长江天鹅洲浅层地下水氮磷特征

The Characteristic of Nitrogen and Phosphorus in Shallow Groundwater in the Swan Islet of Yangtze River

摘要: 为了解生产生活对洲滩垸落浅层地下水的影响，探索湿地农区水资源保护的技术途径，分别于2014年4月和2015年4月在长江天鹅洲的居民点和农田采集浅层地下水水样，检测了其中氮磷含量，结果表明：居民区和农田的地下水污染均较严重，且农田有恶化趋势；研究区域氮素污染以铵态氮(1.15~5.54 mg∙L⁻¹)为主，且与总氮具有较高相关性(1%)；地下水中总磷含量低(0.019~0.028 mg∙L⁻¹)，不会造成污染。根据研究结果，在现行农业生产中要减施化学氮肥，推行节氮栽培势在必行。

Abstract: In order to understand an impact of agricultural production and rural life on groundwater quality, and to explore technological way for water resources protection in rural area with wetlands, shallow groundwater samples were taken separately from farmland and residential zones in Swan Islet of Yangtze River in April 2014 and April 2015, the nitrogen and phosphorus contented in them were detected, the analysis results showed that: groundwater pollution is severe both residential area and farmland, moreover groundwater from farmland has a deteriorated tendency; in the study area, ammonium nitrogen (1.15~5.54 mg∙L⁻¹) is dominant in nitrogen pollution, and which has a significant correlation with total nitrogen at confidence level of 1%, conversely, phosphorus content in the groundwater is very low (only 0.019~0.028 mg∙L⁻¹), and that do not contaminate groundwater. Based upon research results, chemical nitrogen fertilizer should be reduced in current agriculture production, and nitrogen-saving cultivation is imperative.

1. 引言

氮素常以硝态氮、亚硝态氮、氨态氮的形式存于土壤中，作物吸收利用只有30%~50%左右，这些盐类物质一部分会产生氮气，氧化亚氮、氨气等温室气体，另一部分会淋溶到地下水中，地下水进入地表水进而造成水体富营养化，营养化的程度与田间施肥量呈线性相关 [1]。饮水或食物中，含过量的硝酸盐、亚硝酸盐等污染物 [2]，可能造成癌症或呼吸器官等疾病，含过量的硝酸盐，会引起体内血红蛋白氧化，造成急性中毒；亚硝酸盐在肠道内与气类结合，容易形成致癌物质，导致胃癌 [3]。化肥使用不仅关乎化肥使用效率，而且对农村饮水安全有很大影响。磷肥在土壤中主要形态分为无机磷和有机磷，其中无机磷50%~90%以正磷酸盐形态存在，有机磷主要来自动植物、微生物和有机肥。作物对磷肥的利用率很低，通常情况下，当季作物只有5%~15%，加上后效一般也不超过25%，因此约有75%~90%的磷滞留在土壤中。长期过量施用磷肥，使得农田耕层土壤处于富磷状态 [4]，富磷土壤在降雨丰年容易淋溶到地下水，磷肥施用过多的地方常常会伴随有毒有害成分重金属锡(Cd)、放射性元素和三氯乙醛对土壤生态环境造成危害 [5]，严重制约农产品的安全生产。张海鹏研究表明我国大部分城市化肥投入仍然还有很大上升空间 [6]，马国霞预测我国化肥流失率还会在45%~55%之间 [7]，因此，由化肥施用产生的地下水氮磷污染防治迫在眉睫。

研究区域天鹅洲是由长江冲积与河流自然裁弯取直形成的农村生产生活单元，周边水域和故道滩地是江豚和麋鹿保护区所在地，土质为河流冲积堆积母质上形成的粉沙壤土，透水性强、径流系数小。岛上有近2000 hm²农田，且有20多年大量种植棉花历史，农民长期重施化肥，很少施甚至不施有机肥。本区春夏降水占年降水的70%~80%，施入田间的化肥容易通过降雨入渗进入地下水系统。为探明天鹅洲农村生产生活对洲滩垸落浅层地下水的影响，探索湿地农区水资源保护的技术途径，我们于2014年4月和2015年4月先后在天鹅洲岛居民区和农田范围的水井中取了水样，根据检测分析结果分析了浅层地下水的氮、磷特征，现报告如下。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

天鹅洲位于湖北省石首市长江北岸、江汉平原的南缘，东经112˚31'36~112˚36'90，北纬29˚46'71~ 29˚51'45，总面积 77.5 km ²。据多年气象资料统计，天鹅洲年均气温16.5℃，无霜期长达261 d，太阳年辐射总量为443.8 kJ/cm²，年降水量1100~1300 mm。天鹅洲岛土壤是在河流冲积、堆积物上逐渐发育起来的。据石首市第二次土壤普查数据，规划区内土壤类型有三种：灰潮土、淹育水稻土和浅色草甸土，其中灰潮土占主要部分。在天鹅洲岛上，冬春季节农田地下水埋深一般在1.5~2 .0 m ，局部在 1.0 m 内，最多埋深不超过 2.5 m 。耕地土壤pH 7.35~9.21，属于偏碱性土壤；有机质含量16.22 ± 3.14 g /kg，碱解氮75.94 ± 12.21 mg∙kg⁻¹，二者总体上比较缺乏；速效磷含量11.68 ± 6.10 mg∙kg⁻¹，处于缺乏与中等之间；速效钾147.81 ± 50.48 mg·kg⁻¹，处于中等与丰富之间。

Figure 1. Groundwater sampling point

图1. 地下水采样点

2.2. 取样及水化学分析方法

2014年4月25日和2015年4月27日两次分别取自研究区域的48个地下水水样，取样点分布如图1。取样过程用手持GPS仪记录取样点地理坐标，第1次取样涉及27个水井，其中居民区13个，农田内14个。第二次取样涉及21个水井，其中居民区14个，农田内9个。取样水井的深度在2.2~6.1 m之间，井径 3 cm 左右，水井上安装有取水设备且完全封闭，井筛子在水井底部0.5~1 m之间，在取样之前先将井中水抽干，静等1~2天后开始用蠕动泵在水井底部0.5~1 m左右抽取水样500 ml。地下水样采取后尽快运回低温保存，并在48 h内测定水样硝态氮、亚硝态氮、总氮、总磷。取样考虑到不同土地利用类型，分别是居民点、棉花~小麦/油菜种植田、一季棉田、大豆田和玉米田。

水样分析具体方法为：总氮(TN)碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)；铵态氮( $N{H}_4^{+}\text{-}N$ )-纳氏试剂分光光度法测定(HJ 535-2009)；硝态氮( $N{O}_3^{-}\text{-}N$ )-紫外分光光度法测定(HJ/T 346-2007)；亚硝氮( $N{O}_2^{-}\text{-}N$ )-用分光光度法测定(GB 7493-87)；总磷(TP)-钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)。

2.3. 数据处理及地下水评价方法

数据处理采用SPSS 19.0、Excel 2010处理。如表1所示，氨氮、硝酸盐及亚硝酸盐参照地下水标准，总氮和总磷参照地表水环境质量标准(mg∙L⁻¹) (GB 3838-2002)，评价方法按照地下水环境质量标准(GB/T 14848-93)中的F综合指数法评价。其中F级别分别是小于0.80为优良、0.80~2.50为良好，2.50~4.25为较好，4.25~7.20为较差，>7.20为极差。总氮和总磷不参与评分，仅用于下列分析使用。

Table 1. Quality standard for ground water (GB/T 14848-93) and environmental quality standards for surface water (GB 3838-2002) (mg∙L−1)

表1. 地下水环境质量标准(GB/T 14848-93)和地表水质量标准(GB 3838-2002) (mg∙L⁻¹)

$F=\sqrt{\frac{F_{\max }^2+\overline{F^2}}{2}}$ (1)

$\bar{F}=\frac{1}{n}{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{F}_i}$ (2)

式中， $\bar{F}$ 为个单项组分评分的平均值，F_max为各单项组分评分的最大值，n为项数。

3. 结果与分析

3.1. 不同土地利用方式下氮磷特征

如表2所示，14年农田和居民区地下水综合指数评价结果是极差；从单项指标上来看，两种土地利用方式下各项评价指标值并无显著差异，但是地下水氨氮严重超标属于劣V类水，硝态氮和亚硝态氮处于I类水状态。总氮、总磷未入选地下水评价指标，但是天鹅洲岛外被天鹅湖包围，地下水与地表水处于连通状态，因此从地表水标准角度评价，总氮处于III类水，总磷属于I类水。

Table 2. The characteristic of nitrogen and phosphorus under different land use in 2014

表2. 2014年不同土地利用方式下N、P特征

A为5%水平显著，a为1%水平显著，以下均同。

如表3所示，15年农田和居民区地下水综合评价指数极差；从单项指标来看，两种土地利用方式下仅硝酸盐和亚硝酸盐在5%水平有显著差异，其铵态氮同样属于劣V类水，硝酸盐属于I类水，亚硝酸盐和总磷属于IV类水，总氮劣V类水。

Table 3. The characteristic of nitrogen and phosphorus under different land use in 2015

表3. 2015年不同土地利用方式下N、P特征

3.2. 相同土地利用方式下年际氮磷特征

如表4所示，两年农田地下水综合评价指数都属于极差状态且有恶化趋势，其总氮、氨氮、硝态氮在1%水平上有极显著差异，其中15年地下水铵态氮含量是14年4.5倍，硝态氮3倍，亚硝态氮直接从II类水变为IV类水，总氮3.7倍，总磷没有变化。

Table 4. The variation of rural area under different year

表4. 农田地下水年际变化

如表5所示，居民区地下水综合指数基本没有变化，属于极差状态；从单项指标来看，两年的铵态氮和总氮含量在1%水平有极显著差异，硝态氮、亚硝态氮和总磷没有显著变化。

Table 5. The variation of residential area under different year

表5. 居民区地下水年际变化

3.3. 不同土地利用方式下年际氮磷相关分析

如表6所示，从整体来看农田和居民区铵态氮和总氮相关性在1%水平达到极显著，其他指标在不同土地利用方式下相关性不尽相同。在农田铵态氮和硝态氮极显著相关，土壤和水体在进行硝化作用过程中先转化为亚硝酸盐，然后转化为硝态氮，铵态氮只和硝酸盐相关性高，由此看出在农田硝化作用比较彻底，硝酸盐和总氮总磷相关性也较显著，总氮和总磷相关性也极显著；而在居民区铵态氮和亚硝酸盐在1%水平有极显著相关性，说明铵态氮在转换过程中主要转换成亚硝态氮，在居民区亚硝酸盐和总氮相关性较高，其他指标相关性不显著。

Table 6. The correlation of nitrogen and phosphorus under different land use

表6. 不同土地利用方式N、P相关性分析

^**在1%水平极显著。

4. 讨论

1) 农田是生活生产区，容易受到人类干扰致使总体上其地下水环境极差 [8] [9]；居民区人口数量和生活习惯较为稳定因此对地下水影响不会出现大的波动，而人类对农田干扰比居民区大，其经常会改变作物种植种类、施肥量及农作制度，因此农田地下水恶化风险较大 [10]。

2) 农田和居民区主要是铵态氮污染与焦军霞、金赞芳等人研究结论基本一致 [11] [12]，其硝酸盐污染并不占主导地位与前人研究结果不一致 [13]，这可能与农民所使用化肥种类、粉砂土壤和水体硝化作用进行程度等人类活动和自然因素有关 [14] [15]，而总磷指标总体良好显示研究区域降雨及土壤磷素含量不足以造成磷素淋溶 [4]。

3) 铵态氮硝化反应产物依次是亚硝酸盐、硝酸盐，农田铵态氮和硝酸盐相关性较高表明农田硝化产物以硝酸盐为主，而在居民区铵态氮和亚硝酸盐相关性较高，则表明居民区硝化产物以亚硝酸盐为主。

4) 本研究基本了解研究区域氮磷污染现状，对研究区域地下水管理有一定实际意义，但是必须进行更长时间跨度监测，结合不同地区、不同土壤类型和不同种植作物分析地下水特征过程中，没有明显差异，可能地下水流向不明导致，因此对于地下水氮磷物质去向也不清楚。

5. 结论

1) 研究区域农田和居民区地下水环境处于极差状态，总体上农田地下水状态有恶化趋势，居民区较稳定。在农田范围，推行化肥减施、节氮栽培势在必行。

2) 从单项指标来看，农田和居民区地下水铵态氮处于地下水环境质量标准劣V类水且呈现恶化趋势，居民区亚硝酸盐处于四类，且农田亚硝酸盐有恶化趋势，2015年总氮和氨氮含量变化较大，硝酸盐和总磷指标总体良好。

3) 农田和居民区的铵态氮和总氮相关性极显著，在农田表现为铵态氮和硝酸盐相关性极显著，在居民区铵态氮和亚硝酸盐相关性极显著。

NOTES

^*通讯作者。