基于水化学及当地稳定同位素的地下水硝酸盐污染空间分布特征及污染源解析

为精准识别张家口市宣化区地下水硝酸盐污染的空间分布情况及其来源,根据张家口市宣化区洋河两岸地下水水质监测数据,采用水化学分析方法分析硝酸盐污染现状,利用氮氧稳定同位素方法定性分析污染物来源,并利用ArcGIS软件对地下水硝酸盐浓度、氮氧同位素特征值进行可视化表征,更加直观地表现地下水环境质量时空差异.根据SIAR模型（同位素混合模型）定量计算各污染源的贡献率.结果表明:①张家口市宣化区地下水“三氮”污染主要为硝酸盐氮,浓度平均值为27.23 mg/L,污染浓度高值区域出现在建设用地.②研究区典型特征污染物的氮同位素特征值（δ15N-NO₃-）在土壤中的分布范围为1.46‰~7.71‰,在粪便及污水中的分布范围为9.49‰~17.57‰,可充实当地δ15N-NO₃-分布数据库.③硝酸盐污染主要来源于土壤氮、粪便及污水,水化学及同位素特征表明氮的迁移转化以硝化作用为主.④SIAR模型计算结果表明,土壤氮、粪便及污水、无机化肥及工业废水贡献率分别为44.36%、43.35%、9.24%.研究显示,硝酸盐污染主要受生活污水、工业生产活动和该地区农业灌溉的影响,污染物主要来源于土壤氮、粪便及污水,且建设用地污染情况较耕地更为严重.      

青岛市农区地下水硝态氮污染来源解析

为了提高作物产量,肥料大量投入在农业种植区日益普遍,导致了农区地下水硝态氮（NO₃^--N）污染.农业面源污染是地下水硝态氮污染的主要原因.为了保障饮用水安全,明确农区硝态氮污染的来源是十分必要的.本研究分别于2009年和2019年在青岛农区随机选取35个采样点,借助反距离加权法（IDW）对硝态氮含量进行空间分布分析,通过测定氮、氧同位素进行溯源,运用SIAR模型量化污染源的贡献率.结果表明,青岛市地下水硝态氮含量（平均值）由2009年的38.49 mg·L^-1降低为2019年的22.37 mg·L^-1,但仍高于世界卫生组织（WHO）规定的饮用水中硝态氮的最大允许含量.2009年和2019年硝态氮含量都呈现由南向北逐渐增加的趋势,南部污染轻,北部污染重.δ15N-NO₃^-和δ¹⁸O-NO₃^-的交叉图显示青岛市地下水硝态氮主要来源是化肥、土壤氮、粪肥和污水.水同位素表明降水是青岛市地下水的主要来源.贝叶斯混合模型（SIAR模型）表明污染源贡献率为：粪肥和污水（47.42%） > 土壤氮（27.80%） > 化肥（14.35%） > 大气氮沉降（10.43%）.从2009~2019年青岛市地下水质量得到了改善,但硝态氮污染状况仍不容忽视,应根据硝态氮污染来源,有针对性地防治以确保农区饮用水安全和农业的可持续发展.     

河岸带地下水营养元素和有机质变化及与洪水的响应关系研究

河岸带地下水和河水存在复杂的交互作用,地下水和地表水存在明显的补排关系,洪水事件是影响河岸带地下水水质波动的重要水文过程. 以黄河湿地国家级自然保护区孟津湿地为研究对象,通过河岸带地下水营养元素指标(特别是小浪底水库调水调沙期间)野外定位观测,深入分析了河岸带地下水水质变化及其与洪水的响应关系. 结果表明,河岸滩区的农业开发存在明显的氮、磷下渗流失风险. 临近河岸的农耕旱作区,是河流与人工湿地之间一个特殊的氮污染物控制单元,对地下水和河流之间的氮迁移隔离起着极为重要的作用. 在人工湿地,农家粪作为底肥加入可能是磷下渗流失的重要源头,进入地下水中的磷顺着水力坡度还发生着显著的横向迁移,尤其在调水期横向迁移更加明显. 河岸滩区的开发类型及其耕作制度对地下水的硝氮含量产生重要的影响. 在鱼塘区,常年的土壤厌氧环境加重了氮的下渗迁移和积累;在荷塘区,春夏季节,土壤淹没呈厌氧环境,氮迁移和硝化作用显著,在秋冬季节,土壤呈好氧环境,氮硝化作用显著发生,全年氮达到相对平衡的状态;距离河岸50～200 m之间氮的硝化-反硝化作用强烈,是一个高效的微生物氮净化单元. 人工湿地施用的农家粪是有机物流失的重要源头,河岸滩区土壤质地呈沙性,渗透能力强,土壤保水保肥能力差,在此区进行农业活动,尤其是人工湿地开发中大量施用肥料,容易造成土壤表层有机质和氮磷养分因灌溉而导致的下渗流失,进而污染地下水与河水,较由降雨引起的地表径流流失显得更为突出. 距离河道50～200 m的范围是重要的污染净化单元,为典型的滩区地下水-河流的水陆交错带. 该区域的合理保护,对于保护河流水质和地下水水质十分重要.     

东山岛地下水“三氮”空间分布特征

东山岛地下水是岛上居民饮用水、生活用水、农业灌溉、淡水养殖的主要来源.研究东山岛地下水中"三氮"的空间分布特征及其变异规律、污染来源、影响因素,对了解东山岛地下水"三氮"污染状况、"三氮"污染的控制和防治、居民健康风险控制等具有重要的意义.本研究应用地统计学方法分析了东山岛地下水中"三氮"含量的空间变异特征,采用Kriging方法对未观测点进行趋势面分析,并分析了东山岛地下水中"三氮"的污染特征.结果表明,东山岛地下水氨氮和亚硝酸盐氮的含量总体较低,但空间变异性较大,自相关性较差,而硝酸盐氮的含量普遍较高,空间分布表现为中等变异,空间自相关性较好;"三氮"在全岛的空间分布特征相似,浓度高值区均分布在近海陆域;城镇和村庄生活污染和人畜排泄物是东山岛地下水"三氮"污染的主要来源,是东山岛地下水污染控制的首要措施;土地利用类型、土壤类型、地下水埋深、p H、溶解氧、季节和Fe2+等都是影响东山岛地下水中"三氮"迁移转化的要素,是东山岛地下水氮污染治理需要考虑的因素.     

小流域农业面源氮污染时空特征及与土壤呼吸硝化关系分析

土壤呼吸与硝化特性是控制土壤生态系统中氮素转化和面源氮流失的关键因子,也是土壤氮循环的重要组成部分.选取位于巢湖北部的柘皋河流域作为案例研究区,应用BaPS技术测定林地和农田土壤呼吸、硝化和反硝化特性,运用SWAT模型分析农业面源氮污染输出的时空特征,并初步探讨土壤呼吸和硝化特性与农业面源氮污染的相互作用关系.结果表明,由于土地利用和施肥量的变化,1996~2012年间的年均和月均面源氮污染负荷明显大于1980~1995年间的模拟结果,不同月份的面源氮污染输出负荷均存在显著性差异,月均氮负荷受降雨量影响密切.1996~2012年流域面源总氮流失平均负荷为10.40 kg·hm-2,明显大于1980~1995年的8.10 kg·hm-2,方差分析表明两个时期面源总氮流失负荷的空间分布存在一定的差异.林地的呼吸速率远大于农田的呼吸速率.农田较高的总硝化速率和反硝化速率导致土壤氮库中的氮素减少,从而在一定程度上使得面源氮污染的输出负荷减小.农田土壤的总硝化速率大于反硝化速率,导致农田硝态氮的面源污染流失量增加,而有机氮的流失量有所减少.因此,土壤呼吸与硝化特性的研究有利于从土壤生物学角度深入分析土壤氮循环,对农业面源氮污染的防治具有重要的理论和现实意义.     

非饱和带强化反应层脱氮的试验研究

自然堆肥过程中,畜禽养殖产生的粪污渗滤液入渗土壤非饱和带.高浓度有机氮在微生物作用下经由复杂的地球化学过程转化为各种含氮物质,其中硝酸盐迁移能力较强,在降雨条件下入渗地下水,造成区域性地下水硝酸盐污染.在非饱和带中构建由木屑和壤土组成的强化反应层,通过间歇性的原位淋溶脱氮试验,系统地研究了非饱和带含水量及COD、硝态氮、亚硝态氮和氨氮的浓度变化规律,评价了强化反应层的脱氮能力.研究结果表明:①反应层中木屑材料的强吸水特性使得灌水后短时间内反应层含水量大幅提升,形成有利于反硝化进行的厌氧环境.木屑通过水解作用释放大量溶解性有机碳,供给反硝化微生物进行脱氮.②在入渗硝态氮浓度为170.00 mg·L~(-1)条件下,反应层对硝态氮去除率最高可达97.63%.反应层脱氮量随处理水量增加而提升,当上层为砂土时脱氮量最高,可达24.61 g·m~(-3).③反应层中的NO~-_3-N发生了完全反硝化,出水中NO~-_2-N浓度低于0.5 mg·L~(-1),几乎不发生积累.同时,反应层中发生的DNRA过程使氨氮浓度小幅升高.强化脱氮反应层可阻控硝酸盐污染地下水.     

洛河流域非点源污染负荷不确定性的影响因素

以黄河流域下游的洛河流域为研究区,利用1998年实测径流量、泥沙负荷和非点源污染资料,对非点源污染模型中的水文模型、土壤侵蚀模型与污染负荷模型进行了参数率定.并以此为基础,针对非点源污染负荷计算的影响因素,采用摩尔斯分类筛选法,分析它们对径流量、泥沙负荷、吸附态氮和溶解态氮模拟计算的敏感性.结果表明,在湿润、半湿润地区对径流量、泥沙负荷、吸附态氮和溶解态氮影3个因子分别是土壤可利用水量、土壤蒸发补偿量、SCS曲线系数.其中,土壤可利用水量产生负效应影响.坡度、坡长和作物管理因子对泥沙负荷和吸附态氮影响也比较显著.吸附态氮与泥沙负荷影响因子一致,说明吸附态氮污染主要与泥沙流失有关.     

唐山市农业区地下水垂向剖面中硝态氮污染的研究

当今农业地区灌溉施肥引起氮素对地下水的污染已成为人们普遍关注的环境问题.本文结合唐山市农业区的生产实际,应用LEACHN数学模型,对唐山市农业地区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.所建立的地下水垂向剖面的二维水量水质模型,对典型剖面中地下水的硝态氮污染进行了模拟和分析.计算结果表明,唐山农业区灌溉施肥引起根区以下硝态氮渗漏损失可造成浅层地下水的污染.     

沙颍河流域典型癌病高发区土壤硝态氮对地下水和蔬菜硝酸盐积累的影响

在作物生长期、收获期和收获后采集土壤、地下水和蔬菜样品,探讨癌病高发区土壤硝态氮对地下水和蔬菜硝酸盐积累的影响,以及由此引发的健康风险.结果表明,氮肥施用和灌溉是造成沿岸土壤、地下水和蔬菜硝酸盐积累的主要原因.受到河流氮污染影响,灌溉用水中氨氮和硝态氮经过灌溉-蒸发和淋溶过程的反复交替,向土壤和地下水迁移,引起土壤、地下水和蔬菜硝酸盐的积累.紧邻沙颍河的癌病高发村庄,土壤、地下水以及蔬菜硝态氮积累均明显高于全区平均水平.土壤在作物生长期和收获后分别达到149.01 mg·kg-1和31.70 mg·kg-1,其中多年菜地土壤硝态氮积累最为突出,分别达到276.44和68.26 mg·kg-1.作物生长期地下水硝态氮平均含量达38.32 mg·L-1,超标近3倍,叶菜类蔬菜硝酸盐平均含量高达3269.04 mg·kg-1,超出允许含量1倍以上.癌病高发村庄居民存在突出的饮水和蔬菜硝酸盐暴露健康风险.     

基于多环境介质氮素和同位素的滦平盆地地下水硝酸盐来源示踪

选择密云水库上游承德市滦平盆地为研究区,通过不同土地利用类型地下水"三氮"含量、土壤全氮含量和包气带可溶硝态氮含量,结合水体硝酸盐氮氧双同位素、硫酸盐硫氧双同位素多种环境同位素特征和地下水放射性碳同位素测年示踪硝酸盐来源.结果表明,滦平盆地水体氮形态以硝态氮为主,地下水NO₃^-质量浓度与居民用地、旱地土地利用类型显著相关,硝酸盐污染主要集中于居民建设用地和农用地区域浅层地下水中.13.79%地下水样品NO₃^-质量浓度超过国标（GB/T 14848-2017）地下水硝酸盐限值Ⅲ类标准,超标范围为1.04~3.86倍;37.93%地下水样品NO₃^-质量浓度超WHO饮用水硝酸盐浓度限值,超标范围为1.08~6.83倍.地下水NO₃^-质量浓度、土壤全氮和浅层土壤可溶硝态氮空间变异受结构性因素和人为因素共同作用影响.地下水硝酸盐来源主要为家畜粪尿和生活污水混合污染,其次为化学肥料淋滤;盆地山前地下水径流区包气带-地下水氮循环主导过程为硝化作用.以盆地系统作为独立单元研究水环境硝酸盐污染来源和归趋规律,对流域整体地下水污染防治和修复具有重要意义.     

不同状态下包气带除氮及阻止氮污染能力的实验研究

通过土柱模拟实验方法对包气带三种状态下，即天然自净、分别向包气带介质中注入营养以及人工培殖的高效脱氮菌，阻止氮污染及除氮能力进行了研究与评价。结果发现向包气带介质中注入人工培殖的高效脱氮菌这种状态具有很强的除氮和阻止氮污染的能力，进而给出了该种状态下细菌脱氮反应动力学模型。为实施利用包气带进行污水除氮和控制面源氮源污提供了科学依据。     

北京市顺义区浅层土壤硝态氮的空间变异特征分析

顺义是北京市的主要水源地和农业生产基地,研究氮素在顺义区土壤中的分布累积及空间变异情况,对于了解顺义区的土壤潜在污染,指导农业生产,预防面源污染等具有重要作用.因此,本研究应用传统统计学方法和基于GIS的地统计学法研究了顺义区不同地点各土层土壤中硝态氮的空间分布特征.结果发现,地统计分析过程中,在考虑各向异性和趋势效应的情况下,各土层土壤硝态氮含量均具有空间相关性,理论变异模型主要为球状模型和指数模型.同时,选用普通Kriging插值法得到了各土层土壤硝态氮的空间分布图,并对其空间分布特征进行了分析.结果表明,研究区不同土层硝态氮空间分布状况各异,潮白河东部土壤硝态氮含量高于潮白河西部.     

黄土塬区土地利用变化对硝态氮累积和淋溶的影响

为了分析黄土塬区土地利用变化对土壤中NO₃--N迁移规律的影响,在陕西长武黄土塬区沿东西方向设置6个样地,每个样地内均选择耕地、由耕地转变来的果龄10 a和20 a左右的苹果园(下称耕地、10 a果园和20 a果园)3种土地利用方式采集土壤样品,分析土地利用变化对NO₃--N迁移的影响,并初步评估其对地下水污染的潜在风险. 结果表明:不同土地利用方式下土壤中NO₃--N均出现累积现象,达到累积峰时的土层深度表现为果园＞耕地,NO₃--N最大累积量表现为20 a果园＞10 a果园＞耕地. 耕地、10 a果园和20 a果园土壤w(NO₃--N)平均稳定深度分别为300、400和500 cm,平均稳定值分别为2.4、2.5和2.6 mg/kg. 地下水中ρ(NO₃-)为15.3 mg/L,而3种土地利用方式下土壤中ρ(可移动态NO₃-)分别为14.2、26.2和26.3 mg/L,可见,与耕地相比,果园土壤中NO₃--N淋溶至地下水的风险更大. 但由于土地利用变化导致的土壤水分运动和地下水补给存在差异,各土地利用方式对地下水中NO₃--N的贡献率尚需进一步量化.      

紫色土坡耕地硝酸盐淋失特征

利用具有壤中流测定功能的径流小区的定位观测结合土壤剖面硝酸盐累积的动态分析,研究了紫色土坡地硝酸盐淋失特征.结果表明,紫色土坡地硝酸盐呈旱季累积,雨季淋失的特点,而壤中流是紫色土硝酸盐淋失的主要通道.紫色土为土层浅、土壤下伏透水性极弱的紫色泥页岩,同时夏季降雨丰富,壤中流极为发育,2003～2005年壤中流平均流量为169.7mm,占雨季径流量的52.42%,其中,NO3--N含量持续偏高,2003～2005年平均含量高达14.92mg·L-1.3年平均随壤中流淋失的硝态氮达27.98 kg·hm-2,占年施肥量的10.0%,硝酸盐淋失具有季节与年际间差异,淋失负荷主要受壤中流流量影响.紫色土坡地硝酸盐随壤中流大量淋失不仅造成当地浅层地下水硝酸盐污染,而且将加剧长江三峡库区水环境压力.     

农田退水期阿什河氮污染特征及来源解析

利用水质监测技术和稳定同位素示踪技术,对春季农田退水期阿什河河水中ρ(NH₄+-N)、ρ(NO₃--N)和ρ(TN)特征进行研究并对氮污染来源进行解析. 结果表明,ρ(NH₄+-N)、ρ(NO₃--N)和ρ(TN)除在阿什河上游源头区水体中较低外,其余大部分区域均较高. 上游源头区采样点 δ 15N值为3.68‰～6.09‰,主要受大气沉降氮和土壤有机氮的污染;中下游区域中一部分采样点δ15N值为5.32‰～7.72‰,主要受农田退水和农村生活污水影响,另一部分采样点δ15N值为8.45‰～11.86‰,主要受畜禽养殖污水影响较大;下游采样点δ15N值较低(3.25‰～4.15‰),主要受工业来源废水污染. 农田,特别是河流两岸的稻田退水对阿什河水质影响较大;城区对阿什河TN和NH₄+-N影响较大,对NO₃--N影响较小.      

三峡水库主要入库河流氮营养盐特征及其来源分析

以2004～2005年的三峡水库3条主要入库河流(长江、嘉陵江、乌江)中的水文、水质的调查数据为依据,研究了三峡水库入库河流中主要的水文变化特征、氮营养盐的季节性分布规律及其形态组成.结果表明,3条入库河流的流量、流速呈现季节性变化,三峡水库入库河流的主要水文特征值已处于水华暴发的危险范围内,很容易发生水华.3条入库河流中总氮含量年均值都在1.55～2.15 mg/L之间,总体偏高,乌江武隆断面的总氮浓度最高,嘉陵江北碚断面次之,长江朱沱断面最低,并且3条河流丰水期水体中总氮含量均高于枯水期,说明非点源对氮污染影响较大;溶解态无机氮(DIN)是总氮的主要存在形式,而其中又以硝酸盐氮(NO3--N)为主,平均占到DIN的70%以上.氮素污染多以还原态氨氮(NH4 -N)的形式排入水体,经过硝化作用,NH4 -N氧化成亚硝酸盐氮(NO2--N),然后再氧化成稳定的NO3--N,并且消耗掉水体中大量的氧.入库河流水体中的NO3--N主要来自农田径流、城市污水、城市径流以及淹没土壤的释放,NH4 -N的来源主要是城市污水、工业废水以及少量的生活垃圾和船舶废水.     

奎河污灌区的氮、磷污染

田间污灌模拟实验及污灌区和非污灌区土壤,地下水中氮,磷含量的调查和对比分析表明,污水中含量高的氮,磷能显著提高土壤肥力,污灌区作物长势良好,但土壤中积累的氮和磷是污灌区地表水和地下水的潜在污染源,虽然土壤对ＮＨ４离子有很强烈的吸附,截留和转化作用,但含量高的ＮＨ４离子能缓解慢下移,并在上层潜水中积累,污灌和降雨能淋溶土壤中经硝化作用产生的ＮＯ２和ＮＯ３离子,造成地下水的污染,饱和污灌３个月后,浅层