华北山区平原过渡带地下水硝酸盐来源与迁移转化规律研究

Nitrate contamination of groundwater has been a common water problem in the world which has greatly threatened environment and public health. The major recharge area of North China Plain is located in the mounatin area, where the anthropogenic activities are concentrated in the hill area. The investigation of the sources, transport paths, and fate of nitrate in groundwater of the hill area is critical for the water resource safety of the plain area.In this project,the Hilly Ecosystem Experimental Station in Taihang Mt.and the basin including the experimental station are selected as the study area to examine the impacts of various land use types on the nitrate concentration of groundwater and to analyze the fate of nitrate along the groundwater flow path from hill area to plain area. Based on the hydrological observations, both nitrogen and oxygen isotopes of nitrate will be analyzed using a multi-tracers method and the groundwater dating method to achieve our goals. This study will provide the theoretical advancements and empirical evidence for preventing the groundwater quality from deterioration and it will be enssential to understand the impacts of the hydrological processes associated with surface water and groundwater on the transport and transformation of nitrate in groundwater for the agro-forest ecology system.

地下水硝酸盐污染已经成为全世界地下水污染的普遍问题，严重威胁着人类健康和环境安全。华北山区是平原区地下水的主要补给区，位于山区平原过渡带的低山丘陵区，人类活动比较频繁，研究低山丘陵区地下水硝酸盐污染源、污染路径以及迁移转化规律对华北平原区的水资源安全具有重要作用。本项目选取华北山地平原过渡带农林业活动频繁的太行山山地生态试验站为观测场，以试验站所在的典型流域为研究区，将应用定点、定期水文观测，以硝酸盐氮氧同位素为主，结合多种环境和年龄示踪的方法，在识别地表水和地下水作用关系、地下水流系统的基础上，研究土地利用变化对地下水中硝酸盐的影响，分析从山区到平原区沿地下水流动路径硝酸盐的迁移转化规律，将为解决华北地区日益尖锐的人类活动和水环境问题之间的矛盾提供依据，为防止下游平原区地下水水质恶化提供重要的参考意义；对明确农林生态系统地表水和地下水水文过程对硝酸盐氮迁移转化的影响具有重要科学意义。

太行山低山丘陵区属于华北山区平原过渡带，是典型的农林复合生态系统，人类活动频繁、土地利用类型多样，自然因素和人为因素的氮源混合存在，不同土地利用类型氮输入对地下水硝酸盐浓度的影响过程和机制尚不明确，近年来该区域地下水硝酸盐浓度具有逐年升高的趋势。因此本项目以中国科学院太行山生态试验站点尺度，选择试验站所在的潴泷河流域作为太行山低山丘陵区的流域尺度，通过开展不同土地利用下降水、土壤水和地下水的定位观测，结合同位素示踪及模型模拟，识别并定量区分地下水中硝酸盐氮来源。研究得出主要结论包括：（1）阐述了降水补给地下水过程的特征，明确了土壤水运动方式，证实了平水年无大暴雨时，降水主要以“活塞流”的方式补给地下水，且降水在入渗过程中存在着很强的混合作用，农田耕作特别是极端降水条件下土壤水运动方式会发生改变，降水主要以“优先流”形式补给地下水；（2）明确了土壤包气带氮淋滤规律，发现土壤硝态氮淋溶主要发生在夏玉米季（雨季），当轮作周期施氮量为300kg/hm2时，2013（枯水年）、2015（平水年）和2016年（丰水年）玉米季硝态氮淋失量均值分别占轮作周期总施氮量的9、10和20%；当施氮量为450kg/hm2时，2013（枯水年）、2015（平水年）和2016年（丰水年）玉米季硝态氮淋失量均值分别占总施氮量的11、17和30%；（3）量化了不同土地利用类型地下水硝酸盐氮来源及影响因素，平水年，自然植被地下水硝酸盐主要来源是土壤和降水，有机肥是农田和经济林地下水硝酸盐主要来源，贡献率分别为55%～81%和46%～82%，人畜粪便是居民区地下水硝酸盐主要来源，贡献率为45%～69%；而降水条件的变化增加了对地下水的补给和包气带氮的淋失量，引起地下水硝酸盐浓度严重超标，同时也改变了不同来源的氮对地下水硝酸盐的贡献率。研究结果对于山区平原过渡地区科学合理的土地利用、施肥、灌溉、地下水保护和管理具有重要的理论价值和实用性，并且为阻控地下水硝酸盐从山区向平原区迁移提供理论依据。

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