华北集约农区地下水氮素来源及影响因素分析

【摘要】：地下水是华北地区生产和生活用水的主要来源,集约化农业生产对该地区地下水质量,特别是氮素含量有重要影响。本研究以华北集约农区代表—山东桓台县为研究对象,综合运用多种N03--N识别技术和方法,定量分析了地下水N03--N含量和其时空变化,探讨了各类影响地下水氮素含量的因素。主要研究结果如下：1.2014年在研究区进行大密度地下水取样,并对重点污染地区加密采样。800个采样点地下水样品N03--N含量数据呈正态分布,浓度范围为0.07～52.6 mg L一,均值为21.4 mgL-,超标率(超10 mg L-1)为75.8%,严重超标率(超20mg L-1)达49.4%。2002、2007、2010以及2014四个年度地下水N03--N含量均值分别为6.3、11.6、29.9和21.4 mg L-1,说明自2010年以来的地下水N03--N污染已经开始出现下降趋势。该区域集约化种植区大量施用化肥是地下水N03--N污染的根本原因,且随着氮肥施用水平的降低,地下水N03--N也呈现逐渐下降趋势。2.分别应用IsoSource和SIAR模型,分析了5种潜在氮源(化肥(FN)、污水(SN)、畜禽粪便(MN)、土壤有机氮(SON)以及降水(RN))对地下水NO3--N的贡献百分比。结果表明,研究区地下水N03--N有45%-46.9%来自化肥,40.7%-51.7%来自污水,2.6%-10.7%来自畜禽粪便,0.8%-1.7%来自降水。该区域地下水N03--N主要来自化肥和污水,畜禽养殖有一定贡献。3.研究区地下水反硝化作用有一定的空间异质性,发生反硝化作用的采样点主要分布在研究区的北部,即在受N03--N污染较严重的径流排泄区,而反硝化不明显的采样点大多位于中南部的地下水补给区。综合考虑DO浓度、615N与δ180比值(δ15N/δ18O)分别与反硝化作用关系的基础上,利用瑞利方程计算了反硝化发生时地下水6”N和818O的分馏常数,分别为-15.9%o和-10.4‰,这说明反硝化作用对地下水硝酸盐δ15N和6博O的分馏具有一定贡献,而δ15N与δ18O的富集系数分别为-1.45‰与-0.75‰,较低的富集系数说明地下水反硝化作用不强或受其他过程影响。4.研究区地下水主要由南部地区弱矿化度的HCO3--Ca2+、Mg2+或HCO3--Na+、Ca2+、Mg2+类型,向中部地区中等矿化度的HCO3-、Cl-、SO42--Na+、Ca2+、Mg2+类型过渡,在北部大部分地区演化为中等矿化度的Cl-、SO42--Na+、Ca2+、Mg2+或Cl-、SO42--Na+、Mg2+类型。该区域地下水化学成分改变的关键驱动因素是集约化农业生产措施,主要是化肥施用以及以地下水和污水为主要来源的频繁灌溉,并受水文地质等的综合因素影响。5.采用快速聚类算法模型及分类决策树模型,将800个采样点对研究区域分为井灌区、污灌区以及井污共灌+养殖区三种类型。有52.4%的样点(419个)分布在主要受井污水交替灌溉、畜禽养殖活动影响的地区,22.5%的样点(180个)位于仅用井水灌溉的农业区,其余25.1%样点(201个)主要位于污水灌溉区域,说明工业污水和畜禽养殖对该地区地下水已产生重要影响。以上研究结果表明,研究区大量施用农用氮肥和灌溉工业污水是造成地下水N03--N含量变化的主控因素,畜禽养殖也对地下水N03--N污染产生影响。应进一步提高地下水N03--N污染严重性的认识、加强氮素在包气带的迁移转化研究、重视种养结合生态农业,使粮菜种植和畜牧业养分平衡,减少农业面源污染。