氮在土壤及地下水系統(tǒng)循環(huán)中，經(jīng)過一系列的氨化作用、硝化作用及其反硝化作用等遷移轉(zhuǎn)化過程，主要以硝酸鹽的形式污染地下水[1]。

　　摘要：土壤硝酸鹽是地下水硝酸鹽的重要來源，因此土壤硝酸鹽特征研究對于土壤和地下水污染控制與修復(fù)具有重要意義。為了探討沈陽渾河沖洪積扇硝酸鹽污染特征，在渾河洪積扇橫跨渾河設(shè)計(jì)了5個監(jiān)測斷面、50個取樣點(diǎn)，每個取樣點(diǎn)按0.8m進(jìn)行了垂向深度取樣和硝酸鹽測定。隨后，利用Hazen概率曲線確定了渾河沖洪積扇土壤硝酸鹽含量的標(biāo)準(zhǔn)值，采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)法，對不同斷面和不同深度土壤硝酸鹽的污染特征進(jìn)行了分析，并將區(qū)域污染特征與區(qū)域土地利用類型、區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，判定其對硝酸鹽污染的影響。研究結(jié)果顯示，本區(qū)硝酸鹽濃度標(biāo)準(zhǔn)值約為2.58mg/kg；區(qū)域硝酸鹽中度污染；排污河的存在、區(qū)域土地利用類型和區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量對區(qū)域硝酸鹽污染關(guān)系密切，在分析硝酸鹽污染過程中應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。

　　關(guān)鍵詞：供水工程論文,渾河沖洪積扇,土壤,硝酸鹽,污染特征,土地利用類型,有機(jī)質(zhì)

　　其中最主要的過程是硝化作用：土壤中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH4+進(jìn)入包氣帶，經(jīng)黏土礦物的固化和土壤顆粒的吸附等作用后，其余部分在微生物的作用下發(fā)生硝化作用轉(zhuǎn)化為NO2-、NO3-，而NO2-不穩(wěn)定，也被氧化成NO3-進(jìn)入地下水中[2]；反硝化作用主要是指氮以氣體的方式返回大氣中，它對消除地下水中的硝酸鹽污染有重要作用[3]。進(jìn)入土壤中的氮經(jīng)過土壤微生物的礦化和硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮，增加了土壤硝態(tài)氮負(fù)荷，影響了土壤氮循環(huán)的過程。沒有被植物吸收或脫氮的硝態(tài)氮運(yùn)移至深層土壤，進(jìn)而淋洗到地下水中，引起地下水水質(zhì)污染[4]。

　　近幾十年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，世界許多地方地表水和地下水中硝酸鹽氮的含量在不斷升高，農(nóng)村、城市的土壤和地下水都存在著不同程度的硝酸鹽污染，已經(jīng)危及包氣帶土壤和地下水的質(zhì)量安全。國內(nèi)外關(guān)于土壤和地下水硝酸鹽污染來源的研究較為豐富[5-8]，相繼研究并報(bào)道了引起硝酸鹽污染的因素有施用化肥和有機(jī)肥、生活污水、垃圾與糞便的下滲水、畜舍排水、污水灌溉、污染土地、工業(yè)污染源和大氣氮化合物的沉降等[7-9]。地下水硝酸鹽的重要來源是土壤硝酸鹽，因此研究土壤硝酸鹽對于土壤和地下水污染控制與修復(fù)具有重要意義。

　　本文以沈陽渾河沖洪積扇土壤中硝酸鹽為研究對象，開展典型區(qū)域的硝酸鹽分布特征調(diào)查與分析，旨在明晰區(qū)域污染現(xiàn)狀及污染特征。本研究對分析土壤和地下水中硝酸鹽污染過程，進(jìn)行土壤和地下水污染修復(fù)具有重要的科學(xué)意義。

　　1研究區(qū)概況

　　沈陽渾河沖洪積平原地處遼寧省中部，行政區(qū)域包括沈陽市市屬各區(qū)及遼中縣、新民市的一部分和燈塔市的北部，地理坐標(biāo)為北緯41°30′-42°00′，東經(jīng)123°00′-123°40′，面積3069.41km2，見圖1。歷史數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)地下水硝酸鹽含量普遍高出國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)上限值，對當(dāng)?shù)仫嬘盟�安全造成了極大的威脅。

　　2樣品采集和分析

　　2011年10月對研究區(qū)土壤樣品進(jìn)行采集。選取5個橫跨渾河南北的土壤斷面，均勻分布51組土壤采樣點(diǎn)，見圖1。其中1號、2號斷面對每組采樣點(diǎn)不同深度（采樣深度范圍是0.2～5m，每0.8m采1個樣）的土壤樣品進(jìn)行采集，其他斷面只采取表層土壤（0.2～1.5m）。每組土壤樣品1kg，裝入透氣的布質(zhì)采樣袋中，將采取的新鮮土壤樣品進(jìn)行篩選、檢測、分析。硝酸鹽含量采用紫外分光光度測定，試驗(yàn)過程中篩選出可用的50個表層樣品檢測結(jié)果顯示硝酸鹽（以N計(jì)）含量區(qū)間為：1.41～63.53mg/kg。

　　3結(jié)果與討論

　　3.1區(qū)域土壤硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)值分析

　　由于我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）中沒有硝酸鹽含量的標(biāo)準(zhǔn)值，這給區(qū)域硝酸鹽污染評價(jià)造成了固有的困難。本次研究，基于區(qū)域土壤硝酸鹽的實(shí)測數(shù)據(jù)，利用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法——Hazen概率曲線法，初步探討適宜于渾河沖洪積扇地區(qū)的區(qū)域土壤硝酸鹽含量的標(biāo)準(zhǔn)值，為后續(xù)的污染評價(jià)和健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供技術(shù)參考。

　　應(yīng)用Hazen概率曲線區(qū)分不同成因數(shù)據(jù)集是地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理中的經(jīng)典方法之一[10]，該方法要求數(shù)據(jù)集滿足2個前提條件：（1）數(shù)據(jù)集所包含的子集數(shù)據(jù)滿足對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律；（2）數(shù)據(jù)集須由一定數(shù)目的數(shù)據(jù)構(gòu)成，數(shù)據(jù)愈多，區(qū)分效果愈好。

　　已有研究表明，自然過程成因的元素含量分布符合對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律[10]。渾河沖洪積扇土壤中硝酸鹽的主要來源是人為因素排放（污染疊加），而排放的硝酸鹽主要是在自然營力如氣流、重力、降水等作用下自然加入土壤，只要樣品有足夠的代表性，可以認(rèn)為符合對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律。另外，為便于對研究區(qū)土壤硝酸鹽含量的標(biāo)準(zhǔn)值的探討，在應(yīng)用Hazen概率曲線方法時，將研究區(qū)土壤硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)值的量假設(shè)成完全由自然過程產(chǎn)生，則可以將研究區(qū)土壤中硝酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)值的量和污染疊加含量分別看作2種成因的數(shù)據(jù)集。則由一定數(shù)量、在區(qū)域上分布均勻的樣品構(gòu)成的研究區(qū)土壤中硝酸鹽含量數(shù)據(jù)集是滿足Hazen概率曲線方法要求的，依據(jù)存在于含量數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，應(yīng)用Hazen概率曲線法對2種含量進(jìn)行區(qū)分。

　　研究區(qū)50個土壤樣品硝酸鹽含量（以N計(jì)）區(qū)間為：1.41～63.53mg/kg，數(shù)據(jù)處理方法如下。

　　（1）將硝酸鹽含量的數(shù)據(jù)按照含量值段（依據(jù)樣本多少和樣本間的含量差距確定，同時要保證數(shù)據(jù)集有足夠的數(shù)據(jù)分組數(shù)，將每組樣品數(shù)控制3個左右）進(jìn)行數(shù)據(jù)分組，并統(tǒng)計(jì)每組中的樣品數(shù)，計(jì)算其在樣品總數(shù)中的頻率及累積頻率。

　　（2）根據(jù)步驟1所得的累積頻率繪制Hazen概率曲線，并找出與曲線拐點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)[11]（含量值）。Hazen概率曲線的做法為：Hazen概率曲線的縱坐標(biāo)為均勻分格的常規(guī)數(shù)學(xué)坐標(biāo)，橫坐標(biāo)與頻率值的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)有關(guān)。由于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)在概率P=50%處為零，而Hazen概率曲線在概率P=0.01%時的橫坐標(biāo)值為零，因此橫坐標(biāo)值的計(jì)算公式表示為：

　　LP=uP-u0.01%（1）

　　式中：LP為Hazen概率曲線中頻率P對應(yīng)的橫坐標(biāo)值；uP為頻率P對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)；u0.01%為頻率P=0.01%對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)，其值為-3.719，其中標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)uP、u0.01%可由Excel軟件中的統(tǒng)計(jì)函數(shù)NORMSINV（P）求取[12]。

　　（3）以步驟2求得的拐點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)為含量界限，將原先的數(shù)據(jù)集分為2個子集，再分別按步驟（1）的方法處理，計(jì)算得到每個子集中每項(xiàng)數(shù)據(jù)在新數(shù)據(jù)組中的頻率和累積頻率。

　　（4）根據(jù)步驟3求得的累積頻率在圖上點(diǎn)出曲線，此曲線即為子集數(shù)據(jù)的累積概率曲線。

　　（5）根據(jù)Hazen概率曲線規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)并求得有關(guān)參數(shù)。

　　設(shè)子集1的頻率為f1，子集2的頻率為f2，f1對應(yīng)的含量為P1，f2對應(yīng)的含量為P2。則當(dāng)P1等于P2時，對應(yīng)的f1、f2的累積樣品數(shù)各自在總數(shù)據(jù)集中的累積頻率之和與P1或P2（P1=P2）的交點(diǎn)應(yīng)落在總數(shù)據(jù)集概率曲線上。f1、f2等于50%處的對應(yīng)含量值（子集Hazen概率曲線橫坐標(biāo)值）即為子集1、子集2的均值。f1、f2等于84.1%處的對應(yīng)含量值（子集Hazen概率曲線橫坐標(biāo)值）與各自均值的差值即為各子集的標(biāo)準(zhǔn)差。據(jù)所得均值與標(biāo)準(zhǔn)差即可求得各子集的變異系數(shù)[11]，通過比較兩子集的均值與變異系數(shù)即可得到可用的研究區(qū)土壤硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)值。

　　通過數(shù)據(jù)處理結(jié)果與所得曲線可以得到：子集1的均值為2.58mg/kg，變異系數(shù)為0.16；子集2的均值為4.43mg/kg，變異系數(shù)為0.81。子集1相對于子集2的均值、變異系數(shù)均較小，代表含量較低且分布較均勻的數(shù)據(jù)集特征；子集2的均值相對較大、分布均勻性相對較差，代表含量較高和分布不均勻的數(shù)據(jù)集特征。結(jié)合之前的假設(shè)，可以認(rèn)為子集1反映的是完全由自然過程形成的物質(zhì)含量較均勻的內(nèi)在特征，代表了該地區(qū)土壤中硝酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)值的量的分布特征；而子集2反映的是生產(chǎn)生活中人為因素的成因特征，代表了人為污染疊加形成的研究區(qū)土壤硝酸鹽含量分布特征。

　　故研究將以2.58mg/kg作為渾河沖洪積扇土壤硝酸鹽含量的標(biāo)準(zhǔn)值（以N計(jì)）。

　　3.2土壤硝酸鹽污染評價(jià)

　　3.2.1平面分布特征

　　用篩選出有效的50個表層土壤樣品的檢測結(jié)果分析研究區(qū)平面空間上的土壤硝酸鹽分布情況。硝酸鹽濃度分布結(jié)果見圖2。從圖2分布結(jié)果可以看出，研究區(qū)土壤硝酸鹽含量較高的區(qū)域主要位于中部白塔堡地區(qū)與西部的細(xì)河沿岸；土壤硝酸鹽含量較低的區(qū)域則集中在西南部、東部以及北部；總體上，渾河以北的區(qū)域土壤中硝酸鹽含量較渾河以南高。

　　3.2.2剖面分布特征

　　選取研究區(qū)1號、2號斷面為研究對象，分析硝酸鹽在包氣帶縱向剖面上的分布規(guī)律，根據(jù)用篩選出的不同深度土壤樣品的檢測結(jié)果分析了研究區(qū)剖面上的硝酸鹽分布情況。分析結(jié)果見圖3。

　　從分析結(jié)果來看，土壤硝酸鹽含量在單個取樣點(diǎn)上，隨著垂向上埋深的增加逐漸降低，這與土壤對硝酸鹽的吸附因素存在一定的關(guān)系。在空間剖面上，1號斷面，越靠近渾河，

　　硝酸鹽含量有增加的趨勢，而且在1號斷面上，由于細(xì)河這一沈陽市主要排污河的存在，硝酸鹽濃度上升幅度較大，2號斷面大致規(guī)律與1號斷面相同，但整體趨勢較平緩。

　　3.2.3區(qū)域土壤硝酸鹽污染評價(jià)

　　區(qū)域土壤硝酸鹽污染評價(jià)可以整體描述區(qū)域污染特征。本文選擇單因子指數(shù)法[13]和內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)法[14]對研究區(qū)土壤硝酸鹽污染進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)模型為：

　　PN=PI2均+PI2最大2（2）

　　式中：PN為內(nèi)梅羅指數(shù)；PI均為平均單因子污染指數(shù)；PI最大為最大單因子污染指數(shù)。其中PI=CI/C0，這里CI表示土壤硝酸鹽含量實(shí)測值；C0表示土壤中硝酸鹽含量的標(biāo)準(zhǔn)值。所求的結(jié)果根據(jù)表1進(jìn)行評價(jià)。

　　等級內(nèi)梅羅污染指數(shù)污染等級ⅠPN≤0.7清潔（安全）Ⅱ0.73.0重污染根據(jù)本次監(jiān)測結(jié)果分析，本區(qū)土壤硝酸鹽內(nèi)梅羅指數(shù)（PN）為4.8，結(jié)果表明研究區(qū)屬于重污染區(qū)。

　　根據(jù)單因子指數(shù)法，參照Hakanson[15]提出的表征土壤污染程度的分類方法及土壤樣品硝酸鹽單因子指數(shù)得到結(jié)果見表2。從表中可以看到處于輕度污染與中度污染區(qū)域的樣品占了81.7%，而重度污染樣品數(shù)只占到4.8%。

　　由于內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對最大單因子污染指數(shù)的放大作用，使得內(nèi)梅羅污染指數(shù)法得到的總體污染水平達(dá)到重度污染。

　　污染程度污染指數(shù)占總樣品百分比（%）輕度污染PI<143.5中度污染164.8通過比較兩種方法的評價(jià)結(jié)果并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，可以客觀評價(jià)研究區(qū)土壤硝酸鹽污染主要處于輕度與中度污染水平。

　　3.3硝酸鹽污染相關(guān)因素分析

　　3.3.1區(qū)域硝酸鹽污染與土地利用類型關(guān)系

　　土壤硝酸鹽污染與區(qū)域土地利用類型之間存在著一定的內(nèi)在關(guān)系。從研究區(qū)域土壤硝酸鹽含量分布（圖2）與區(qū)域土地利用類型（圖4）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以看出研究區(qū)土壤硝酸鹽含量較高的中部白塔堡地區(qū)周圍分布著大面積的旱田，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中會使用大量化肥與農(nóng)藥，呈面源污染特點(diǎn)，調(diào)查顯示該區(qū)域每年施肥量僅復(fù)合肥與氮肥就達(dá)到將近5×105t；另外白塔堡處沈撫灌渠接納了撫順市的工業(yè)污水和城市生活污水，水質(zhì)相當(dāng)惡劣，對該區(qū)域造成嚴(yán)重的污染。土壤硝酸鹽含量較低的西南部、東部以及北部主要是水田與城區(qū)，城區(qū)由于建設(shè)需要，地面需要硬化、防滲，這在一定程度上阻止了硝酸鹽的入滲，另外市區(qū)也不存在農(nóng)業(yè)活動等高強(qiáng)度的污染源；而水田氮肥隨水流失多、持氮能力不高，土壤長期飽水而處于還原環(huán)境，不利于硝酸鹽存在，所以水田區(qū)硝酸鹽污染較輕。此外，細(xì)河作為沈陽市主要的排污河流，長期接納大量的工業(yè)污水和生活廢水，水質(zhì)污染嚴(yán)重，污染的河水經(jīng)側(cè)滲及早期的污水灌溉等方式進(jìn)入土壤以及含水層，從而導(dǎo)致沿岸土壤、淺層地下水受到嚴(yán)重污染。渾河以北的區(qū)域土壤中硝酸鹽含量較渾河以南要高，這與水田主要集中在南部有很大關(guān)系；再者渾河以北土質(zhì)以砂土、亞砂土為主，土壤通透性較好有利于氮肥硝化作用形成硝酸鹽，而南部地區(qū)以壤土、黏土居多，不利于硝酸鹽的形成。

　　3.3.2硝酸鹽與有機(jī)質(zhì)含量之間關(guān)系

　　土壤有機(jī)質(zhì)含量分布也是區(qū)域土壤硝酸鹽污染的重要影響因素之一。將渾河沖洪積扇土壤硝酸鹽含量分布圖與土壤有機(jī)質(zhì)含量分布（圖5）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以看出土壤硝酸鹽的含量較高的一些區(qū)域（比如西部、中部），土壤中有機(jī)質(zhì)含量也較高。

　　這是由于土壤中的有機(jī)質(zhì)包括有機(jī)氮、有機(jī)碳、有機(jī)磷等，當(dāng)氨化細(xì)菌分解C/N比大的有機(jī)物料時，由于有機(jī)碳過剩，氮素不足，會導(dǎo)致微生物從土壤無機(jī)氮中吸取氮合成其自身體質(zhì)；分解C/N比小的有機(jī)物料時，有機(jī)碳不足，而氮素卻供給有余，此時氮的礦化作用大于固持作用，導(dǎo)致土壤無機(jī)氮的積累和增加。這就解釋了為什么土壤中硝酸鹽含量與有機(jī)質(zhì)分布在部分地區(qū)有一致性，而有的地區(qū)存在差異，這與有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳與有機(jī)氮的比值大小有關(guān)。

　　縱向上土壤中硝酸鹽含量隨著垂向上埋深的增加逐漸降低，這表明了硝酸鹽垂向運(yùn)移過程中發(fā)生了消耗，可能存在反硝化作用，這可以通過垂向上硝酸鹽與有機(jī)質(zhì)的變化趨勢得到證實(shí)，見圖6。隨著土壤硝酸鹽含量的降低，土壤有機(jī)質(zhì)也在減少，這是由于硝酸鹽的反硝化作用消耗了有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳，反應(yīng)方程式如式（3）。

　　4結(jié)論

　　本文初步分析了沈陽沖洪積扇區(qū)域土壤硝酸鹽污染分布特征，并可能對污染產(chǎn)生影響的部分因素進(jìn)行了分析，研究結(jié)果如下。

　　（1）通過區(qū)域土壤硝酸鹽污染監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，采用Hazen概率曲線確定渾河沖洪積扇土壤硝酸鹽含量的標(biāo)準(zhǔn)值為2.58mg/kg。

　　（2）選擇單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)法對研究區(qū)土壤硝酸鹽污染進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果顯示渾河沖洪積扇土硝酸鹽污染問題普遍存在，應(yīng)針對性地采取防控措施。

　　（3）渾河沖洪積扇土壤硝酸鹽空間污染分布特征與排污河位置、土地利用類型及土壤有機(jī)質(zhì)的含量關(guān)系密切，對其防控措施，需要重點(diǎn)考慮上述相關(guān)因素。

　　土壤硝酸鹽是地下水中硝酸鹽的重要來源，其分布與地

　　下水硝酸鹽分布之間關(guān)系密切，因此需要給予更多的關(guān)注與重視。硝酸鹽的遷移轉(zhuǎn)化過程，特別是反硝化作用，對污染程度有舉足輕重的作用，在后續(xù)污染分析和污染過程研究中應(yīng)重點(diǎn)考慮硝酸鹽的遷移轉(zhuǎn)化等過程的影響。

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