红壤丘陵区农业小流域浅层地下水硝酸盐污染来源动态及产生机理

地下水硝酸盐污染已经成为世界性的环境问题，化肥、有机肥、污水、土壤有机质、大气氮沉降被证明是农业小流域浅层地下水硝酸盐污染的重要来源。应用双稳定同位素示踪技术可以对农业小流域硝酸盐进行溯源研究、量化硝酸盐不同来源贡献率。本研究依托中国生态系统研究网络(CERN)千烟洲农业生态站，拟选择典型红壤丘陵区农业小流域（松塘小流域），在小流域中利用野外长期定位监测技术，结合化学分析和双同位素示踪技术，研究化肥、有机肥、生活污水、土壤有机质、大气氮湿沉降对农业小流域浅层地下水硝酸盐污染贡献率季节动态的影响。结合小流域长期施肥控制试验，利用负压法采集土壤溶液，量化不同施肥种类（化肥、有机肥）、施肥水平（低、中、高）对土壤淋失硝酸盐贡献率的季节动态，揭示小流域浅层地下水硝酸盐污染产生机理。研究结果可以为农业小流域水环境硝酸盐污染管理提供科学数据和依据。

本研究依托千烟洲生态站，选择松塘小流域为研究对象，利用野外长期定位监测技术，结合化学分析和双稳定同位素示踪技术，确定农林复合小流域浅层地下水、地表水NO3-来源、季节动态。依托红壤稻田1998年建成施肥控制试验，利用负压法采集土壤溶液，研究化肥、有机肥、秸秆还田不同施肥方式以及化肥高、中、低施肥水平对土壤淋失氮素形态、含量、季节动态的影响。结果表明：农田生态系统水体NO3-污染显著高于森林等其他生态系统水体污染，综述已有数据，发现我国粪肥及污水δ15Nnitrate为3 ‰ ~ 17 ‰，土壤中δ15Nnitrate为3 ‰ ~ 8 ‰，大气降水中δ15Nnitrate为 – 9 ‰ ~ 9 ‰，化肥中δ15Nnitrate为 – 2 ‰ ~ 4 ‰。在松塘小流域内，大气湿沉降中NO3-含量平均为1.23 mg N L-1, 氨态氮 （NH4+-N）含量平均为0.99 mg N L-1；NO3-沉降通量为0.15-1.45 kg N ha-1 month-1，NH4+沉降通量为0.07 ~ 1.32 kg N ha-1 month-1；全年NO3-沉降通量为8.2 kg N ha-1 year-1，NH4+沉降通量为5.11 kg N ha-1 year-1。千烟洲松塘小流域受人类活动影响较小水体中，δ15Nnitrate值变化范围为5.6 ‰ ~ 10.7 ‰，δ18Onitrate值变化范围为1.2 ‰ ~ 6.6 ‰，表明NO3-主要来源于植物或土壤有机物质分解。在鱼塘、稻田浅层地下水、饮用水井中，δ15Nnitrate值变化范围为11.7 ‰～ 29.4 ‰，δ18Onitrate值变化范围为0.1 ‰～13.6 ‰，表明NO3-主要来源于有机肥和污水。在水稻的整个生长过程中，施用猪粪在水稻返青期与分蘖期土壤中氮素淋失最严重。施用猪粪增加了土壤中细菌、真菌、放线菌量，增加了土壤中β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶活性，促进了有机氮矿化产生无机氮。研究结果表明，该小流域菜地、鱼塘中施用鸡粪、猪粪等有机肥对附近农户的饮用水带来明显NO3-污染，而在稻田淹水情况下，由于发生明显的反硝化作用，施肥对地下水NO3-污染风险不大。由于南方菜地、鱼塘距离饮用水井较近，建议未来谨慎使用有机肥，并考虑将饮用水井远离该两种利用类型区域，并将饮用水井加深，从而减少NO3-污染。