氮在土壤及地下水系統循環中，經過一系列的氨化作用、硝化作用及其反硝化作用等遷移轉化過程，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計了5個監測斷面、50個取樣點，每個取樣點按0.8m進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準值，采用單因子指數法和內梅羅污染指數評價法，對不同斷面和不同深度土壤硝酸鹽的污染特征進行了分析，并將區域污染特征與區域土地利用類型、區域有機質含量進行關聯分析，判定其對硝酸鹽污染的影響。研究結果顯示，本區硝酸鹽濃度標準值約為2.58mg/kg；區域硝酸鹽中度污染；排污河的存在、區域土地利用類型和區域有機質含量對區域硝酸鹽污染關系密切，在分析硝酸鹽污染過程中應予以重點考慮。

　　關鍵詞：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,有機質

　　其中最主要的過程是硝化作用：土壤中的有機氮轉化為NH4+進入包氣帶，經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生硝化作用轉化為NO2-、NO3-，而NO2-不穩定，也被氧化成NO3-進入地下水中[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]。進入土壤中的氮經過土壤微生物的礦化和硝化作用轉變為硝態氮，增加了土壤硝態氮負荷，影響了土壤氮循環的過程。沒有被植物吸收或脫氮的硝態氮運移至深層土壤，進而淋洗到地下水中，引起地下水水質污染[4]。

　　近幾十年來，隨著工農業生產的發展，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，已經危及包氣帶土壤和地下水的質量安全。國內外關于土壤和地下水硝酸鹽污染來源的研究較為豐富[5-8]，相繼研究并報道了引起硝酸鹽污染的因素有施用化肥和有機肥、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，開展典型區域的硝酸鹽分布特征調查與分析，旨在明晰區域污染現狀及污染特征。本研究對分析土壤和地下水中硝酸鹽污染過程，進行土壤和地下水污染修復具有重要的科學意義。

　　1研究區概況

　　沈陽渾河沖洪積平原地處遼寧省中部，行政區域包括沈陽市市屬各區及遼中縣、新民市的一部分和燈塔市的北部，地理坐標為北緯41°30′-42°00′，東經123°00′-123°40′，面積3069.41km2，見圖1。歷史數據顯示，該地區地下水硝酸鹽含量普遍高出國家飲用水標準上限值，對當地飲用水安全造成了極大的威脅。

　　2樣品采集和分析

　　2011年10月對研究區土壤樣品進行采集。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，見圖1。其中1號、2號斷面對每組采樣點不同深度（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，裝入透氣的布質采樣袋中，將采取的新鮮土壤樣品進行篩選、檢測、分析。硝酸鹽含量采用紫外分光光度測定，試驗過程中篩選出可用的50個表層樣品檢測結果顯示硝酸鹽（以N計）含量區間為：1.41～63.53mg/kg。

　　3結果與討論

　　3.1區域土壤硝酸鹽標準值分析

　　由于我國《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）中沒有硝酸鹽含量的標準值，這給區域硝酸鹽污染評價造成了固有的困難。本次研究，基于區域土壤硝酸鹽的實測數據，利用空間統計學方法——Hazen概率曲線法，初步探討適宜于渾河沖洪積扇地區的區域土壤硝酸鹽含量的標準值，為后續的污染評價和健康風險評價提供技術參考。

　　應用Hazen概率曲線區分不同成因數據集是地球化學數據處理中的經典方法之一[10]，該方法要求數據集滿足2個前提條件：（1）數據集所包含的子集數據滿足對數正態分布規律；（2）數據集須由一定數目的數據構成，數據愈多，區分效果愈好。

　　已有研究表明，自然過程成因的元素含量分布符合對數正態分布規律[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，可以認為符合對數正態分布規律。另外，為便于對研究區土壤硝酸鹽含量的標準值的探討，在應用Hazen概率曲線方法時，將研究區土壤硝酸鹽標準值的量假設成完全由自然過程產生，則可以將研究區土壤中硝酸鹽的標準值的量和污染疊加含量分別看作2種成因的數據集。則由一定數量、在區域上分布均勻的樣品構成的研究區土壤中硝酸鹽含量數據集是滿足Hazen概率曲線方法要求的，依據存在于含量數據間的內在聯系，應用Hazen概率曲線法對2種含量進行區分。

　　研究區50個土壤樣品硝酸鹽含量（以N計）區間為：1.41～63.53mg/kg，數據處理方法如下。

　　（1）將硝酸鹽含量的數據按照含量值段（依據樣本多少和樣本間的含量差距確定，同時要保證數據集有足夠的數據分組數，將每組樣品數控制3個左右）進行數據分組，并統計每組中的樣品數，計算其在樣品總數中的頻率及累積頻率。

　　（2）根據步驟1所得的累積頻率繪制Hazen概率曲線，并找出與曲線拐點對應的數據[11]（含量值）。Hazen概率曲線的做法為：Hazen概率曲線的縱坐標為均勻分格的常規數學坐標，橫坐標與頻率值的標準正態分布分位數有關。由于標準正態分布分位數在概率P=50%處為零，而Hazen概率曲線在概率P=0.01%時的橫坐標值為零，因此橫坐標值的計算公式表示為：

　　LP=uP-u0.01%（1）

　　式中：LP為Hazen概率曲線中頻率P對應的橫坐標值；uP為頻率P對應的標準正態分布分位數；u0.01%為頻率P=0.01%對應的標準正態分布分位數，其值為-3.719，其中標準正態分布分位數uP、u0.01%可由Excel軟件中的統計函數NORMSINV（P）求取[12]。

　　（3）以步驟2求得的拐點對應的數據為含量界限，將原先的數據集分為2個子集，再分別按步驟（1）的方法處理，計算得到每個子集中每項數據在新數據組中的頻率和累積頻率。

　　（4）根據步驟3求得的累積頻率在圖上點出曲線，此曲線即為子集數據的累積概率曲線。

　　（5）根據Hazen概率曲線規則進行數據檢驗并求得有關參數。

　　設子集1的頻率為f1，子集2的頻率為f2，f1對應的含量為P1，f2對應的含量為P2。則當P1等于P2時，對應的f1、f2的累積樣品數各自在總數據集中的累積頻率之和與P1或P2（P1=P2）的交點應落在總數據集概率曲線上。f1、f2等于50%處的對應含量值（子集Hazen概率曲線橫坐標值）即為子集1、子集2的均值。f1、f2等于84.1%處的對應含量值（子集Hazen概率曲線橫坐標值）與各自均值的差值即為各子集的標準差。據所得均值與標準差即可求得各子集的變異系數[11]，通過比較兩子集的均值與變異系數即可得到可用的研究區土壤硝酸鹽標準值。

　　通過數據處理結果與所得曲線可以得到：子集1的均值為2.58mg/kg，變異系數為0.16；子集2的均值為4.43mg/kg，變異系數為0.81。子集1相對于子集2的均值、變異系數均較小，代表含量較低且分布較均勻的數據集特征；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據集特征。結合之前的假設，可以認為子集1反映的是完全由自然過程形成的物質含量較均勻的內在特征，代表了該地區土壤中硝酸鹽的標準值的量的分布特征；而子集2反映的是生產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準值（以N計）。

　　3.2土壤硝酸鹽污染評價

　　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果分析研究區平面空間上的土壤硝酸鹽分布情況。硝酸鹽濃度分布結果見圖2。從圖2分布結果可以看出，研究區土壤硝酸鹽含量較高的區域主要位于中部白塔堡地區與西部的細河沿岸；土壤硝酸鹽含量較低的區域則集中在西南部、東部以及北部；總體上，渾河以北的區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律，根據用篩選出的不同深度土壤樣品的檢測結果分析了研究區剖面上的硝酸鹽分布情況。分析結果見圖3。

　　從分析結果來看，土壤硝酸鹽含量在單個取樣點上，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號斷面大致規律與1號斷面相同，但整體趨勢較平緩。

　　3.2.3區域土壤硝酸鹽污染評價

　　區域土壤硝酸鹽污染評價可以整體描述區域污染特征。本文選擇單因子指數法[13]和內梅羅污染指數評價法[14]對研究區土壤硝酸鹽污染進行評價，評價模型為：

　　PN=PI2均+PI2最大2（2）

　　式中：PN為內梅羅指數；PI均為平均單因子污染指數；PI最大為最大單因子污染指數。其中PI=CI/C0，這里CI表示土壤硝酸鹽含量實測值；C0表示土壤中硝酸鹽含量的標準值。所求的結果根據表1進行評價。

　　等級內梅羅污染指數污染等級ⅠPN≤0.7清潔（安全）Ⅱ0.73.0重污染根據本次監測結果分析，本區土壤硝酸鹽內梅羅指數（PN）為4.8，結果表明研究區屬于重污染區。

　　根據單因子指數法，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得到結果見表2。從表中可以看到處于輕度污染與中度污染區域的樣品占了81.7%，而重度污染樣品數只占到4.8%。

　　由于內梅羅污染指數法對最大單因子污染指數的放大作用，使得內梅羅污染指數法得到的總體污染水平達到重度污染。

　　污染程度污染指數占總樣品百分比（%）輕度污染PI<143.5中度污染164.8通過比較兩種方法的評價結果并利用統計學原理，可以客觀評價研究區土壤硝酸鹽污染主要處于輕度與中度污染水平。

　　3.3硝酸鹽污染相關因素分析

　　3.3.1區域硝酸鹽污染與土地利用類型關系

　　土壤硝酸鹽污染與區域土地利用類型之間存在著一定的內在關系。從研究區域土壤硝酸鹽含量分布（圖2）與區域土地利用類型（圖4）進行關聯分析，可以看出研究區土壤硝酸鹽含量較高的中部白塔堡地區周圍分布著大面積的旱田，農業生產中會使用大量化肥與農藥，呈面源污染特點，調查顯示該區域每年施肥量僅復合肥與氮肥就達到將近5×105t；另外白塔堡處沈撫灌渠接納了撫順市的工業污水和城市生活污水，水質相當惡劣，對該區域造成嚴重的污染。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，城區由于建設需要，地面需要硬化、防滲，這在一定程度上阻止了硝酸鹽的入滲，另外市區也不存在農業活動等高強度的污染源；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境，不利于硝酸鹽存在，所以水田區硝酸鹽污染較輕。此外，細河作為沈陽市主要的排污河流，長期接納大量的工業污水和生活廢水，水質污染嚴重，污染的河水經側滲及早期的污水灌溉等方式進入土壤以及含水層，從而導致沿岸土壤、淺層地下水受到嚴重污染。渾河以北的區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系；再者渾河以北土質以砂土、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硝酸鹽與有機質含量之間關系

　　土壤有機質含量分布也是區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質含量分布（圖5）進行關聯分析，可以看出土壤硝酸鹽的含量較高的一些區域（比如西部、中部），土壤中有機質含量也較高。

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

　　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移過程中發生了消耗，可能存在反硝化作用，這可以通過垂向上硝酸鹽與有機質的變化趨勢得到證實，見圖6。隨著土壤硝酸鹽含量的降低，土壤有機質也在減少，這是由于硝酸鹽的反硝化作用消耗了有機質中有機碳，反應方程式如式（3）。

　　4結論

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

　　（1）通過區域土壤硝酸鹽污染監測數據分析，采用Hazen概率曲線確定渾河沖洪積扇土壤硝酸鹽含量的標準值為2.58mg/kg。

　　（2）選擇單因子指數法和內梅羅污染指數評價法對研究區土壤硝酸鹽污染進行評價，評價結果顯示渾河沖洪積扇土硝酸鹽污染問題普遍存在，應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質的含量關系密切，對其防控措施，需要重點考慮上述相關因素。

　　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系密切，因此需要給予更多的關注與重視。硝酸鹽的遷移轉化過程，特別是反硝化作用，對污染程度有舉足輕重的作用，在后續污染分析和污染過程研究中應重點考慮硝酸鹽的遷移轉化等過程的影響。

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