上海市南匯區(qū)果園村地下水中氮、氮的時空分布特征

上海市南匯區(qū)果園村地下水中氮、氮的時空分布特征

隨著地表水污染的加劇，對地下水的依賴增加。有關(guān)研究表明我國很多地區(qū)的地下水都存在不同程度的氮元素污染。被含氮化合物污染的地下水會威脅人體健康,如NO-2進(jìn)入人體后可引起高鐵血紅蛋白癥或嬰兒藍(lán)雪癥,它還是合成強(qiáng)致癌物亞硝胺的前體物;飲用含高濃度的硝酸鹽地下水后,水中的硝酸鹽將會轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,造成人和動物因缺氧而患血紅蛋白癥。目前,我國的點源污染得到了有效控制,非點源污染則成為地表水和地下水的主要污染源,其危害也逐漸顯現(xiàn)出來。迄今,非點源污染研究主要集中在流域非點源污染物流失的時空變化、土地利用類型和地形等因素對產(chǎn)污特征的影響、紫色土坡耕地硝酸鹽和磷酸鹽的淋失特征等方面。都市農(nóng)業(yè)是城郊農(nóng)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)方向,目前國內(nèi)主要開展了都市農(nóng)業(yè)發(fā)展理論和發(fā)展模式等研究,但還未見都市農(nóng)業(yè)發(fā)展對地下水影響研究的報道。本文以上海市南匯新場果園村為研究區(qū)域,探討以都市農(nóng)業(yè)為主體的村域地下水氮污染的空間特征,揭示降雨強(qiáng)度和降雨歷時對地下水中氮負(fù)荷的影響,并采用模糊綜合評價法評價地下水氮污染的環(huán)境風(fēng)險,為有效控制和治理都市農(nóng)業(yè)區(qū)域地下水非點源污染提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1降雨季節(jié)與年際變化研究區(qū)為上海市南匯新場鎮(zhèn)果園村,地處黃浦江東岸,境內(nèi)地勢平坦,均為沖積平原。降水量表現(xiàn)為夏季多、冬季少,其年均降雨量約為1000mm,平均降雨日約為130d,雨量年際變化較大,多雨年份達(dá)到1300mm,少雨年份只有600mm。初夏季節(jié),北上的南方暖濕氣流和南下的大陸冷氣流在長江中下游地區(qū)相對峙形成“梅雨”,自6月中旬至7月上旬,持續(xù)約20d,雨量大增;7-8月間為臺風(fēng)季節(jié),臺風(fēng)雨、干旱與暴雨交替出現(xiàn)。該鎮(zhèn)屬黃浦江水系,境內(nèi)河流縱橫密布,淡水資源豐富;主要干流有惠新港、大治河、奉新港等。地下水賦存條件屬松散巖類孔隙水,補(bǔ)來源較充沛。1.2采樣井布設(shè)時間按照果園村的土地利用類型,并根據(jù)“均勻布點,局部加密”的原則布置地下水采樣點。在該村果園旁布設(shè)5個采樣井,在河道旁(流經(jīng)該村的大治河支流)布設(shè)8個采樣井和在居民區(qū)布設(shè)14個采樣井。采樣時間為2009年7-8月,分別于7月10日、7月20日、7月26日和8月11日進(jìn)行采樣,其中前兩次采樣在降雨前進(jìn)行的,后兩次采樣分別在強(qiáng)降雨(降雨量為90.2mm,歷時約90min)和臺風(fēng)(降雨量為68mm,歷時約10h)后不久進(jìn)行的。用GPS定位,記錄采樣井的編號、經(jīng)緯度和水位等信息,采集的地下水樣裝入聚乙烯瓶內(nèi)冷凍保存,運送實驗室后立即測定。1.3總氮和硝態(tài)氮采用國標(biāo)法(GB11894-89)測定地下水樣中的氮含量?？偟?堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法;硝態(tài)氮:紫外分光光度法;亞硝態(tài)氮:重氮偶合比色法;銨態(tài)氮:水楊酸-次氯酸鹽光度法。1.4建立指數(shù)模糊關(guān)系矩陣選取地下水環(huán)境中典型的氮污染物即銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮為評價指標(biāo),地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)參見國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14848-93,采用模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型,對研究區(qū)域地下水中氮污染進(jìn)行模糊綜合評價。因素集U={x1,x2,…,xn}={NH+4-N,NO-2-N,NO-3-N},評價集V={y1,y2,…,ym}={I,II,III,IV,V}。指標(biāo)權(quán)重計算公式為:Wi=(Ci/Si)/[∑i=1nCi/Si]Wi=(Ci/Si)/[∑i=1nCi/Si]式中:Wi——指標(biāo)權(quán)重;Ci,Si——分別為第i種污染物在水中的實際濃度和在某種用途的濃度標(biāo)準(zhǔn)。計算模糊關(guān)系矩陣時,先根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93),建立各類指數(shù)對各類等級的隸屬函數(shù),再將各類指標(biāo)的實測數(shù)據(jù)代入隸屬函數(shù),即可獲得各指標(biāo)對各等級的隸屬度,從而得到模糊關(guān)系矩陣。再根據(jù)綜合評判矩陣的計算方法可獲得綜合評判矩陣,最后依據(jù)最大隸屬度原則評判水質(zhì)類別。2結(jié)果與討論2.1硝態(tài)氮的濃度銨態(tài)氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮,即“三氮”是地下水環(huán)境中常見的含氮污染物。圖1表明,果園、居民區(qū)和河道三種土地利用類型的地下水中硝態(tài)氮平均濃度都大于1.43mg/L,亞硝態(tài)氮和銨態(tài)氮平均濃度都小于0.5mg/L,說明硝態(tài)氮的濃度顯著高于銨態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。因此,硝態(tài)氮是“三氮”在地下水中的主要氮形態(tài)。各種含氮污染物進(jìn)入土壤后,在適宜條件下通過硝化作用轉(zhuǎn)化為不易被土壤膠體吸附的硝態(tài)氮,隨土壤水分下滲進(jìn)入含水層;亞硝態(tài)氮不穩(wěn)定,在土壤和地下水中很容易氧化為硝態(tài)氮,一般情況下不發(fā)生累積;銨態(tài)氮易被帶負(fù)電荷的土壤顆粒強(qiáng)烈吸附,并在一定條件下被硝化菌氧化為硝態(tài)氮進(jìn)入地下水。銨態(tài)氮只有在其含量超過土壤的吸附能力、又無良好的硝化條件時,才會下滲進(jìn)入地下水。因此,一般情況下,地下水中硝態(tài)氮濃度相對較高,銨態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度相對較低。2.2總氮和總氮含量的空間分布特征2.2.1地下水環(huán)境特征在果園旁和河道旁地下水中的總氮平均濃度均很高,其分布范圍分別為33.67～62.57mg/L,33.05～65.04mg/L。居民區(qū)地下水中總氮平均濃度最低,最低值為29.49mg/L,最高值為46.98mg/L。上述結(jié)果表明,果園旁和河道旁地下水污染程度相當(dāng),均比居民區(qū)地下水污染嚴(yán)重,這與該村的地理環(huán)境特征有關(guān)。果園內(nèi)溝道縱橫交錯,與村內(nèi)河道相通,降雨和灌溉都會使果園土壤中的含氮化合物遷移至河內(nèi),并且居民區(qū)的生活廢水通過下水道直接排入河內(nèi),致使河內(nèi)氮污染嚴(yán)重。而河道旁的采樣井沒有很好的防滲設(shè)施,河水可能通過側(cè)滲擴(kuò)散而污染地下水,致使其中氮污染嚴(yán)重。果園內(nèi)主要栽種桃樹,每年施肥量約為2250kg/hm2,其中氮肥約占40%,同時施加約15t/hm2的豬糞、雞糞等有機(jī)肥。由于施肥量大,土壤含氮量較高,在降雨和灌溉條件下,大量含氮化合物如硝酸鹽會被淋溶下滲到含水層,使得果園旁地下水受到嚴(yán)重的氮污染。居民區(qū)的下水道年久失修,防滲能力下降,造成部分生活廢水緩慢滲入地下水層,引起地下水受到一定程度的氮污染。2.2.2iii類水質(zhì)硝態(tài)氮污染程度高硝態(tài)氮的空間分布特征與總氮基本一致,果園旁和河道旁地下水中硝態(tài)氮污染嚴(yán)重,平均濃度都很高,其分布范圍依次為6.75～11.31mg/L,6.41～13.71mg/L,均超過地下水II類水質(zhì)硝態(tài)氮含量標(biāo)準(zhǔn)(≤5.00mg/L),平均濃度差值很小,污染程度相當(dāng)。居民區(qū)地下水硝態(tài)氮平均濃度最小,污染最輕,最小值為1.43mg/L,最大值為7.98mg/L。由前述分析可知,河水氮污染嚴(yán)重,在側(cè)滲擴(kuò)散時,含氮污染物通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,致使河道旁地下水受到硝酸鹽的嚴(yán)重污染。果園施氮肥和有機(jī)肥的量很大,導(dǎo)致果園土壤硝態(tài)氮含量很高。硝態(tài)氮不易被土壤顆粒吸附,隨灌溉水和雨水進(jìn)入地下含水層,致使果園旁地下水受到硝態(tài)氮嚴(yán)重污染。居民區(qū)的大部分生活廢水通過下水道進(jìn)入河道,只有很小一部分滲漏到地下水中,因此該區(qū)地下水硝態(tài)氮污染最輕。2.2.3iii類水質(zhì)銨態(tài)氮污染發(fā)生情況總體上說,銨態(tài)氮的平均濃度在居民區(qū)地下水中最高,在河道旁地下水中最低。從7月20日的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果來看,銨態(tài)氮的平均濃度在居民區(qū)、河道旁和果園旁的地下水中分別為0.46,0.29,0.31mg/L.,均超過地下水III類水質(zhì)銨態(tài)氮含量標(biāo)準(zhǔn)。以上結(jié)果表明,居民區(qū)地下水銨態(tài)氮污染最嚴(yán)重,其次是果園旁地下水,河道旁地下水污染最輕。主要原因可能是居民區(qū)地下水水位較高,一般在2m左右,并且居民區(qū)生活廢水含有大量的有機(jī)物,部分生活廢水從下水道直接滲漏到地下水,由于遷移的距離短,導(dǎo)致銨態(tài)氮在地下水中的累積,造成銨態(tài)氮污染嚴(yán)重。果園施肥量大,但其地下水銨態(tài)氮平均濃度低于居民區(qū),其原因主要是銨態(tài)氮被果園內(nèi)桃樹的大量吸收利用,以及粘土礦物固定、氨揮發(fā)、土壤顆粒吸附和微生物硝化等作用而被遷移轉(zhuǎn)化,使得進(jìn)入地下水中的銨態(tài)氮極其有限。亞硝態(tài)氮的平均濃度在空間分布上具有隨機(jī)性,可能是亞硝態(tài)氮不穩(wěn)定,容易轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。這就使得地下水受亞硝態(tài)氮的污染較輕,受人類活動影響小。2.3土壤濕度與土壤硝態(tài)氮運移的關(guān)系由圖1可以看出,7月下旬的第一次強(qiáng)降雨后,地下水總氮和“三氮”平均濃度都基本下降;8月初臺風(fēng)雨后,總氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮平均濃度均上升,而銨態(tài)氮平均濃度下降。這表明降雨強(qiáng)度和降雨歷時對地下水總氮和“三氮”濃度有一定的影響。第一次強(qiáng)降雨,由于降雨強(qiáng)度大,歷時長,地下水位上升明顯,水位上升值最小為0.5m,最大為1.07m,雨水滲入地下水主要起稀釋作用,使地下水總氮和“三氮”濃度降低。強(qiáng)降雨后氣溫劇降,陰天居多,時常伴有綿綿細(xì)雨或陣雨。8月初下臺風(fēng)雨時,土壤已經(jīng)很潮濕,土壤中硝態(tài)氮的運移可能會加劇。郭大應(yīng)等研究了灌溉土壤硝態(tài)氮運移與土壤濕度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮的運移與土壤濕度有良好的相關(guān)關(guān)系,灌溉在增加土壤濕度時,也加劇了土壤硝態(tài)氮的運移。臺風(fēng)雨的雨強(qiáng)不大,但歷時長,使得果園土壤中的硝態(tài)氮被大量淋溶到地下水和河水,導(dǎo)致雨后果園旁和河道旁地下水中硝態(tài)氮濃度升高;居民區(qū)緊鄰果園和河道,村內(nèi)水泥地面使得降雨滲漏量降低,雨后其地下水的增量主要依賴河水的側(cè)滲擴(kuò)散和果園土壤壤中流的補(bǔ)給,導(dǎo)致雨后該區(qū)地下水中硝態(tài)氮濃度升高。硝化過程中,亞硝態(tài)氮的累積量因土壤類型而異,并且受土壤的產(chǎn)NH3能力控制。高的土壤pH和高的NH+4-H水平是導(dǎo)致土壤中亞硝態(tài)氮累積的主要原因。在1月份,村民除向果園施入含氮磷鉀的復(fù)合肥外,還施入約15t/hm2的雞糞、豬糞等有機(jī)肥,使得土壤pH值和NH+4-N水平升高,造成亞硝態(tài)氮累積。臺風(fēng)雨使果園土壤中累積的亞硝態(tài)氮淋洗至地下水和河道,導(dǎo)致果園旁和河道旁地下水中亞硝態(tài)氮濃度升高;臺風(fēng)雨后居民區(qū)地下水中亞硝態(tài)氮濃度升高,可能是由河水的側(cè)滲擴(kuò)散和果園土壤壤中流造成的。5月下旬果園施肥后就不再施肥,7月后由于桃樹的吸收利用以及灌溉水和雨水的淋洗等作用使得果園土壤中殘留的銨態(tài)氮量很少。7月下旬的強(qiáng)降雨使得果園土壤中的一部分銨態(tài)氮被遷移至地下水和地表水中,土壤中銨態(tài)氮含量降低。8月初的臺風(fēng)雨雨強(qiáng)不大,但歷時長,地下水位上升顯著,被雨水遷移至地下水和河道中的銨態(tài)氮很少,雨水稀釋占主導(dǎo)地位,使得果園旁和河道旁地下水中銨態(tài)氮濃度下降。臺風(fēng)雨之后居民區(qū)地下水位上升顯著,其增量主要依賴河水的側(cè)滲擴(kuò)散和果園土壤壤中流的補(bǔ)給,致使地下水銨態(tài)氮濃度下降。2.4最大隸屬度原則及其評判水土流失的日變化按照權(quán)重計算公式可獲得各指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)果見表1。然后建立各類指數(shù)對各類等級的隸屬函數(shù),再將各類指標(biāo)的實測數(shù)據(jù)代入隸屬函數(shù),即可獲得各指標(biāo)對各等級的隸屬度,從而得到模糊關(guān)系矩陣。再根據(jù)綜合評判矩陣的計算方法可獲得綜合評判矩陣,最后依據(jù)最大隸屬度原則評判水質(zhì)類別,結(jié)果見表2。從表2可以看出,這3種土地利用類型下的地下水氮污染均存在風(fēng)險,水質(zhì)類別基本上超過II類;同一時間內(nèi),土地利用類型不同,其地下水氮污染程度不同?？傮w上看,居民區(qū)地下水氮污染最嚴(yán)重,污染風(fēng)險最高;果園旁和河道旁地下水氮污染水平相當(dāng);同一土地利用類型下