摘要
地下水硝酸盐污染已成为世界范围内普遍存在的问题，尤其是干旱半干旱灌溉农业区，不合理的农业生产方式导致地下水硝酸盐严重污染已成不争事实。河西走廊深居西北内陆干旱区，是甘肃省粮食主产区。近年来，在人口急剧增长和耕地面积不断扩张的背景下，地下水硝酸盐浓度呈逐年上升趋势，这不仅导致区域地下水生态环境的恶化，也为人类生活健康带来了极大的隐患。然而，由于河西走廊绿洲土地利用类型丰富多样，土壤结构、水文地质条件复杂多变，不同土地类型对地下水硝态氮(NO3--N)浓度的影响机制以及地下水NO3--N浓度时空变化规律尚不明确，尤其是缺乏农业生产活动对NO3--N淋失影响的定量评估。因此，开展干旱区绿洲地下水硝态氮污染现状及污染机理研究对改善农业生产管理和维护区域生态环境平衡具有重要的现实意义。 本文针对河西走廊绿洲生态环境的脆弱性及由农业面源污染引起地下水硝酸盐污染的热点问题，依托临泽内陆河流域研究站(国家站、CERN站)，以河西走廊张掖绿洲和武威绿洲为主要研究单元，采用农田土柱系统(Lysimeter)控制实验，多点地下水硝态氮(NO3--N)采样分析以及长时间序列监测数据，定量评估了农田NO3--N淋溶程度和趋势，刻画了典型绿洲灌溉农业区地下水NO3--N的时空分异和演变规律，提升了对地下水硝酸盐淋溶-富集-污染过程的认知，为丰富干旱区绿洲农业水肥管理提供了理论支撑。取得主要研究结果如下: (1)荒漠绿洲区不同开垦年限农田土壤NO3--N淋溶程度及趋势存在显著性差异。新绿洲农田整个生育期内土壤水分渗漏损失量约为97.7～105.1mm，占年灌溉水总量(810 mm)的12％～13％，相应的NO3--N淋溶损失总量为68.1～123.8kg·hm-2，占年施氮总量(363 kg·hm-2)的18.7～34.2％。这其中NO3--N淋溶主要发生在作物生育期内的苗期到拔节期以及休耕期，并且休耕期NO3--N淋失量(84.8 kg·hm-2)是生育期内(39 kg·hm-2)的2.2倍;而老绿洲农田很少发生水分渗漏和氮素淋溶现象。 (2)荒漠绿洲边缘不同景观带地下水埋深及NO3--N含量均存在显著性的空间差异(p＜0.05)。垂直河道方向(河漫滩—农田—荒漠戈壁)地下水位总体呈下降趋势，但NO3--N含量无显著递增或递减趋势。位于黑河河漫滩(GW1)、老绿洲农田(GW2)及沙丘(GW7)区域的地下水NO3--N含量分别为4.7mg·L-1、3.4mg·L-1和2.9mg·L-1，显著低于其他土地利用类型(p＜0.05);新垦沙地农田(GW3、GW4和GW5)地下水NO3--N含量在10.4～18.5mg·L-1范围内浮动，已经严重超出世界卫生组织(WHO)规定饮用水标准(10 mg·L-1)，为地下水硝酸盐污染的敏感区;荒漠绿洲过渡带GW6、GW8和GW9的NO3--N含量浮动范围为11.1～36.5mg·L-1，呈增加趋势。 (3)河西走廊张掖绿洲和武威绿洲地下水硝态氮含量及其空间分布存在显著性差异。张掖绿洲地下水NO3--N含量均值为6.5mg·L-1，低于WHO规定的饮用水标准，但东南部城区(区域Ⅰ)、中部山前平原地下水补给区(区域Ⅱ)和北部荒漠-绿洲交错带(区域Ⅲ)地下水NO3--N含量偏高，污染风险概率较大(40％～80％)，土地利用类型和土壤质地分布是引起张掖绿洲地下水NO3--N含量空间分异的主要原因;武威绿洲地下水NO3--N含量均值为11.0mg·L-1，处于污染临界状态，但西南郊区地下水NO3--N含量较高，污染风险概率高于50％，其中日光温室大棚是诱发武威西南地区地下水NO3--N含量增高的主导因素之一。 (4)2004～2014年间中国生态系统研究网络(CERN)21个农田生态系统地下水NO3--N含量维持在0.23～33.26mg·L-1之间，绝大部分地下水NO3--N含量没有超出WHO规定的地下水饮用水标准(10 mg·L-1);但安塞、禹城、临泽、阜康、阿克苏及策勒等位于干旱及半干旱区农田生态系统受高施肥和灌溉双重因素的影响，其浅层地下水NO3--N质量浓度相对较高。此外，除临泽和禹城地下水NO3--N浓度呈逐年上升趋势以外，其他农田生态系统年际间无显著的上升或下降趋势，但呈现明显的季节变化特征。 综上所述，河西走廊绿洲(张掖绿洲和武威绿洲)农业区受灌溉和施肥双重因素调控，其地下水硝酸盐浓度偏高。尤其在河西荒漠绿洲交错边缘地区，新垦沙地农田在春季、秋冬季灌溉作用下易导致土壤氮素淋溶，为硝态氮污染敏感区。研究结果对于指导干旱区绿洲实施合理的灌溉、施肥和土地管理具有一定参考价值。
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