average比例Per(%)均值Average比例Per(%)手压井Hand-pumping1033.1030.410.5971.83.447.87.109.713.928.725.862.0机井Motor-pumping灌溉水Irrigation1312.2221.260.7664.13.2826.06.227.610.370.820.821.5饮用水Drinking431.293.850.7472.12.7127.9000

2.3.2 焉耆盆地绿洲区地下水硝态氮量空间分布特征

基于地统计学的Or-Kriging插值方法对此次调查分析的277眼水井硝态氮量进行插值估计，对源数据作对数(Log)转换并以二阶趋势效应进行插值，在考虑各向异性的情况下选用球状模型，以上述分级标准得到地下水硝态氮量分区图。为了校验插值结果的精度，随机选取27个采样点(占样点个数的10%)作为验证数据，对剩余250个样点插值，采用回归分析的方法进行误差分析，相关系数为1表示所有点分布于回归线上，由回归方程知，相关系数R2=0.756，表示普通克里金插值的精度为75.6%。可以清晰的看出绿洲区硝态氮量的空间分布，从斑块的分布进一步显示出绿洲区硝态氮量的异质性，根据斑块的大小、位置可以看出硝态氮环博斯腾湖且以开都河呈对称分布，这与盆地的地形地貌及地质构造密切相关。盆地为近乎封闭的地下水汇水的特点[14]，使得硝态氮分布具有一定的对称性。污染严重的区域分布于和静、和硕县城周边，为人口密集造成的生活及城市工矿业污水的排放所致，其余污染较重的区域多位于绿洲区的典型灌区，且在盆地各行政县都出现Ⅲ类标准硝态氮量或以上的水质斑块。绿洲区周边种植区广泛分布着Ⅱ类地下水硝态氮量，表明绿洲区在集约化种植的影响下，存在潜在污染风险。图4，图5

图4 绿洲区Or-Kriging插值硝态氮量分区
Fig.4 Or-Kriging interpolation partition map of nitrate nitrogen concentration of oasis

图5 绿洲区Or-Kriging插值误差回归分析
Fig.5 The error regression analysis diagram of Or-Kriging interpolation of oasis

3 讨 论

绿洲农区水体硝态氮污染主要由农业活动中施用化肥及集中式和分散式的污水处理、管道泄漏、畜禽饲养等引起[1]。近些年，焉耆盆地面临集约化种植中带来的一系列生态环境问题，长期引用河水漫灌导致土壤盐渍化及次生盐渍化问题严重。为防治盐渍化以及满足库尔勒市发展的需水，盆地规划了供水水源地，且大面积推广高效节水的灌溉模式，地下水下降过程中携带大量氮素的运移。大面积推广膜下滴灌，每年实行冬春灌需大水漫灌淋洗盐分，与此同时，将作物生育期土壤中积累的氮素淋洗至地下水。美国、欧美等许多国家曾为硝态氮污染的治理付出了高昂的代价，如通过清洁水法案并设立专项基金用于面源污染治理[19]，德国在巴登州划定三级标准的水源保护区[20]等，使严重的地下水硝态氮污染有所缓解。地下水硝态氮污染的自然修复可长达25～50 a，且人为修复代价高昂[21]。

氮素作为作物生长的必需元素之一，农业种植常通过施入氮肥来实现，焉耆盆地盛产瓜果、加工番茄及色素辣椒等经济作物，为追求产出，存在盲目投入氮肥的情况。据统计[22]，巴州氮肥施用量(折纯)由上世纪90年代的3×104t增至现在的11×104t，第二师氮肥施用量由1×104t升至4×104t，巴州四县的氮肥施用量近10余年增加了仅4倍，但利用率只有30%～40%。焉耆盆地耕地化肥施用量和单位面积施用量(氮肥)近年来逐步增加，单位面积施用量由90年代的200 kg/hm2增加了近2倍，远高于发达国家。不合理的农田耕种使氮素在土体残留积累，在水流淋洗下浅层地下水更容易受到污染[1]，这与研究得出的结果相似，潜水Ⅰ类水体占71.8%，Ⅲ、Ⅳ类分别有18.4%、2%，灌溉水井、自来水井劣质水体骤降，自来水井无Ⅲ类及其硝态氮量以上的水体，同样相似的结论还有北京市平原农区地下水硝态氮污染源于地表淋溶，过量施用氮肥为主要原因[2]。图6

图6 焉耆盆地四县单位面积氮肥施用量时间序列
Fig.6 Time series of nitrogen fertilizer application amount of unit area in four counties of Yanqi Basin

一般认为，世界上原生水体硝态氮平均值约为0.023 mg/L[23]，地下水本底值不大于3 mg/L[24]，文中调查的河流已超出百倍，农田排渠更为严重，为田间氮素的淋洗汇集所致。调查发现，河流湖泊水体污染还与禽畜粪便的排放、渔业饲料投入等有关。地下水硝态氮量接近于本底值，但水体间变异性较大，且在盆地现有种植模式及地下水超采的情况下，硝态氮将不断渗入地下水并积累，以致通过各种途径形成污染。近年来，关于硝态氮的研究逐渐由田间尺度针对现有水肥制度下氮素运移及环境效应的评价发展至利用地统计学及数值模拟的方法对流域尺度进行评价分析[3,6]。研究采用地统计学Or-Kriging与GIS技术绘制了绿洲区地下水硝态氮量分区图，并对插值结果进行了精度的适用性分析。硝态氮量过高的区域大部分为典型灌区，常年的耕作、氮肥投入以及利用效率较低，使绿洲农区地下水硝态氮量升高。研究未进行不同深度地下水硝态氮量的研究，使硝态氮平均值较低，未更准确的说明绿洲区地下水硝态氮量，未来研究可通过分层定量分析及运用地下水数值模拟软件的溶质运移模块对硝态氮的运移及污染进行预测研究，以期进一步揭示其面源污染的机理过程。

4 结 论

4.1 焉耆盆地绿洲区水体硝态氮量总体水平较低，河流及引水渠、排渠及博斯腾湖平均值分别为1.12、1.81、0.28 mg/L。水体明显受人为因素干扰，部分农田排渠硝态氮量较高；地下水中，手压井、灌溉井、自来水井平均值分别为3.10、2.22、1.29mg/L，地下水硝态氮量与埋深呈负相关关系。不同区域、类型水体间硝态氮量有明显差异性，变异性较高。

4.2 Or-Kriging插值结果表明焉耆盆地地下水硝态氮污染多集中于人口密集区及典型种植区，水体硝态氮源于农田氮肥的淋失。

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Fund project: National Natural Science Foundation of China "Study on the Characteristics and Regularities of Water and Nitrogen Transport under the Impact of Human Activities in Yanqi Basin" (51369030);Graduate Student Science and Technology Innovation Program of Xinjiang Agricultural University "Temporal and Spatial Characteristics of Nitrate Nitrogen in Oasis Area of Yanqi Basin under Changing Environment" (XJAUGRI2015-009)；Key Discipline Foundation of Xinjiang Hydrology and Water Resources(XJSWSZYZDXK20101202)

Investigation into Nitrate Nitrogen Concentration and Spatial Distribution Study in Water of the Oasis Area of Yanqi Basin

WANG Chang-shu, YANG Peng-nian, ZHANG Han, YU Yan-min

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)

【Objective】 To investigate and study the status of the nitrate nitrogen contamination and spatial distribution in groundwater of the oasis area of Yanqi Basin.【Method】Through field sampling and laboratory analysis, the nitrate nitrogen concentration of 80 samples for surface water and 284 samples from different depths of groundwater was sampled and tested with the method of ultraviolet-visible spectrophotometry absorption in the oasis area of Yanqi Basin, then the status of the nitrate nitrogen contamination and spatial distribution was studied.【Result】The averaged nitrate nitrogen concentration was at a low level except the water of the aeration zone, but the concentration between different types and region was obviously different and the variation was very high. The main rivers and farmland drainage channels were affected by human factors, and the amount of nitrate nitrogen in some farmland drainage ditch has exceeded 10.0 mg/L. The nitrate nitrogen concentration of groundwater and depth were closely related. The order of average concentration was: aeration zone>hand-pumping wells>irrigation wells>tap water wells. With the increase of water depth, the corresponding nitrate nitrogen concentration decreased. After entering the field, the nitrogen is enriched in the soil layer of the aeration zone, which is the starting point of the groundwater. Or-Kriging interpolation results showed that the groundwater of some typical irrigation districts was close to or even exceeded the international groundwater allowable limit (10.0 mg/L), and most of the high concentration was relatively distributed in the typical irrigation area.【Conclusion】The increased amount of nitrogen fertilizer and low utilization applied in intensive cultivation is the fundamental cause of the increase of nitrate nitrogen concentration in water of oasis area of Yanqi Basin in recent years, from which conclusion can be drawn that the excessive nitrogen accumulation in the aeration zone is the potential risk of water pollution.

nitrate nitrogen; spatial distribution; nitrogen fertilizer; Yanqi Basin; oasis

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.10.014

2016-04-26

国家自然科学基金项目“人类活动影响下焉耆盆地水氮迁移特征及规律研究”(51369030)；2015年度新疆农业大学研究生科研创新项目“变化环境下焉耆盆地绿洲区硝态氮时空特征”(XJAUGRI2015-009)；新疆水文学及水资源重点学科基金(XJSWSZYZDXK20101202)

汪昌树(1989-)，男，河南杞县人，硕士研究生，研究方向为干旱区水资源利用与保护，(E-mail)yulong1989@126.com

杨鹏年(1966-)，男，新疆乌鲁木齐人，教授，硕士生导师，研究方向为干旱区地下水资源利用与管理，(E-mail)ypn10@163.com

S275.6；S274.1

A

1001-4330(2016)10-1877-08