氮是生命要素, 是农作物高产的主要限制因素, 却又是日益增长的环境污染因子[1]。全世界每年约有8 000×104 t氮素进入土壤, 大量研究表明, 化学氮肥的利用率仅为30%～40%。农田生态系统中加入的肥料氮 (NO3-N等) 通过径流及淋失进入水体, 不仅污染饮用水, 而且也引起河、湖富营养化, 如太湖地区50%的饮用水样中NO3-N 浓度超标, 38%的井水水样浓度超标[2]。硝态氮在地表水和地下水中的迅速增加, 不断地扩大着对饮水水源的危害面。饮水中硝态氮的浓度升高, 超过一定的限度, 直接威胁着人体健康。20世纪40年代就报导了饮水中的NO3-N可以引起婴儿高铁血红蛋白症[3]; 饮水中硝酸盐还有致癌的危险, 恶性肿瘤的流行病调查表明:胃癌与环境中硝酸盐水平及从饮水和蔬菜中硝酸盐摄入量成正相关[4,5,6]。为此许多学者都致力于地下水及环境中NO3-N的研究[7,8,9]。

黄淮海平原是我国农业资源的富集带及全国农产品的主产区, 经济地位十分显要;近年来, 随着该地区中低产田得到改良和农业生产水平的提高, 氮肥施用量加大, 北方高产地区每公顷年施用量达500 kg纯氮, 局部地区地下水特别是浅层地下水中NO3-N的污染状况更为严峻[10], 本文通过GPS定位取样和利用GIS进行数据处理, 研究了整个黄淮海平原地下水中NO3-N的含量与分布, 旨在为该区生态环境保护、水分养分资源高效利用和保证人民生活质量提供依据。

《1 材料与方法》

1 材料与方法

《1.1 样品采集与分析》

1.1 样品采集与分析

本研究采用GPS定位技术, 以石元春等 (1985) 编纂的《黄淮海平原农业图集》[11]为基础, 对黄淮海平原进行定点取样, 样点分布见图1。设取样点139个, 采样时间为1998年4月至1998年6月底。取样点大多为远离村庄和河流、渠道的农田灌溉用井, 用井绳标记地下水水面与地面的距离, 用刻度尺测量水位。同时取浅层水样盛于塑料瓶中并加入微生物活性抑制剂, 带回室内在冰箱中保存, 水样NO3-N含量用紫外分光光度法测定[12], 结果以含N量表示。

《图1》

图1 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N采样点分布示意图

图1 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N采样点分布示意图  

Fig.1 Sampling diagram of shallow groundwater wells in Huang-Huai-Hai Plain

《1.2 数据处理》

1.2 数据处理

本文的数据分析采用地统计学的方法[13], 然后应用IDRISI-GIS软件进行有关图幅的处理和相关资料的统计。在研究中, 所有图件均采用经/纬度坐标投影, 插值密度设置为0.015度。

《2 结果分析》

2 结果分析

《2.1 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N的空间变异特征》

2.1 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N的空间变异特征

2.1.1 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N的数量特征 通过对黄淮海平原139个采样点浅层地下水中NO3-N的含量分析, 统计结果示于表1, 结果表明:浅层地下水中NO3-N含量低于世界卫生组织规定的饮用水水质标准 (小于10 mg·L-1) 的样点占总样点的83.5%, 低于我国规定的生活饮用水标准 (GB5749-85) (小于20 mg·L-1) [14]样点占92.8%。而NO3-N含量高于100 mg·L-1样点数有3个, 仅占总样点数的2.2%。从其统计量 (表2) 来看, 黄淮海平原地下水中的NO3-N含量变异性较大, 变异系数为278.7%, 其最大值和最小值更是差异悬殊, 表明各地区之间的变异很大。

表1 黄淮海平原地下水中不同NO3-N含量范围的次数分布

Table 1 Frequency distribution of different range of nitrate N concentration of shallow groundwater in Huang-Huai-Hai Plain

《表1》


NO3-N含量范围/mg·L-1		样点数/个比例/%

0～5		 78 56.12

5～10		3827.34

10～20		139.35

20～100		75.04

>100		32.16

表2 黄淮海平原地下水中NO3-N含量的统计量

Table 2 Statistical results of nitrate N concentration of shallow groundwater in Huang-Huai-Hai Plain

《表2》


样点数		平均/
mg·L-1		方差标准差变异系
数/%		最小值
/mg·L-1		最大值/
mg·L-1

139		11.571032.7332.25278.70.0256.5

2.1.1 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N的空间变异 通过对黄淮海平原浅层地下水中NO3-N含量的地统计学分析, 结果表明:地下水中的NO3-N含量在35～50 km间距的采样密度下, 其结构方差表现不明显。即各点之间均不存在相互依赖关系, 表明地下水中的NO3-N含量受随机因素影响较大, 而基本上不受大范围的地域因素影响, 这可能是由于城市污水排放对地表水的影响进而影响到了浅层地下水中NO3-N的含量。同时, 由于各地的生产水平不同, 施肥水平各异, NO3-N的淋失作用也会使地下水中NO3-N的含量有所差异, 特别是在地下水位较浅的地区表现更为明显。这样使得浅层地下水NO3-N含量在一定范围内差异表现不出地统计学上的半方差结构。

《2.2 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N含量的空间分布》

2.2 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N含量的空间分布

采用距离平方的倒数加权平均法来进行空间插值, 然后在GIS上进行处理, 得到了黄淮海平原地下水中NO3-N含量的空间分布图 (图2) , 通过GIS分析, 可得到黄淮海平原地下水中不同NO3-N含量的面积与比列 (表3) 。结果表明,

《图2》

图2 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N含量分布图

图2 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N含量分布图  

Fig.2 The distribution map of nitrate N concentration of shallow groundwater in Huang-Huai-Hai Plain

表3 黄淮海平原浅层地下水中不同NO3-N含量的面积估测表

Table 3 Area of different nitrate N concentration in shallow groundwater level in Huang-Huai-Hai plain

《表3》


NO3-N含量范围/mg·L-1
浅层地下水

面积/km2		比例/%

0～5		 164 081 52.81

5～10		76 75424.71

10～20		35 86211.54

20～100		29 5719.52

>100		4 4111.42

黄淮海平原地下水中NO3-N含量较高的区域主要分布在天津至济南一线和淮河流域的新蔡、阜阳和蚌埠一带。这些地区浅层地下水中的NO3-N含量大部分超过了20 mg·L-1, 其面积约占整个黄淮海平原的10%, 约合3.4×104 km2。也就是说在黄淮海平原淮河流域、黄河、海河滨海平原和运河以东冲积平原区浅层地下水中NO3-N的含量普遍超过我国规定的生活饮用水标准。在这些地区的边缘和徐州至连云港一带的苏北地区及山东的潍坊地区, 浅层地下水中的NO3-N含量一般在10～20 mg·L-1之间, 面积约3.6×104 km2。

此次取样调查时, 整个黄淮海平原浅层地下水的埋深范围为0.5～30 m, 平均为5.85 m。通过对黄淮海平原浅层地下水埋深与地下水中NO3-N含量的关系分析 (图3) , 不难看出, 地下水中NO3-N含量较高的样点, 都分布在地下水埋深较浅的地区。统计结果表明, 地下水中NO3-N含量高于20 mg·L-1的样点, 其地下水埋深小于3 m。当地下水埋深在10 m以下时, 地下水中的NO3-N含量均不超过10 mg·L-1。地下水埋深在3～10 m之间时, 地下水中NO3-N含量变化在0～20 mg·L-1之间。由此表明, 地下水中NO3-N含量, 根据其成因可分为两部分:一部分受地学因素的影响, 另一部分受当地NO3-N淋失强度的影响。通过对黄淮海平原地下水中NO3-N含量的分析, 其受地学因素影响的背景值应在10 mg·L-1以下, 淋失强度受地下水埋深的制约, 目前的影响深度一般在10 m以内, 当地下水埋深超过10 m时, 地表的NO3-N淋失对地下水中NO3-N含量的影响不大, 这与其它研究结果基本一致[7]。在现阶段黄淮海平原约77.5%的农业地区地下水中NO3-N含量低于10 mg·L-1。

《图3》

图3 地下埋深与地下水中硝态氮含量的关系

图3 地下埋深与地下水中硝态氮含量的关系  

Fig.3 The relationship between groundwater level and nitrate concentration of groundwater

《3 结论与讨论》

3 结论与讨论

《3.1 结论》

3.1 结论

通过对黄淮海平原浅层地下水中NO3-N含量的分析研究, 可得到以下结论:

(1) 黄淮海平原浅层地下水中NO3-N含量在35～50 km的取样密度下, 没有半方差结构, 在本次取样尺度下, 整个黄淮海平原各取样点之间变异呈随机性分布。

(2) 黄淮海平原有10%的面积浅层地下水中NO3-N含量超过20 mg·L-1, 主要分布在天津至济南一线和淮河流域的新蔡、阜阳和蚌埠一带;徐州至连云港一带的苏北地区及山东的潍坊地区, 浅层地下水中的NO3-N含量一般在10～20 mg·L-1之间, 约占黄淮海平原总面积的11.5%。

(3) 浅层地下水中NO3-N的含量与地下水埋深密切相关, NO3-N含量超过20 mg·L-1的地下水埋深一般小于3 m, 地下水埋深在10 m以下时, 其中的NO3-N含量均不超过10 mg·L-1。表明现阶段地表NO3-N的淋失对地下水中NO3-N含量影响深度一般不超过10 m。

《3.2 问题讨论》

3.2 问题讨论

文章仅是对整个黄淮海平原大尺度而言的, 针对不同的地区, 特别是范围较小时, 其变化情况还应进一步探讨。由于NO3-N的淋失与氮肥施用量、降雨量和灌溉用水量有密切关系[15], NO3-N的淋失量和地下水埋深的动态决定了浅层地下水NO3-N的含量, 所以, 如不采取有效的水肥管理措施, 极大地提高水肥资源的利用效率, 随着农业生产水平的提高, 在黄淮海平原地下水埋深较浅的农区浅层地下水中NO3-N含量还有可能进一步增加, 其超标影响的区域范围会进一步扩大。需要指出的是, 即使是在现阶段黄河、海河广大浅层地下水NO3-N含量未超标的冲积平原地区, 由于小城镇迅速发展和蔬菜地种植面积的扩大, 局部NO3-N含量已经超标[16]。因此, 浅层地下水受到NO3-N污染对此地区生态环境和人类健康所造成的影响必须引起足够的重视。