摘要
近年来，随着农业发展和城镇化进程的加快，化肥的过量施用及生活污水的随意排放使得地下水氮素污染日益加剧。为了研究地下水氮污染特征及关键影响因素，本文选取河南省新乡市境内人民胜利渠灌区作为研究区域，通过每月1次的频次进行现场监测和室内试验采集2017年5月—2019年4月的数据。基于多元统计分析和同位素示踪技术，分析了研究区地下水无机氮污染特征和影响地下水硝态氮含量的关键因素及其迁移转化规律，识别了地下水硝态氮的污染源并估算其贡献率。研究成果对地下水氮污染防治、农业灌区的用水安全和农业的可持续发展具有重要意义。主要研究内容和结论如下： （1）通过现场监测、室内试验和调查获取2017年5月—2019年4月的水文、土壤和地下水理化指标，分析地下水无机氮的污染现状和时空分布特征。地下水硝态氮、铵态氮和亚硝态氮平均浓度分别为8.31mg/L、1.52mg/L和0.08mg/L，低于地下水Ⅲ类水标准的水样分别占比8.63%、95.54%和63.69%，铵态氮超标最严重，亚硝态氮次之，硝态氮最小。地下水无机氮在时间尺度上有增加的趋势，在空间上东部浓度较低，中北部和西北部浓度较高。玉米生长期（5—9月）的地下水无机氮浓度普遍高于小麦生长期地下水无机氮浓度（2017年5—9月地下水铵态氮浓度较低）。娘娘庙、李大召和前李村硝态氮浓度较高，娘娘庙和李大召铵态氮浓度较高，府庄、李大召和王官营的亚硝态氮浓度较高。孙杏村的铵态氮和硝态氮浓度均最高，亚硝态氮浓度高于大部分观测点，污染最严重。 （2）应用多元统计方法分析地下水硝态氮含量及其迁移转化的影响因素，识别其污染源和关键影响因素。根据相关分析结果，地下水埋深、降水量、温度、氧化还原电位（ORP）、溶解氧（DO）和土壤氮等均影响地下水硝态氮的迁移转化。主成分分析共提取了6个主成分，分析得到地下水环境主要受降水淋溶迁移作用，矿物盐淋滤作用，人类活动作用的影响，表明地下水硝态氮受外界氮淋溶、土壤氮转化、人类活动和地下水环境的影响。由结构方程模型可以看出，土壤表面氮由铵态氮、硝态氮、亚硝态氮和可溶性有机氮构成，路径系数分别为0.44、0.22、0.51和-0.53，对地下水硝态氮直接影响的路径系数为0.45。同时，地下水硝态氮受土壤表层氮通过地下水指标的间接影响和地下水环境的直接影响，路径系数为0.94。地下水埋深、土壤砂粒含量和含水率影响土壤表面氮淋溶进入地下水的速率。 （3）系统分析了研究区地下水氮氧同位素特征，并识别了其迁移转化规律。研究区δ15N-NO3-介于-20.16‰～107.88‰之间，平均值为11.16‰，δ18O-NO3-介于-15.69‰～56.56‰之间，平均值为8.39‰。地下水DO的浓度为2.65～15.25mg/L，δ15N-NO3-与ln[NO3-]无显著负相关关系，整个研究期间地下水环境不利于反硝化作用的发生，反硝化作用不明显。但前李村和关帝庙2个观测点的δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值的线性关系斜率分别为0.50（R2=0.05）和0.59（R2=0.90），存在一定的反硝化。超过半数的地下水样品中δ18O-NO3-值介于-10‰～10‰，硝化作用是研究区地下水硝态氮形成的主要过程。 （4）通过同位素示踪法和MixSIAR模型定性分析了地下水硝态氮污染来源并估算了各来源的贡献率。根据地下水δ15N-NO3-和δ18O-NO3-丰度的分布关系和硝态氮污染端元的δ15N-NO3-和δ18O-NO3-范围分析地下水硝态氮的污染源主要为降水及铵态氮肥、土壤氮、大气沉降、粪肥和污水。地下水硝态氮受化肥、土壤氮、大气沉降、粪肥和污水污染的贡献率分别为19.78%、28.88%、9.04%和42.69%。粉土农田地下水硝态氮受土壤氮、粪肥和污水、化肥和大气沉降污染的贡献率分别为49.76%、30.07%、13.68%和6.51%；粉壤土农田地下水硝态氮受土壤氮、粪肥和污水、化肥和大气沉降污染的贡献率分别为23.51%、50.61%、18.66%和7.79%；砂壤土农田地下水硝态氮受粪肥和污水、化肥、土壤氮和大气沉降污染的贡献率分别为27.31%、27.18%、31.06%和14.46%。
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