氮在地下水系统中的迁移转化挤数学模型摘要：近年来，我国部分地区地下水硝酸盐污染态势十分严峻，特别是集约化种植区由于施用大量氮肥导致的硝酸盐污染更为严重。
为控制污染，应掌握地下水硝酸盐污染的空间变异规律与分布特征。
采用地统计学方法.结果表明，不同区域地下水硝态氮含量存在一定的差异，存在明显的趋势效应以及变异性，且含量随地下水深度增加而减少。
通过相关性分析，获得与地下水硝态氮含量相关性最高的两个因子（土壤有机质含量和全氮含量），并作为协克里金（Cokriging）插值方法中的协同因子，地下水硝酸盐污染进行插值。
经比较分析，协克里金法比普通克里金法（OrdinaryKriging）的精度高，减少了80％的平均误差。
协克里金法空间插值结果表明，空间分布规律表现在从西南到东北逐渐升高的方向性效应，而地下水硝态氮含量较高的区域主要分布在潍坊、青岛、烟台种植区，如青岛的平度、莱西，潍坊的寿光等农业较发达的种植区。
关键词：地下水硝酸盐污染；空间变异；地统计；协克里金法Abstract：In recent years, groundwater nitrate pollution in some regions of China is very serious. Especially，nitrate pollution in intensive cultivationareas is more serious for the application of a large number of nitrogen fertilizer. The objective of this preliminary research is to investigatethe potential of application geo statistical method to explore spatial variability of groundwater nitrate pollution in Shandong intensivefarming regions in China. Detailed sample data of groundwater nitrate nitrogen were collected in 175 farming sites representing the typicalcropping systems in the study area. Semi-variole of the geo-statistical method was used to analyze the groundwater nitrate nitrogen spatialvariability based on the 175 sample sites data. The results indicated that there was an obvious variability and trend effect that gradually increasingfrom the southwest to the northeast. Furthermore, the concentration decreased with the increase in the depth of groundwater. For obtainingthe spatial variation of groundwater nitrate nitrogen in the whole study area, cokriging method was utilized to interpolate the groundwaternitrate nitrogen pollution with two synergy factors（e.g. soil organic matter content and total nitrogen content）which were the most obviousrelevant with groundwater nitrate nitrogen concentration. Compared with ordinary cringing method, cokriging method achieved higher precisionwith a decrease of 80% of the average error. Cokriging spatial interpolation results showed that areas with higher nitrate nitrogen concentration in groundwater mainly distributed in Weifang, Qingdao, and Yantai intensive farming regions, due to the excessive use of nitrogenfertilizer in these regions. The result suggested that the cokriging spatial interpolation was an effective approach of obtaining the groundwater nitrate nitrogen spatial variability in intensive farming regions. The possible reasons for thespatial variation and distribution characteristics of groundwater nitrate nitrogen were discussed.Keywords：groundwater nitrate pollution; spatial variability; geo statistics; cokriging世界上可供人们使用的淡水只有4.9%，而其中有68%是地下水。
地下水是许多人的重要水源，甚至是惟一的饮用水源。
随着地表水污染的加重而不适合作为饮用水源，人们对地下水的依存程度将不断上升。
然而，无论是在工业发达国家还是发展中国家，由于农村地区大量氮素化肥的施用，生活污水和含氮工业废水的未达标排放及其渗漏，固体废弃物的淋滤下渗，污水的不合理回灌，以及地下水的超量开采等，导致地下水中硝酸盐氮浓度呈上升趋势，成为一个重要的环境问题。
1 地下水硝酸盐污染的过程及危害1.1 硝酸盐污染的来源水污染主要是由于人类的工农业生产和其他社会活动所造成的,地下水中硝酸盐的污染也是如此。
农业施肥、生活污水和含氮工业废水的渗漏、固体废弃物的淋滤下渗、污水的回灌、大气沉降等都会引起地下水中硝酸盐浓度的上升[3]。
1.2 农业施肥造成的污染自20世纪初实现氮素化肥的人工合成以来,全球农作物单位面积产量的大幅度提高在很大程度上依赖于氮素化肥施用量的不断增加。
2002年,我国化肥的施用量达433.9亿kg,其中氮肥215.7亿kg,约占50%。
已有研究表明,过量施用的氮肥仅有30%~40%被农作物吸收利用,大部分氮肥经各种途径进入环境中,尤其是径流和淋溶损失造成许多地表水和地下水中的硝酸盐含量过高[4]。
有研究表明,地下水中的硝酸盐氮引起的污染与氮肥施用量成线性关系[5]。
1.3 生活污水和工业废水的污染任意排放的生活污水及未达标处理的一些工业废水直接排入江、河、湖、海等自然水体,污染地表水,受污染的地表水又经渗透作用进入地下水中污染地下水。
由于此类污水中含有大量的氨氮和有机氮化物,在微生物等的作用下,很容易转化成硝酸盐积累在土壤中,进而污染地下水。
据统计,1999年我国工业和城市生活污水排放总量为401亿t,其中工业废水排量为197亿t,占总排放量的49.1%。
工业废水和生活污水的排放导致全国78%的河湖水体和85%的城市附近水域遭受不同程度的污染,河水的污染进而影响了沿岸地区地下水水质[6]。
1.4 固体废弃物的渗滤下渗污染我国人口众多,居民的生活垃圾数量也很大。
固废和生活垃圾占用大片土地,通过降雨的淋滤渗漏会使污染物随雨水渗入地下含水层,对地下水造成污染。
城市生活垃圾含氮量很高,通过对某水源井区垃圾堆放场附近水源井的监测表明,垃圾渗滤液对地下水有明显的污染,井群周围地下水中硝酸盐含量平均每年以2.6mg/L的速度升高[7]。
另外,由于畜牧业、养殖业的迅速发展,造成其周围的畜禽粪便大量堆积,引起区域性地下水水质污染越来越严重。
如美国农场每年由于畜禽粪便的堆积而进入环境中的氮约有650万t。
些粪便垃圾中所含的氮经淋溶下渗作用进入土壤后,再进一步进入地下水中并被转化为硝酸盐。
所以农场或养殖场周围的地下水中硝酸盐均明显超标,是潜在危险较大的污染源[8]。
1.5 污水回灌引起污染为了缓解水资源短缺及缺水地区或干旱缺水季节灌溉水源不足的问题,污水灌溉得到了广泛应用。
据统计,我国污水灌溉农田面积从1963年的4.2万hm2发展到1998年的361.8万hm2,后者占全国总灌溉农田面积的7.3%[9]。
由于我国污水处理水平较低,污灌水严重超标,污染农田、对土壤和农作物形成危害,而且造成对地下水的污染。
污水灌溉是我国农村水环境恶化的主要原因之一,如北京一个污水灌溉区连续灌溉3年后,地下水中NH4+-N平均每年升高1.04mg/L[10]。
1.6 大气沉降汽车、火车、飞机、锅炉等燃烧石油类燃料、煤炭、天然气,会产生大量的氮氧化物。
大气中的氮氧化物通过干湿沉降到地面,溶于各类地表水,再进入地下水,造成地下水的污染。
有资料表明,美国每年通过大气沉降进入地下水的氮约有320万t[11]。
2地下水硝酸盐转化过程与机理一般认为,有机及无机氮转化为硝酸盐主要经历如下过程(如图1所示): 固化过程,大气中79%是氮气,而大多数生物不能直接利用氮气,通过闪电、生物固氮等自然固氮过程,可将大气中的氮气转化成一氧化氮或被固氮菌固定为无机氮化合物,就可以被植物利用[1]; 矿化-吸收过程,有机氮在微生物作用下被转化为NH4+-N并被植物吸收; 硝化过程,微生物将NH4+-N氧化成NO2--N,进而氧化成NO3--N; 反硝化过程,化合的氮以气态的氮(N2、N2O、NO、NO2)返回大气层中。
氮在饱和土壤层中迁移转化特征的研究表明:氮主要以硝酸根的形式污染地下水,其循环迁移与地下水运动密不可分[2]。
2.1地下水采样与硝态氮测定方法山东农科院于2006年11月利用遥感和地理信息系统技术，侧重于集约化种植区，进行研究区地下水硝酸盐污染抽样。