豫北蔬菜种植区浅层地下水硝酸盐来源及其对强降雨事件的响应

作者：陈昊; 李艳利; 高振朋; 张琮; 张东^*

来源：生态与农村环境学报, 2023, 1-20.

DOI：10.19741/j.issn.1673-4831.2023.0648

• 蔬菜种植区
• 浅层地下水
• 硝酸盐来源
• 同位素混合模型
• 强降雨事件

我国北方蔬菜种植过程大量施用化学肥料和人畜粪肥，引起区内浅层地下水硝酸盐(NO3－)浓度急剧升高，但高浓度NO3－来源及在浅层地下水环境中转化过程尚缺乏同位素证据，特别是强降雨事件对其影响尚不清楚。化学肥料中铵盐(NH4+)转化为NO3－是造成蔬菜种植区浅层地下水中NO3－浓度升高的重要原因，强降雨事件导致浅层地下水水位升高，土壤和包气带中剩余NH4+氧化为NO3－造成地下水NO3－浓度升高。为验证上述假设，选择豫北某蔬菜种植基地浅层地下水作为研究对象，通过对比分析枯水期(2021年4月)和丰水期(2021年10月)浅层地下水NO3－浓度及同位素组成(δ15N-NO3－和δ18O-NO3－)，结合水化学以及水的氢氧同位素组成(δD-H2O和δ18O-H2O)，辨识浅层地下水高浓度NO3－来源及其对强降雨事件的响应。结果表明：(1)丰水期较枯水期浅层地下水中ρ(NO3－)范围更大，中间值更高，分别为177.47 mg/L和114.68 mg/L；(2)丰水期较枯水期浅层地下水中δ15N-NO3－和δ18O-NO3－范围更宽泛，δ15N-NO3－中间值升高，分别为7.8‰和7.3‰，但δ18O-NO3－中间值降低，分别为5.1‰和6.4‰；(3)丰水期较枯水期浅层地下水δ18O-H2O范围变窄，中间值升高，分别为-8.8‰和-9.2‰。氘盈余值(dexcess=δD-8 × δ18O)范围变小，中间值降低，分别为6.9‰和9.5‰；(4)强降雨洗脱包气带中富集15N的NH4+转化为NO3－，导致浅层地下水ρ(NO3－)升高，δ15N-NO3－值升高，但δ18O-NO3－值降低；(5)贝叶斯同位素混合模型解析结果表明，丰水期较枯水期浅层地下水中的NO3－来自于粪肥比例增加，来自土壤有机氮比例降低，化肥中铵态氮贡献比例变化不大，但硝态氮肥贡献率增加，同时大气降水硝酸盐贡献降低。研究结果证实，持续强降雨导致包气带中剩余的NH4+发生硝化作用，产生更多NO3－进入浅层地下水；降雨同时把地表粪肥NH4+转化来的NO3－携带进入浅层地下水。因此需要加强蔬菜种植区肥料田间管理，做到有效使用肥料，避免过度施用对浅层地下水水质的危害。

• 单位
  河南理工大学; 上海海洋大学