關(guān)中盆地馬蘭黃土中三氮轉(zhuǎn)化及相關(guān)微生物關(guān)系實(shí)驗研究 摘要 地下水氮污染在世界范圍內(nèi)普遍存在，并有逐漸加劇的趨勢，對生態(tài)環(huán)境和身體健康 帶來嚴(yán)重危害。人長期飲用被氮污染的水，三氮就會在人體內(nèi)積累，使n o ；轉(zhuǎn)化為有毒的 n o ：，血液中的皿鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，并與氧結(jié)合，致使人體各內(nèi)臟器官缺 氧，呼吸中樞麻痹，最后導(dǎo)致窒息死亡。n o ；與體內(nèi)的仲胺作用會產(chǎn)生致癌物質(zhì)亞硝酸胺， 同時易使嬰幼兒出現(xiàn)畸形。牲畜或動物長期飲用n o i 含量超標(biāo)水，也會引起正鐵血紅骯或 青紫的產(chǎn)生【l 】；氮污染的普遍性和嚴(yán)重性引起了人們的極大關(guān)注，不少學(xué)者均已開展了與 此相關(guān)的研究并且進(jìn)行了有效地治理。他們的治理研究大多數(shù)是直接針對被氮污染的地下 水。但是直接治理地下水代價昂貴。要治理地下水氮污染，首先應(yīng)從清除土壤和包氣帶的 氮污染做起。在包氣帶治理氮污染，一方面可以清除氮污染質(zhì)，另一方面還可防止含水層 遭受污染，起到預(yù)防和治理氮污染的雙重作用。由于土壤包氣帶是非飽和帶，其環(huán)境條件 復(fù)雜，清除污染難度大，目前對包氣帶氮污染治理研究有一定的局限性。 關(guān)中盆地是國家重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)地區(qū)和陜西省重要的工業(yè)基地和糧棉油產(chǎn)區(qū)。水資源緊 缺和地下水質(zhì)污染已成為該地區(qū)面臨的嚴(yán)峻問題。本論文就是針對關(guān)中盆地包氣帶氮污染 現(xiàn)狀，探討三氮遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，提出防止地下水氮污染的相應(yīng)對策。 由于馬蘭黃土結(jié)構(gòu)特殊，垂直節(jié)理發(fā)育。采用室內(nèi)土柱實(shí)驗會破壞馬蘭黃土的結(jié)構(gòu)， 影響滲透系數(shù)，仿真模擬性較差。因此，本次采用原位試驗的方法，模擬灌溉條件下三氮 在包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。采用一定濃度的n i l ：進(jìn)行連續(xù)灌溉，在剖面上不同的采樣點(diǎn) 采集樣品，分析三氮的濃度變化。從而得出在實(shí)際野外條件下氮在馬蘭黃土中的轉(zhuǎn)化規(guī)律。 在馬蘭黃土中，影響三氮轉(zhuǎn)化的主要作用有硝化作用和反硝化作用。n o ；主要由n h ：通過 硝化作用生成。通過反硝化作用而轉(zhuǎn)化為其它氮化合物。通過研究發(fā)現(xiàn)在馬蘭黃土包氣帶 中距地面3 0 m 和7 0 m 處有明顯的反硝化作用。n o ；減少。而5 o m 處n o ；有累積的趨 勢。 考慮到三氮轉(zhuǎn)化和微生物的關(guān)系密切，氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用 等都會影向三氮的相互轉(zhuǎn)化。這些作用主要都是依靠微生物來完成的。因此，在完成原位 試驗的基礎(chǔ)上開展了馬蘭黃土中與三氮有關(guān)的氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌以及固氮 菌的分布規(guī)律研究。發(fā)現(xiàn)微生物的數(shù)量分布與三氮濃度分布有良好相關(guān)性。在距地面3 0 m 和7 0 m 處反硝化菌數(shù)量較高，在此層n o ；濃度低。說明三氮轉(zhuǎn)化與微生物的作用有密切 的關(guān)系。 通過試驗發(fā)現(xiàn)，在馬蘭黃土包氣帶中3 0 m 和7 0 m 是比較特殊的土層，有機(jī)質(zhì)含量很 高，含水率也很高，有利于反硝化菌的活動。但是考慮到3 0 m 氧化還原電位較高，反硝 化菌的活性會受影響。所以選取7 0 m 土樣進(jìn)行了反硝化強(qiáng)度系數(shù)測定實(shí)驗并建立了反硝 化動力學(xué)方程。結(jié)果表明馬蘭黃土中微生物對n o i n 的去除能力是比較強(qiáng)的。在適宜條 件下，可以在很短時間內(nèi)去除土壤中的n o ；一n 污染，進(jìn)而達(dá)到在包氣帶直接治理n o i - n 污染，防止地下水n o i n 污染的目的。這一新認(rèn)識也為進(jìn)一步進(jìn)行地下水中n 0 ；一n 治理 工作奠定了一定的基礎(chǔ)。 本論文歷時約十六個月，取土樣約4 5 6 個，并對土樣分別進(jìn)行了三氮、含水率、微生 物、反硝化強(qiáng)度、e h 、p h 等指標(biāo)的分析，獲取數(shù)據(jù)達(dá)2 3 7 1 個。 關(guān)鍵詞：三氮轉(zhuǎn)化微生物馬蘭黃土關(guān)中盆地 包氣帶 2 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h et r a n s f o r m a t i o no ft h et h r e e n i t r o g e na n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h r e e n i t r o g e na n d r e l a t i v em i c r o b e si nm a l a nl o e s s g u a n z h o n g b a s i n a b s t r a c t n e g r o u n d w a t e rp o l l u t i o no fn i t r o g e ni sp o p u l a ra l lo v e r t h ew o r l da n di th a st h et r e n do f b e i n gs e r i o u s t h i sh a sg r e a th a r m 幻t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dt h ep e r s o n sh e a l t h i f p e o p l e d r i i l l 【t h ep o l l u t e dw a t e r b yn i t r o g e nf o ral o n g t i m e t h r e en i t r o g e nw i l la c c u m u l a t ei nt h e b o d y ，n i t r a t ew i l lt r a n s f o r mt oh a r m f u ln i t r i t e n i t r i t ew i l lr e a c tw i t ht h em i d d l e a m i n ea n d f o r m n i t r i t ea m i n e w h i c hc a nr e s u l tc a n c e r 1 飛ep o p u l a r i t ya n d s e v e r i t yo fn i t r o g e np o l l u t i o na r o s et h e p e o p l e sa t t e n t i o n m a n ys c h o l a r sh a v eb e g u n t od ot h er e l a t i v er e s e a r c ha n dh a v et h ee f f i c i e n t t r e a t m e n to fn i t r o g e np o l l u t i o n t h e ya l w a y sd i r e c t l yt r e a tt h ep o l l u t e dg r o u n d w a t e r b u tt h i si s v e r ye x p e n s i v e t o t r e a t g r o u n d w a t e rn i t r o g e np o l l u t i o n ，f a s t i ts h o u l dt r e a tt h e n i t r o g e n p o l l u t i o ni nt h es o i l a n dv a d o s e t r e a t i n gn i t r o g e ni nv a d o s ew i l li no n eh a n de l i m i n a t et h e n i t r o g e np o l l u t i o n ，i nt h eo t h e rh a n dt h i s c a np r e v e n tg r o u n d w a t e rf r o mb e i n gp o l l u t e db y n i t r o g e n b e c a u s et h ev a d o s ei s u n s a t u r a t e dz o n e ，t h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o ni s c o m p l e x i t s d i f f i c u l tt oe l i m i n a t et h ep o l l u t a n t t h e r ei sl o c a l i z a t i o ni nr e s e a r c ho f t r e a t i n gn i t r o g e ni nv a d o s e g u a n z h o n g b a s i ni st h ea r e at h a ti sd e v e l o p i n ge m p h a s i z e db yt h ec o u n t r y i ti sa l s ot h e i n d u s t r i a lb a s ea n d p r o d u c e a r e ao ff o o d 、c o t t o na n do i l t h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c ea n dt h e p o l l u t i o no fg r o u n d w a t e rh a v eb e c o m e t h es e r i o u sp r o b l e m si nt h i sa r e a t h i st h e s i sa i m sa tt h e n i t r o g e n p o l l u t i o n s t a t u si nv a d o s eo f g u a n z h o n gb a s i n ，d i s c u s s e s t h et r a n s f e ra n d t r a n s f o r m a t i o nr o l e sa m o n gt h r e en i t r o g e na n dp r e s e n t st h em e a s u r e st op r e v e n tg r o u n d w a t e r f r o m b e i n gp o l l u t e d b e c a u s et h es t r u c t u r eo fm a l a nl o e s si sv e r ys p e c i a l ，i td e v e l o p e da d v a n c e dv e r t i c a l l y , u s i n gs o i lp i l l a ri nl a bw o u l d b r e a kt h en a t u r a ls t r u c t u r eo fm a l a nl o e s sa n di n f l u e n c et h ef i l t e r c o e f ：f i c i e n t i tc a n tr e f l e c tt h et r u ec o n d i t i o n b a s e do nt h i s i t i sd e c i d e dt ou s et h e s i t u e x p e r i m e n tt os i m u l a t et h et r a n s f o r m a t i o nr u l e so f t h r e en i t r o g e ni nv a d o s eu n d e r i r r i g a t i o n u s ec e r t a i nc o n t e n to fa m m o n i at oi r r i g a t ec o n f i n u a t i v e l y t a k i n gs a m p l e si nd i f f e r e n td e p t h ， a n a l y z et h ec h a n g eo f t h en i 仃o g e nc o n t e n tt h e nd r a wt h ec o n c l u s i o no ft h et r a n s f o r m a t i o nr u l e s i nm a l a nl o e s su n d e rt h en a t u r a lc o n d i t i o n i nm a l a nl o e s s ，t h et h r e en i t r o g e nt r a n s f o r mb y n i 試f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n n i t r a t ew a sf o r m e db ya m m o n i at h r o u g hn i t r i t i c a f i o n n i t r a t e r e d u c e b y d e n i t r i f i c a t i o n i nv a d o s eo fm a l a nl o e s s 3 0 ma n d7 0 md e e ph a v eo b v i o u s d e n i t r i f i c a t i o n n i t r a t ed e c r e a s e i n5 0 m ，n i t r a t ea c c u m u l a t e s c o n s i d e r e dt h a tt h et r a n s f o r m a t i o no ft h r e en i t r o g e nr e l a t e st om i c r o b e sm o s t a m i n a t e 、 n i t r i f i c a t i o n 、d e n i t r i f i c a t i o na n dn i t r o g e nf i x a t i o nw i l li n f l u e n c et h et r a n s f o r m a t i o no ft h r e e n i t r o g e n t h e s e f u n c t i o n sa r ea l lt h em i c r o b i o l o g i c a lf u n c t i o n o nt h ef o u n d a t i o n o ft h e s i t u - e x p e r i m e n t ，d e v e l o p t h e m i c r o b i o l o g i c a le x p e r i m e n t d e t e c t t h ed i s t r i b u t i o nr u l e so f m i c r o b e sr e l a t e dt om et h r e en i t r o g e n ：a m i n a t em i c r o b e 、n i t r i f i c a t i o nm i c r o b e 、d e n i t r i f i c a t i o n m i c r o b ea n d n i t r o g e nf i x a t i o nm i c r o b e 田1 ed i s t r i b u t i o no fm i c r o b e sh a sag o o dr e l a t i o n s h i pw i t h t h r e en i t r o g e n i n3 0 ma n d7 0 md e e pt h ed e n i t r i f i c a t i o nm i c r o b e sh a v eg r e a ta m o u n ta n dn i t r a t e d e c r e a s ei nt h e s el a y e r t h r o u g ht h ee x p e r i e n c e si tw a sf o u n dt h a t3 0 ma n d7 0 mi nv a d o s eo fm a l a nl o e s sa r e s p e c i a ls o i ll a y e r s t h e r ea r eh j i g h c o n t e n to f o r g a n i s m 、h i g h c o n t e n to fw a t e r i ti si nf a v o ro ft h e a c t i o no fd e n i t r i f i c a t i o nm i c r o b e s b u ti n3 o md e e p ，t h eo x y g e nc o n t e n ti sh i g h ，i tp r e v e n t st h e a c t i o no fd e n i t r i t i c a t i o nm i c r o b e s s ot h e r ei sa l l e x p e r i m e n t o fm e a s u r i n gd e n i t r i f i c a t i o n i n t e n s i t y o f7 0 ms o i l s a m p l e t h er e s u l t s h o w st h a tt h em a l a nl o e s sh a sg r e a t a b i l i t y t o e l i m i n a t et h en i t r a t ei ns o i l u n d e rt h es u i t a b l ec o n d i t i o n i tc a ne l i m i n a t et h ec o n t e n to fn i t r a t e w i t h i ns h o r tt i m e s oi tc a nt r e a tt h en i t r a t ep o l l u t i o ni nv a d o s ea n d p r e v e n t t h eg r o u n d w a t e rf r o m b e i n gp o l l u t e d t h i sa c k n o w l e a g e sh a sf o r m e dt h eb a s eo ft r e a t i n g t h en i t r a t ep o l l u t i o ni n g r o u n d w a t e r t h i st h e s i sl a s t e d1 6m o n t h s 。h a s4 5 6s o i ls a m p l e s 。m e a s u r e 血ei s s u eo fn i t r a t e 、n i t r i t e 、 a m m o n i a 、w a t e rc o n t e n t 、m i c r o b e s 、d e n i t r i f i c a t i o ni n t e n s i t y 、e h 、p he t c h a sm o r et h a n2 3 71 d a t a k e yw o r d s ：t h e t r a n s f o r m a t i o no ft h r e e n i t r o g e n g u a n z h o n g b a s i n 2 m i c r o b em a l a nl o e s s v a d o s e 第一章緒論 第一節(jié)研究的目的和意義 水是人類賴以生存的必不可少的寶貴資源。然而，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的持續(xù)增 長和人們頻繁的生產(chǎn)和生活活動，使這一寶貴的資源受到不同程度的污染，并且呈現(xiàn)了嚴(yán)重 的短缺局面。其中氮污染( n h ：- n 、n o ；一n 、n o i - n ，統(tǒng)稱三氮) 是當(dāng)今世界水污染中的 一個普遍現(xiàn)象。許多國家和地區(qū)的淺層地下水都有不同程度的氮污染。s p a l d i n gr e a n d e x n e sm e 吲對全美聯(lián)邦政府、洲政府及地區(qū)地下水中n o ；一n 污染調(diào)查所得的2 0 萬個數(shù)據(jù) 進(jìn)行整理。發(fā)現(xiàn)，在那些土壤透水性能好的農(nóng)灌區(qū)，已出現(xiàn)大范圍的地下水n o i - n 含量超 標(biāo)的傾向。例如西密蘇里河區(qū)域，大西洋沿岸中部的洲以及d e l m a s v a 半島，由于施肥過量 而在透水性好的耕作土下形成相當(dāng)嚴(yán)重的n 0 i n 污染。在被檢測的1 2 4 萬v i 水井中，n o ；- n 超標(biāo)率為6 。估計全美國有五百至一千萬人口的飲用水中n o ；n 已超標(biāo)。歐共體國家可 能是世界上n o ；一n 污染最嚴(yán)重的地區(qū)，據(jù)世界資源【3 1 報告，1 9 6 0 年以來，一些歐洲河流的 n o ；- n 濃度平均以每年0 1 5 m g l 的速度劇增，現(xiàn)已接近歐共體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1 1 3 m g 1 ，有的 甚至超過了可接受的限度2 2 6 m g l 。從1 9 7 8 1 9 8 8 十年中，英國的地表水監(jiān)測n o ；一n 有三 分之一超過標(biāo)準(zhǔn)濃度，地下水的污染晴況已經(jīng)十分嚴(yán)重。英國和丹麥地下水n o ；- n 長期超 過1 1 3 r a g 1 的地區(qū)，分別占到7 和8 。在英格蘭的中東部，3 0 5 0 井水n o ；n 超標(biāo)。 法國估計有2 0 的人口飲用水中n 0 j n 超過e c 標(biāo)準(zhǔn)。在整個比利時地下水中n o ；一n 的 濃度在4 一1 l m g l 范圍。丹麥、挪威和德國都已經(jīng)出現(xiàn)大片地區(qū)并水不宜飲用，甚至丹麥的 8 ，德國的5 的水廠的供應(yīng)水( 地下水) 中n o ；一n 超過了e c 標(biāo)準(zhǔn)【4 】。在澳大利亞、新 西蘭、非洲、中東和加勒比海等國家和地區(qū)，都監(jiān)測到了大范圍的地下水n o ；一n 的超標(biāo)閉。 早在6 0 年代初期，我國吉林、河北、關(guān)中地區(qū)等省市部分地區(qū)，曾就有關(guān)“地下肥水”問 題作過報道。其實(shí)所謂地下肥水就是含高濃度硝酸鹽的地下水。根據(jù)一些報道，不少城市和 農(nóng)村的水井中n o ；n 含量有明顯的上升趨勢。如陜西、山東、江蘇、遼寧、上海、北京等 省市，含量高的有2 0 0 5 0 0 m g l ，個別地區(qū)，如西安市郊，達(dá)到1 0 0 0 r a g 1 ，河南商水縣城 關(guān)競達(dá)1 7 0 0 r n g ，l 。7 0 年代末，我國先后對近五十個城市進(jìn)行調(diào)查，有2 1 個城市的地下水受 到n o ；一n 污染，1 0 個城市嚴(yán)重污染，超過世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)的面積在1 0 0 2 0 0 平方公里 以上的城市有四個。在福建長樂縣的抽樣調(diào)查表明，井水n o ；n 含量超過飲用標(biāo)準(zhǔn)上限 ( 2 2 6 m g 1 ，e c 標(biāo)準(zhǔn)) 的水樣占8 1 。“七五”科技攻關(guān)項目“農(nóng)業(yè)面源污染及控制對策” 研究組曾在蘇浙滬二省一市1 6 個縣內(nèi)采集飲用井水、河流和湖泊的水樣1 2 0 0 多個，結(jié)果表 明，以吳縣為例，飲用井水中n o ；n 的超標(biāo)率達(dá)5 7 9 ，n o i n 的超標(biāo)率達(dá)3 8 2 。據(jù)中 國科學(xué)院南京湖泊與地理研究所的監(jiān)測，太湖水的n o ；- n 從1 9 8 1 1 9 8 8 年七年問上升了約 2 倍，成為太湖水水質(zhì)下降的主要原因之一。據(jù)蘇州吳縣農(nóng)科所監(jiān)測，1 9 8 3 1 9 9 3 的十年間， 枯水期地表水( 河水) 和地下水的n 0 ；- n 濃度上升了2 一l o 倍。這些資料表明，我國硝態(tài) 氮的污染情況和趨勢是甚憂的【6 】。 氮污染已成為全球性環(huán)境問題，世界各國都立足于研究地下水氮污染的治理，這不僅 可以緩解當(dāng)前水資源緊張問題，還可以減少由于三氮污染對人體產(chǎn)生的危害。 關(guān)中盆地位于陜西省的中部，屬干旱半干旱地區(qū)。包括西安、寶雞、咸陽、渭南四個 行政級市，是亞歐大陸橋的樞紐地帶和連接我國東西地區(qū)和南北方的交通要道，同時也是 國家重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)地區(qū)和陜西省重要的工業(yè)基地和糧棉油產(chǎn)區(qū)。但是近幾年來，地下水也 遭到了不同程度的污染。本次研究采樣分析表明，關(guān)中盆地地下水特別是潛水污染已相當(dāng) 嚴(yán)重。潛水的硬度、礦化度、n o i 含量超標(biāo)明顯，n o ；污染最為突出，超標(biāo)率達(dá)到2 9 ， 2 0 0 m g l 以上的占1 3 ，最高檢出濃度為6 5 0 m g l ，應(yīng)予以足夠重視。地下水n o i 污 染不僅威脅著人類的生存和健康，降低地下水資源功能及惡化水環(huán)境，而且還加劇了水資 源的短缺和供需矛盾，影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在西部大開發(fā)新形式下，關(guān)中盆地面臨發(fā)展 的機(jī)遇，同時也面臨嚴(yán)峻的水資源短缺和水污染問題的挑戰(zhàn)p 】。 一般情況下，環(huán)境污染多產(chǎn)生于地表環(huán)境，來源于地表的污染物必須通過包氣帶才能 進(jìn)入地下水中，因此包氣帶的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、厚度、有機(jī)物及微生物含量與分布規(guī)律等在很大 程度上決定著地下水是否易受到污染及其污染程度。鑒于關(guān)中盆地大多數(shù)灌區(qū)分布于黃土 地區(qū)，而且包氣帶多為馬蘭黃土。因此，本文以三氮在馬蘭黃土包氣帶遷移轉(zhuǎn)化為出發(fā)點(diǎn)， 以馬蘭黃土中與三氮有關(guān)的微生物及馬蘭黃土反硝化強(qiáng)度為主線，以原位試驗與室內(nèi)實(shí)驗 為手段，通過深入系統(tǒng)的研究，揭示三氮在馬蘭黃土包氣帶遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及氮循環(huán)與微 生物作用機(jī)理，從而為分析三氮在黃土包氣帶遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理，評價地下水污染程度以及治 理提供科學(xué)依據(jù)。 第二節(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題 氮對所有活著的生物體都是必不可少的元素，對植物來說，氮是最重要又是最難管理 的營養(yǎng)元素。人類現(xiàn)代化的生活在很大程度上得益于氮的開發(fā)利用，化肥的推廣施用保證 了幾十億人的豐衣足食。然而到本世紀(jì)6 0 年代，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)飲用水中硝酸鹽的增加 成為棘手的環(huán)境問題。隨著硝酸鹽污染危害證據(jù)的積累，硝態(tài)氮污染逐漸成為全世界的熱 門課題。7 0 年代初期，美國有十一位農(nóng)學(xué)家組織了一個“硝態(tài)氮累積討論會”( c o m m i t t e e o nn i t r a t ea c c u m u l a t i o n ) 【6 】，比較全面地探討了硝酸根在環(huán)境中累積問題，建議化肥使用 數(shù)量應(yīng)有限制，氮肥的利用率需要提高，以利于減少氮素在土壤中的向下淋濾而造成地下 水污染。之后，國際學(xué)術(shù)組織召開了一系列的有關(guān)學(xué)術(shù)討論會，著名的有1 9 7 5 年在丹麥 哥本哈根召開的水體氮污染會議【6 】；1 9 7 6 年瑞典的第3 8 屆諾貝爾氮專題討論會例；1 9 8 7 年在澳大利亞召開的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)研究進(jìn)展國際學(xué)樹寸論急1 9 9 2 年蘸i 薹國自鴝昵 阿湊礎(chǔ)晰穢雕解嘛熱舊e 匍賻刮墑窟挲柄書鹺磐爺羽瓣睛鍺有為弗徽 曰干。棚，氮污 染的研究開始于7 0 年代末，到1 9 8 2 年，由中國科學(xué)院環(huán)境科學(xué)情報網(wǎng)在大連組織召開“環(huán) 境中氮污染與氮循環(huán)”學(xué)術(shù)討論會叫，總結(jié)了有關(guān)研究的前期工作，推動了以后工作的發(fā)展。 2 1 地下水三氮污染研究現(xiàn)狀 天然條件下淺層地下水的三氮主要來源于大氣降水和土壤水，其存在形式以n o ；n 為 主體，濃度可達(dá)數(shù)m g l ，有學(xué)者將淺層地下水中n o ：一n 濃度4 4 m g 1 作為自然界氮循環(huán)是 否處于平衡狀態(tài)或淺層地下水是否受到污染的判別標(biāo)準(zhǔn)。天然條件下n h ：n 含量低于 0 2 m g 1 ，厭氧的地下環(huán)境n h ：一n 可高達(dá)3 m g l ，一般情況下n o ；n 濃度為o 3 m g 1 8 】。 當(dāng)?shù)叵滤h(huán)境呈還原條件，或進(jìn)入地下水的n i - i ；濃度過高，地下水中會表現(xiàn)n h ：污染 的特征。地下水中，n o ；一n 含量總是小于n h ：n 、n o ；n 的濃度，但是由于n o ；一n 的化 學(xué)性質(zhì)和環(huán)境毒性大，n o ；- n 的存在常被視為重要的氮污染標(biāo)志。含水層對氮的自凈能力 極為有限，且氮污染地下水具有后遺效應(yīng)，使得氮污染地下水的環(huán)境危害重大。 據(jù)北京市環(huán)境監(jiān)測總站的監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù) 9 】，1 9 7 8 年北京郊區(qū)調(diào)查的2 7 9 眼井中，n o ；含 量超標(biāo)的有9 7 眼井，占5 3 。北京市環(huán)境質(zhì)量報告書中指出，在1 9 8 0 年，地下水中n o ；含 量超過4 5 m g l 的污染超標(biāo)面積近2 0 0 k i n 2 ，有的水源廠出廠的水中n o ；平均含量已經(jīng)超過 1 0 0 m g l 。據(jù)1 9 8 6 1 9 9 2 年連續(xù)7 年的小區(qū)監(jiān)測結(jié)果表明，北京地區(qū)因降雨帶來的土壤中 下滲水中的氮以硝態(tài)氮為主，下滲水中的含氮量與施氮量呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系。當(dāng)施氮量 為1 5 0 k g 1 1 i 】a 2 時，隨下滲水損失的氮量為3 0 4 2 k g h m 2 ：施氮量為3 0 0k g h m 2 時，氮的損 失量為7 9 5 蠔。天津市地下水受n o ；的污染更加令人擔(dān)憂。天津地區(qū)潛水由于受工業(yè)廢水 和生活污水滲漏的影響，水質(zhì)很差，已經(jīng)不能作為供水水源，而淺層地下水水質(zhì)的好壞又直 接關(guān)系到深層承壓水的水質(zhì)情況。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)承壓水中n o ；、n h ：含量呈升高的趨勢。 據(jù)水利部海河委員會水保局1 9 9 6 年9 月對唐山地區(qū)地下水水質(zhì)的普查監(jiān)測統(tǒng)計資料，已發(fā) 現(xiàn)地下水n o ；含量高值區(qū)的存在。在1 1 1 眼觀測井中，n o ；含量超標(biāo)( 2 0 m g l ) 的已有 2 4 眼，占2 1 6 。 目前，地下水三氮污染的分析測試方法，除普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)分析方法外，還有許多新的 方法和改進(jìn)法。王瑜、孫元喜、冶保獻(xiàn)等采用聚中性紅膜修飾電極法測定痕量n o ；盧桂 蘭、張東瑾、馬延瑞等用新的分光光度法測定水中硝酸鹽的含量；曲秀花、葉明亮、楊明慶 等采用雙波長光度法測定水中硝酸鹽。除以上人工采樣、實(shí)驗室分析的方法外，為了更準(zhǔn)確 系統(tǒng)地了解地下水中的三氮含量、變化規(guī)律，需要進(jìn)行定點(diǎn)、定時、長期連續(xù)的監(jiān)測，需要 自動分析測試和現(xiàn)場測試，在此方面也取得了一定的進(jìn)展。張國棟、張曼平、李慧玲等進(jìn)行 了海水中氨氮現(xiàn)場自動監(jiān)測技術(shù)化學(xué)工藝及試劑保存方法優(yōu)化研究。周雯、史嘯勇，s m a r t 現(xiàn)場分析儀測定化學(xué)需氧量、氨氮。李華明進(jìn)行了硝酸根電極法測定地下水中亞硝酸鹽氮的 研究t 8 1 。 三氮循環(huán)轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性、影響因素的多樣性，使得三氮分析樣品的獲取困難。在實(shí)驗室 內(nèi)，經(jīng)典的土柱實(shí)驗法因其經(jīng)濟(jì)、靈活的特點(diǎn)，仍占主要地位?；靥钔潦綕B濾池方法，最接 近于實(shí)際條件喁】，一旦建成可以長期觀測研究，但投資大、周期長，使用條件高；現(xiàn)場模擬 灌溉實(shí)驗【8 1 與回填土法有些相似，但是操作較簡單，因而使用范圍廣。”n 同位素技術(shù)也為 三氮循環(huán)遷移轉(zhuǎn)化研究作出了較大的貢獻(xiàn)。 地下水三氮遷移轉(zhuǎn)化研究的第二個方面是依據(jù)其動力學(xué)規(guī)律建立數(shù)值模型，這是該項 研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，現(xiàn)已取得一定的進(jìn)展。研究者在不同環(huán)境條件下，從各自的角度開展 對三氮遷移循環(huán)的規(guī)律和模型研究。 地下水n o ；一n 的遷移過程包括兩個步驟，一是土壤中的氮循環(huán)( 包括硝酸鹽的滲出) ， 二是硝酸鹽遷移轉(zhuǎn)換。從農(nóng)學(xué)角度，學(xué)者們已經(jīng)對土壤中的氮素進(jìn)行了大量的工作，對土 壤孔隙水中的氮遷移循環(huán)建立模型，土壤水、熱和氮素聯(lián)合模型，田問非飽和流條件下土 壤硝態(tài)氮運(yùn)移模型，農(nóng)牧結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的動態(tài)模型，田間一維飽和一非飽和土壤中 n h ；n 和n o ；n 運(yùn)移與轉(zhuǎn)化耦合模型【8 】。三氮遷移轉(zhuǎn)化過程中的質(zhì)量不守恒問題及其數(shù) 值模擬方法的研究n 。 地下水中n o ；n 的行為模擬取得了一定進(jìn)展，如硝酸鹽在含水層中的遷移規(guī)律模擬， 在區(qū)域水文地質(zhì)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化模型的建立，以及解析方法的應(yīng)用，或嘗試將包氣帶與 飽水帶聯(lián)系起來，建立非飽和土層一潛水含水層水動力彌散聯(lián)合數(shù)學(xué)模型等【8 】。 開展地下水三氮污染狀況的調(diào)查、污染機(jī)理以及建立模型工作，其目的是為防治地下 水的三氮污染。地下水三氮朽染的防治表現(xiàn)在兩個方面：一是政策管理防治，對于工業(yè)“三 廢”造成的地下水三氮污染，嚴(yán)格執(zhí)行“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的方針，控制污染源：實(shí) 施排污許可制度，確定排污標(biāo)準(zhǔn)和總量等等；對于城市生活垃圾及污水造成的地下水污染， 采取下水道系統(tǒng)的改造和建設(shè)，實(shí)現(xiàn)雨污分流，建立生活垃圾衛(wèi)生填堙廠，實(shí)現(xiàn)垃圾無害 化處理，禁止采用滲坑、滲井等排放各種污水；對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的污染，防止污灌、合 理施用化肥、合理灌溉排水減少氮肥流失等。二是治理技術(shù)，地表水三氮處理有很多成熟 技術(shù)，如離子交換法、沸石交換法、生物膜處理法、浮游生物處理法 8 1 等。目前，文獻(xiàn)報 道的地下水處理技術(shù)有生物脫氮法、注水法、離子交換法、流域保護(hù)法、工程技術(shù)措施疆1 等。尤其是生物脫氮法是比較成熟的處理方法。趙林【1 1 12 】等進(jìn)行的地下水人工微生物除氮 實(shí)驗研究的理論與方法的研究。系統(tǒng)地進(jìn)行了利用人工微生物進(jìn)行地下水氮污染控制與治 理實(shí)驗研究的理論及方法的研究，通過實(shí)驗研究了脫氮細(xì)菌的培養(yǎng)、馴化及脫氮效率的研 究和地下水人工微生物除氮實(shí)驗?zāi)M。工程技術(shù)方法研究較多，有抽取深部n oi n 濃度 低的水混合、隔離抽出n o ；n 濃度高的地下水嘲。國外有些國家采取( 1 ) 推廣最低氮化 肥用量法；( 2 ) 強(qiáng)化取水井周圍地下蓄水層反硝化作用；( 3 ) 地上脫氮設(shè)備處理等方法降 低飲用水中硝酸鹽氮的濃度“引。 2 2 包氣帶氮荇染研究現(xiàn)狀 包氣帶是指地面以下潛水面以上的地帶，又稱非飽和帶。此帶是大氣水、地表水、土 壤水同地下水相互轉(zhuǎn)化的地帶，是地表、土壤污染物進(jìn)入地下水的通道。也是大氣圈、生 物圈、巖石圈、水圈之間物質(zhì)、能量傳輸、轉(zhuǎn)換的樞紐地帶，又是圈層問相互作用最為敏 感、對人類生存的生態(tài)環(huán)境影響最為巨大的地帶。在包氣帶中，氣相、液相、固相多相并 存，多種微生物共生，這曼 緒豹?dú)灻樽睦t厶包氣 割喇啦嚷靜蓐啄是自然尉明聰循唰耀自要組 4 成部分【1 4 。 包氣帶是地下水中污染物的必經(jīng)之地，包氣帶中的氮循環(huán)和地下水中的氮素的遷移具 有各自的特點(diǎn)，但是相互聯(lián)系、互為依存。要治理地下水中的氮污染，最有效的途徑是在 包氣帶中治理污染物。只有將包氣帶一飽和帶地下水中的行為有機(jī)結(jié)合起來，才能提出積極 有效的污染控制措施，防止地下水污染進(jìn)一步發(fā)生【8 j 。 由于過量施肥或施用不當(dāng)引起的環(huán)境污染是一種非點(diǎn)源污染。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染由化肥、 農(nóng)藥、農(nóng)田土粒以及其它有機(jī)或無機(jī)污染物質(zhì)引起。其中主要是由化肥和農(nóng)藥引起的 1 5 1 。 包氣帶中三氮之間的遷移轉(zhuǎn)化過程的定性研究較成熟。n h ：進(jìn)入包氣帶，經(jīng)粘土礦物的 固定、生物固定、氨揮發(fā)、淋濾、土壤顆粒的吸附等作用后，其余部分在微生物作用下發(fā) 生硝化作用轉(zhuǎn)化為n o ；n ；硝化作用需要消耗氧氣和堿度，p h 值的降低和升高以及氧氣的 減少，會減緩硝化作用的進(jìn)行；n o ；- n 不穩(wěn)定，易于變化，最終進(jìn)入地下水的形式主要是 n o i n 。許多實(shí)驗和現(xiàn)場研究表明，n h n 進(jìn)人土壤后，在包氣帶土層的淺表層被迅速吸 附而減少。在不同土壤剖面上n h n 的起始濃度隨土壤剖面深度的增加而下降，n o ；一n 在地下水中含量迅速增加，形成淺層地下水的n o ；一n 污染。由于土層具有一定的凈化能力， 所以三氮的濃度會有所下降，但是如果超過土層的凈化能力，三氮對地下水的污染必然產(chǎn) 生。 據(jù)朱濟(jì)成、田應(yīng)錄 1 6 1 在北京地區(qū)所做的研究：地下水n o ；n 含量隨表層粘性土厚度的 變化而變化；表層粘性土厚度小于2 m 的地區(qū)，一般是河流中洪積扇的頂部地區(qū)，含水層為 單一砂卵礫石曾，地下水徑流條件好，水體交替強(qiáng)烈，稀釋凈化能力強(qiáng)。地下水n o ；一n 含 量低。當(dāng)表層粘性土厚度為2 5 m 時地下水n o ；n 最大，因為表層粘性土厚度為2 5 m 的地區(qū)，一般處于地下水的溢出地帶，含水層由單一層次變?yōu)槎鄬樱瑤r性與粒徑由粗變細(xì)、 由大變小，地下水流運(yùn)動受阻、滯緩，n o ；- n 極易在地下水中富集。當(dāng)表層粘性土厚度大 于5 m 后，地下水n o ；n 含量隨深度的增加而降低。表層粘性土大于5 m 的地區(qū)，表層土 以砂質(zhì)粘土為主，垂直透水性差，地下水防護(hù)條件好，地表污染物難以滲入含水層。當(dāng)土 層厚度超過5 1 0 m ，即地下水位埋藏深度大于5 1 0 m ，污染物從地面土壤向下擴(kuò)散、滲 透，最多只有5 能夠進(jìn)入地下水中。由此可以看出，包氣帶對地下水中n o ；n 含量影響 很大。 中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所的任福弘等【l 卅在河北平原正定試驗場的剖面 上測定了0 1 8 m 的剖面上不同深度土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，以及細(xì)菌總數(shù)、硝化菌、反硝 化菌、固氮菌和脫氮菌的數(shù)量。結(jié)果表明在剖面上，微生物的變化趨勢與三氮分布具有良 好的對應(yīng)關(guān)系。而且在9 5 1 2 3 m 為微生物分布的高值段，以及在1 6 9 1 8 4 5 m 微生物活 動又有所增強(qiáng)。而且發(fā)現(xiàn)微生物的分布與有機(jī)質(zhì)的分布具有良好的相關(guān)性，說明在深層土 壤，只要有有機(jī)質(zhì)，就會有相當(dāng)數(shù)量的微生物。這對于防止地下水中的污染有著非常重要 的作用。 在灌溉施肥條件下，土壤中氮素的遷移轉(zhuǎn)化的模型計算大多采用了l e a c h n 模型n ”。 l e a c h n 模型是美國康乃爾大學(xué)2 0 世紀(jì)9 0 年代研究開發(fā)的數(shù)學(xué)模型。該模型描述土壤中 水分和氮素遷移轉(zhuǎn)化過程，采用r i c h a r d 方程描述土壤水非飽和運(yùn)動，及對流擴(kuò)散方程描述 土壤中的氮素遷移轉(zhuǎn)化，并能夠考慮諸多因素對土壤水分和氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響，如降雨灌 溉、地表蒸發(fā)、土壤剖面溫度分布、作物根系的不同分布對水分和養(yǎng)分吸取等，l e a c h n 模型已成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。如張思聰?shù)取痹谔粕绞修r(nóng)業(yè)區(qū)一試驗地從1 9 9 6 年l o 月到 1 9 9 7 年1 2 月的大量田間土壤水分和氮素的實(shí)測數(shù)據(jù)，對l e a c h n 模型進(jìn)行基本參數(shù)的率 定和模型的檢驗，調(diào)參和檢驗的結(jié)果說明l e a c h n 模型是合理和可行的。羅陽嘲等利用 l e a c h n 模型求解田間土壤中氮素的遷移轉(zhuǎn)化問題。結(jié)果表明l e a c h n 模型是合理可行的， 可以應(yīng)用l e a c h n 模型對不同方案，如不同的灌溉量、不同的施肥量以及不同水平年的降 雨等條件進(jìn)行組合模擬計算，以期對氮素在土壤根區(qū)以下淋溶損失及其主要影響因素進(jìn)行定 量的分析，并對化肥、農(nóng)家肥的施用對淺層地下水所造成的潛在污染進(jìn)行初步的分析和評價。 l e a c h n 模型能夠考慮田間條件下土壤中的土壤水和氮素的聯(lián)合遷移轉(zhuǎn)化過程，并在模擬 中考慮了氮素的作物根系吸收、土壤的吸附、礦化作用及硝化反硝化等一系列的生化物理過 程，以及土壤中熱流和水分對各種過程的影響，故利用該模型進(jìn)行模擬計算。充分利用了田 間觀測點(diǎn)長期的監(jiān)測和收集數(shù)據(jù)，對l e a c h n 模型進(jìn)行了調(diào)參和檢驗。土壤剖面上模擬計 算值和實(shí)測值吻合較好，趨勢一致，說明該模型合理可行。 目前包氣帶污染的處理方法有”： 1 換土法：將遭受嚴(yán)重污染的土層移走，換上能增加自凈能力的土層或其它覆蓋物。但 是此方法很難換掉整個污染區(qū)的土壤。 2 淋濾沖洗法：用清水或加入特定化學(xué)方法及生物成分的溶液進(jìn)行沖洗，使污染物與化 學(xué)或生物成分作用而降解或溶解帶走。此方法較難將沖洗液輸送到低滲透區(qū)，凈化所需時間 長。 3 電動處理法：利用在孔隙介質(zhì)中產(chǎn)生靜電場和電流使污染物發(fā)生運(yùn)動，帶正負(fù)電荷的 電子在電場作用下分別在電極附近自動富集，然后再配淋濾液或灌漿等措施把污染物限定或 清除。此方法很難根除整個污染區(qū)的污染質(zhì)。 4 熱熔玻璃法：在土內(nèi)插入電極，當(dāng)通入巨大電流時，污染物經(jīng)高溫分解、熔化掉。但 是此方法對土壤環(huán)境破壞性大，且很難將熱均勻輸送到整個污染區(qū)。 5 微生物處理法：污染質(zhì)的地下微生物處理技術(shù)已受到重視，具有發(fā)展前景的技術(shù)方法， 也是地質(zhì)環(huán)境凈化方面的熱點(diǎn)。采用井流系統(tǒng)、溝槽系統(tǒng)和小型洞室反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行氮污染質(zhì) 的地下微生物處理已有成功的事例，有些已在實(shí)際中運(yùn)行：微生物處理包氣帶污染是通過向 土壤中輸送物質(zhì)促進(jìn)能降解污染物的微生物生長達(dá)到除去目的。此方法是目前采用比較普遍 的方法。姜桂華“踟等通過三種不同介質(zhì)中對比研究了在人工細(xì)菌作用下的脫氮實(shí)驗和無人工 細(xì)菌作用下的脫氮實(shí)驗。結(jié)果表明，在不同介質(zhì)土柱中人工微生物對已經(jīng)遭受氮污染的環(huán)境 有一定的凈化能力，在有碳源時，細(xì)菌治理效果好，脫氮率可達(dá)9 5 。而且隨著時間延長， 細(xì)菌仍能保持這個治理效果，而且治理較徹底。在無碳源時，細(xì)菌有一定治理效果，脫氮率 達(dá)8 0 左右，但是隨實(shí)驗時間延長，其治理能力降低，而且治理不徹底。但是微生物治理包 氣帶中氮污染也存在一定的問題，如較難將營養(yǎng)物質(zhì)輸送到低滲透帶，而且有可能引起新的 污染問題。微生物繁殖有可能導(dǎo)致包氣帶堵塞問題。都需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。 2 3 存在的問題 由于三氮污染的廣泛性和嚴(yán)重性，許多學(xué)者都針對不同的土壤進(jìn)行了很多的研究。但 是在很多方面都存在著一些問題或薄弱環(huán)節(jié)，有待于進(jìn)一步研究和完善。主要表現(xiàn)在： 1 重視對地下水中三氮污染的研究，而忽略包氣帶中三氮污染的研究，尤其是機(jī)理研 究還相當(dāng)薄弱。 2 研究包氣帶中三氮轉(zhuǎn)化規(guī)律時，主要通過室內(nèi)土柱模擬實(shí)驗，或者在野外僅在表層 ( 耕作層以上) 進(jìn)行取樣分析。缺乏系統(tǒng)地包氣帶整個剖面上的研究。 3 在建立模型時，沒有考慮微生物作用的影響。事實(shí)上微生物是影響包氣帶中三氮轉(zhuǎn) 化的最主要因素。尤其在黃土包氣帶中系統(tǒng)研究與三氮有關(guān)的微生物分布規(guī)律以及氮循環(huán) 與微生物作用機(jī)理未見報道。 第三節(jié)論文研究的內(nèi)容及技術(shù)路線 3 1 研究目標(biāo) 本文以關(guān)中盆地馬蘭黃土包氣帶中三氮轉(zhuǎn)化機(jī)理以及與三氮相關(guān)的微生物為主要研 究目標(biāo)。通過現(xiàn)場原位試驗和室內(nèi)實(shí)驗，揭示三氮在馬蘭黃土包氣帶中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及 與三氮相關(guān)的微生物的分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，分析馬蘭黃土包氣帶中氮循環(huán)與微生物作 用機(jī)理，為地下水及包氣帶中氮污染模擬、分析與治理提供科學(xué)依據(jù)。 3 2 研究的主要內(nèi)容 1 在廣泛收集資料，進(jìn)行關(guān)中盆地氮污染現(xiàn)狀調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，選取典型地區(qū)進(jìn)行 三氮轉(zhuǎn)化現(xiàn)場原位試驗，研究特定條件下馬蘭黃土中三氮轉(zhuǎn)化規(guī)律。 2 探討引起三氮轉(zhuǎn)化的物理、化學(xué)、生物因素，分析轉(zhuǎn)化機(jī)理 3 根據(jù)原位試驗結(jié)果，進(jìn)行微生物分布實(shí)驗，重點(diǎn)研究馬蘭黃土與三