地下水硝酸盐污染研究综述陈建耀

第25卷第1期2006年l月地理科学进展PROGRESSINGEOGRAPHYV`)1.25,No.Jan.,2006地下水硝酸盐污染研究综述陈建耀,王亚,张洪波,赵新峰(`!’一士J大学地理科学’。规戈`J学院,J’`州510275)摘要:地卜水为重要的资源,一以受污染,将难以史新与恢复近年来,地下水硝酸盐污染问题正日益受到国内外研究者的关注_关于这方面的研究主要在以下方面:地卜水硝酸盐的转化过程与机理;地下水硝酸盐污染的来源以及避免污染的方法措施;地下水硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的确定方法;如何减少或者除去地下水中的硝酸盐沙少外还有一此地「水硝酸污染与人体健康的研究等。在综述有关文献的基础上,提出未来地下水硝酸盐污染的泣个力一向:水与硝酸盐运移的藕合;界面过程;人文影响与全球角度,关键词:地厂水;人类活动;硝酸污染中图分类号:P342:x144地下水历来为重要的供水水源,尤其在战争、地震、火灾、污染物质泄漏等突发事件时,其战略意义更为突出。由于含水层自身具有的白然净化能力,如造成2005年底松花江污染事件的苯在含水层中可降解为coZ,据此可降低污水处理成本,同时减缓突发事件造成的冲击)在城市化发达的地区,如珠三角、长三角及京津唐地区,地下水的这种战略储备与供水能力应该得到高度重视。另一方面,由于地下水本身循环更新慢,一旦受到某些物质污染则难以处理,硝酸盐即为其中一种。硝酸盐污染问题由于与人类健康和生态系统密切相关,正日益受到人们广泛的关注_如饮用超过45mgN03l/的水容易得高铁血红蛋自症(Methe-moglobinemia)和癌症等。国际上近十年在这一研究方面被·lib.tsinghua·edu.e可收录的英文论文约有348篇,其中关于地下水硝酸盐转化过程与机理的有131篇,关于地下水硝酸盐污染来源和形式的有114篇,防止污染的措施有38篇,关于如何去除地下水硝酸盐的有4篇,关于地下水硝酸盐污染和人体健康的有18篇,关于确定地下水硝酸盐污染含量的有38篇〔〕国内关于这一研究方面的论文约有94篇。国内的研究除了主要涉及以上方面外,还涉及到地下水中硝酸盐类的用处;地下水对硝酸盐向海洋输送通量等。下面主要就地下水硝酸盐污染近十多年的研究作一较为全面的综述地下水硝酸盐转化过程与机理氮在地下水中循环,将会经历以下的转化过程:矿化一吸附过程,土壤有机N向NH犷转收稿日期:2005一06;修订日期:2005一2.基金项目:本研究得到国家自然科学基金(40571027),“985工程”GIS与遥感的地学应用科技创新平台(项目编码105203200400006)及留学回国人员科研启动基金资助.作者简介:陈建耀(一966一),教授,博导,[e-mail]、,,.edt,刀n1期陈建耀等:地下水硝酸盐污染研究综述35化并为植物吸收;固化过程,化合的和非化合的NZ被植物所固化;硝化过程,微生物将氨盐基氧化成NO犷,进而氧化成NO3一;反硝化过程,化合的N以气态的N(NZ、NZO、NO、NOZ)返回大气层中l[]。其不同形态的转化如图1所示。挥发O一/ON|斗!咭N有机氮挥发NH了地表少硝化NHI+一叫一岛I二厂一}植物吸收耕作层上包气带左次次毕壁翌气亘困反硝化}—一争气态氮含水层氮72|一,l甲机7丈洲一川、针不乙吸一吸了了7了27了7/尸/277L/7夕夕//了///.///////////////////////隔水层图l氮的形态及转化途径示意图仪Fig.1SehemeofrnitorgeneyeleandtarnsofmrationofvairedNof爪一s,adaptedofrmthedoeumentl2]通常情况下的反硝化作用可表示如下:SC+4HNO,一+ZHZO=2N2+4HCO3一+〔:O:(l)[3]如果发生了硝酸盐的异化还原反应(Dissimilato叮nitrat〔:erduetion),则会生成NH4+一N(以甲醇为例),反应如下:N03一+HZO+ZCHZO二NH4++ZHCO3一(2)川氮在饱和土壤层中迁移转化特征的研究表明,氮主要以硝酸根的形式污染地下水,其循环迁移与地下水运动密不可分。影响土壤中氮迁移转化的主要因素是土质与土壤水分队土壤温度、透气性、土壤pH值等通过影响土壤中的微生物而影响氮的迁移转化。iLnn和Doarn发现当土壤水饱和率为60%时,好氧微生物过程最活跃;超过80%时,厌氧过程变得更为显著,如反硝化作用阎。当pH值增大时,土壤有机体主要吸附NH犷一;N而当pH值降低时,它主要吸附硝酸盐。这与普通高等植物不同6l[。tSanfodr和Smihtd(1972)利用土壤中的碳氮比C:N来估算氮的总储量门。在迁移转化环境条件相同的情况下,随着土壤颗粒中粘粒含量的增加,土层净化容量也得到增强。其中土壤反硝化速率增加是硝酸根去除的决定性因素2l[。董悦安等用四个土柱,模拟菜田施肥残存量对地下水氮污染和模拟非均质包气带结构对地下水氮污染去除的实验研究,得到类似的结论8jI。地下水硝酸盐污染的模拟与变化趋势也是转化机理研究的一项重要内容。以土壤水及物质迁移为基础9[,’0j,uJyr和iNelsonl[’l提出可利用转换函数和Mont。Calr。模型来描述空间变化的田间土壤,并用于硝酸的模拟。Gen梦21等在不同水文地质系统尺度上,对氮循环与硝酸迁移作了模拟计算。Gallablvlll3]等提出一种模式测定、计算土壤/植物界面氮迁移转化。张思聪等应用LEACHM模型,对唐山地区农业灌溉施肥条件下,氮素在土壤中的迁移、转化进行了模拟计算,对研究区内水量水质变化趋势进行了模拟计算和分析。LEAcHM数学模型在描述土壤水非饱和运动方面,应用了iRchard方程,在研究土壤中的氮素运移转化方面运用了对流扩散方程114]。36地理科学进展25卷反硝化作用在维护生态系统良性循环及消除地下水硝酸污染中发挥重要作用,如湿地系统的厌氧、还原环境,有利于硝酸的去除与水质的净化。国外对自然水流过程中的脱氮研究一十分重视l’5一`81,国内对此方面的研究尚是空白胡克林、李保国等对华北冲积平原曲周县的139个观测点取样分析,经过一系列分析计算,发现地下水埋深、地下水含盐量、硝酸盐含量之间在一定范围内存在空间相关性,其空间相关距离分别为7.3kIm、2.19km和3.55k耐’9}。随后他们又应用指示克立格法对当地水资源分析的特异值进行分析,绘制了硝酸盐分布图及其含量超过最大允许值的概率图,为区域水土资源利用的风险性评价提供了一种新的方法,同时也为区域水土资源质量的决策管理提供了指导固。有研究者对北京市海淀区1990~2000年的281个地下水样中的硝酸盐含量进行分析,探讨硝酸盐的污染规律。研究表明,地下水硝酸盐污染存在地区性差异2l1[。这种差异很明显地存在于大棚区和周围的非棚区。棚区地下水中硝酸盐浓度高于非棚区,并且随大棚种植时间的增长,硝酸盐浓度的增加更为明显l22]。进行这类研究的意义在于,对硝酸盐污染程度不同的地区,可有针对性地采取不同的防范、治理措施`)美国研究者研究了水井污染与井到化粪池间距的季节相关性。研究表明,雨季沙质土壤被浸透,化粪池中的渗淋物穿过沙质土层下渗,造成地下水中硝酸盐等的含量高于旱季,并且地下水中硝酸盐的含量还与井池距成统计相关性231[、赵燮京等对成都平原农区地下水硝酸盐氮含量变化规律的研究表明,地下水位高低与井水中硝酸盐氮的含量没有线性关系囚。2地下水硝酸盐污染的形式、来源以及防止污染的方法措施地下水硝酸盐污染形式有点源和面源两种,点源污染主要包括:城市污水、工业污水、生活污水以及一些金属矿排出的废水等;面源污染主要包括农业中使用污水灌溉、大量施用氮肥以及施用有机肥等,如美国农业区地下水中硝酸浓度的增加速度大于地表水,10一20年来,年增加速率大致介于0,1一lmgNO3一N理25浏发达国家由于在污水排放、处理等方面严格的执行规范,地下水硝酸浓度普遍较低,主要从生态环境学的角度研究其迁移转化过程;而发展中国家则与之相反,河道污水、污灌、垃圾填埋场、农田过度使用化肥等都是地下水硝酸污染的主要来源口7训,饮用水安全与居民健康是备受关注的主要问题。不管是发达或者是发展中国家,以下因素影响到全球地下水硝酸的存在、分布与演化32l[:·人口的膨胀对粮食生产的压力·城市化的发展导致大量废水、废渣、废料的排放,这种排放超过市政设施处理能力.化肥的过度使用·水土资源管理不当·土地利用的变化·公众关心参与及政策导向.全球粮食生产与贸易国内近年来关于地下水硝酸盐面源污染的研究较为丰富在对河北省污水灌溉区地下水硝酸欲污染的研究中.研究者选取的研究区域为石家庄市附近的一个使用不加处理的污1期陈建耀等:地下水硝酸盐污染研究综述37水进行灌溉超过40年的农业区,污水通过无衬砌水渠输送。污灌区采集的所有地下水水样都检测出含有硝酸盐。经分析表明,污水是地下水硝酸盐污染的主要来源33[]。在大量施用农用氮肥与造成地下水硝酸污染的关系方面的研究主要有:部分研究者分别对北方地区14个县冈、甘肃不同生态区阅以及滇池流域等地区因施用农用氮肥造成的地下水氮素污染进行了调查和研究阅。此外,还有关于河北省覃城市的蔬菜种植区化肥施用与地下水硝酸盐污染研究3n[;黄淮海平原典型集约农区地下水硝酸盐污染研究38I];以及农业生态系统中氮素造成的非点源污染l39]等。这一系列的研究都得出了类似的结论:施用农用氮肥与造成地下水硝酸污染存在着明显的相关性。对点源形式的污染研究则相对较少,主要有济南市地下水硝酸盐污染研究1401等。关于地下水中硝酸污染来源的探讨,国外有研究者着眼于具体地分析来源渠道,认为美国国内地下水硝酸盐污染中的氮65%来自农用氮肥,21%来自动物粪便,其余来自各种豆科植物ll4[。我国近期有研究者探讨了用’SN、’so测试技术来确定地下水硝酸盐污染的来源,但缺少实际工作42[]。国外在20世纪70年代就有利用’SN识别污染来源的报道,同时结合其它的同位素研究硝酸的循环、迁移、混合等过程14,刘。利用’SN识别硝酸污染来源的技术较为成熟1511,其识别原理主要是基于氮肥、矿化土壤和粪便或污水具有各自的氮同位素特征。化学肥料的氮主要来自大气,所以含吕15N的值大致为%0。;人类粪便中a巧N的含量范围为10-2%0。;家禽和牲畜养殖场之下的地下水中6’SN的含量非常高,高达27.%0。和32.5%沪2],如图2所示。利用同位素鉴别地下水硝酸盐来源的方法曾被运用到石家庄市53[]、张掖市l54]和河北省污水灌溉区l5q的地下水硝酸盐污染来源分析实例中。0003mmm农农地居住区家畜养殖区区尹尹”。“沙菜地地、、,OOOlll芳爪OOO。。菜施施000smmmOOOOO饮饮用水井井OOOOO小小麦地饮用水并并OOOOOO’’却电菜誉誉黄黄河水水...黔豫可水.家禽养咖畜鲤鲤一\助三澎溉己,SN(%。)图2不同氮源和土地利用条件下的硝酸盐浓度和护N(以空气为参照值,%。〕注:两个饮用水井离排污口很近,3c0m、50om……分别是指在这一深度上的土壤水国Fig.2Nitarteeoneentartionand6,,N(AIR,referredtoatmospheireN:standadr)ofrdifferentnitorgensoucresandlanduse30em,50em…arereferredtothe5011wateratthedepthsof30em,50enl…respeetivelys2[]地理科学进展25卷如何防止地下水硝酸盐的污染也是一个重要的研究课题。农业上,有研究者介绍发达国家的经验`〕美国研究者利用EPIC模型,评价了免耕法,得出该方法有利于减少地下水硝酸盐污染的结论l56];另外还有研究人员研究了利用NLEAP模型模拟葛首一冬季覆盖作物一马铃薯轮作对水质的保护效果,表明早种冬季覆盖作物提高了该轮作系统中氮的利用率,可以有效减少土壤中硝酸盐氮的残留量,从而减少土壤