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河北平原地下水安全情势及施用农药化肥影响（第1页）

河北平原地下水安全情势及施用农药化肥影响*

张光辉1，2，刘中培1，张行南2，连英立1，严明疆1

（1-中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄050061；2-水文水资源与水利工程国家重点实验室，南京210024）

摘要：1970年河北平原年均化肥使用量仅为18。5万t，平均产生每公斤粮食施肥量14。6g；1985年农药使用量3。26万t，平均产生每公斤粮食施药量1658mg。至2005年，化肥使用量达到303。4万t，平均产生每公斤粮食施肥量增至116。8g，净增7倍；农药使用量8。08万t，平均产生每公斤粮食施药量增至3109mg，净增1451mg。农用化肥和农药在农田施用量不断提高，加之河北平原地下水补给量不断减少、开采量不断增大，已导致地下水的天然化学组分平衡遭到破坏，HCO3-Cl型地下水分布面积已由1985年的1250km2增至2005年的6980km2、HCO3-SO4型水由4210km2增大为16450km2、SO4-H2增大为1330km2、2增大1170km2。若按2000~2006年多年平均的雨水资源量、水资源总量和地下水资源量均承考虑，则每方的雨水资源、总水资源和地下水资源中化肥、农药含量分别为37。46gm3、249。96gm3、292。6gm3和996。1mgm3、6655。4mgm3、7792。3mgm3。1959年河北平原的石家庄地区地下水中NO3平均含量仅为2。35mgL，至2005年地下水中NO3平均值高达56。2mgL。因此，急需重视化肥、农药最佳施用量与粮食安全、地下水安全之间关系及对策研究。

关键词：河北平原；地下水安全情势；化肥农药；污染；最佳施用量

随着农田化肥和农药施用量的不断提高，它们伴随降水、灌溉水入渗补给地下水，已造成地下水化学组分及其浓度发生明显变化。从区域角度看，我国大部分地区化肥、农药施用量已经接近或者超过适宜用量，甚至有些地区已达到极限[1-19]。过量施用化肥、农药，不仅使农田生产成本增加，而且还对土壤、水资源、大气等生态环境造成负面影响[8-18]。河北平原该类问题更加严峻，因为该区是以开采地下水为主，开采量占总供水量的80%以上，农田区开采量占主导地位，且河北平原地下水系统已处于严重超采，农田活动对其影响愈来愈强烈[7，19-21]。一旦地下水遭受污染，治理将十分困难。因此，探究河北平原地下水安全状况与农田施用化肥、农药之间关系具有重大现实意义。

地下水中化学组成和浓度分布特征不仅是经长期地质历史作用过程，包括溶滤、离子交替-吸附、蒸发浓缩、脱酸和混合作用等而形成的，它们还与现代补给水源的化学组分状况有关，与农田施用化学物质的性状和数量有关。地下水中化学组分的多少在时空上是不断变化的，有毒有害污染物质伴随补给水分进入地下水中，严峻影响地下水可利用的安全性[7，19-21]。在河北平原，由于长期大规模超采地下水，已导致地下水动力场和水化学条件发生了急剧变化，地表的各类污染物质更容易进入地下含水层系统中，使地下水水质发生变化。本文重点关注区域地下水质量变化与农田施用化肥、农药数量和强度之间关联性，进行如下探讨。

1．天然条件下地下水化学组分特征

地下水矿化度（M）是反映其化学组分含量多少的重要指标。矿化度愈大，表明化学组分含量愈多，愈不利于安全利用。在河北平原，从山前平原至滨海带，地下水矿化度总的变化趋势是由低变高。在山前冲洪积平原，地下水矿化度一般小于1gL，重碳酸根（HCO3）和钙（Ca）、镁（Mg）离子相对百分含量较高。在中部冲湖积平原，地下水的化学组分与类型复杂，主要有重碳酸-硫酸盐（HCO3-SO4）型、硫酸-重碳酸盐（SO4-HCO3）型地下水。在冀东平原，硫酸根（SO4）离子百分含量低，氯（Cl）离子逐渐增高，缺少硫酸盐为主的地下水。在滨海冲海积平原，以氯化钠（a）型地下水为主，矿化度普遍较高，微咸（1~3gL）、半咸水（3~5gL）和咸水（5gL）埋藏较多。

2．地下水质量变异状况

2。1区域特征

近30年来河北平原地下水水质总体上呈现劣变态势，地下水的矿化度、硬度和主要离子含量均发生较大变化，尤其是地下水开采程度高、地表环境及土壤污染较重的地区。

从浅层地下水的水化学类型来看，已发生较大变化（图1）。重碳酸盐-氯化物（HCO3-Cl）型地下水分布面积由1985年的1250km2，至2005年增至到6980km2；重碳酸盐-硫酸盐（HCO3-SO4）型地下水面积由4210km2增大为16450km2；硫酸盐型-重碳酸盐（SO4-HCO3）型地下水面积由498km2增大为1330km2；氯化物-重碳酸盐-硫酸盐（Cl-HCO3-SO4）型地下水由96km2增大1170km2。

河北平原重碳酸（HCO3）型深层地下水分布面积在减少，由20世纪70年代的50979km2减少了700多km2，硫酸盐（SO4）型地下水分布面积增加200多km2，氯化物（Cl）型地下水由9470km2增加500多km2。地下水的矿化度也发生了较大变化。2005年与1975年相比，地下淡水面积减少1097km2，M小于3gL面积减少6420km2，M=3~5gL面积增加1040km2。

地下水采样调查结果，88个III级水样中，49个水样检出有机污染物，其中三氯甲烷的检出率43%，检出的还有二氯甲烷、甲苯、苯、溴二氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯、苯并（a）芘、挥发性酚类、邻二氯苯，对二氯苯、氯苯、对二氯苯、滴滴涕（总量）等。84个IV级水样中，13个水样超标，主要有苯并（a）芘、四氯化碳、挥发酚类和滴滴涕（总量）。

2。2典型区变异状况

石家庄地区是粮食、蔬菜高产区，以开采浅层地下水为主。近年来化肥（实物量）、农药使用量分别达到170多万ta和13200多ta，居11个地市之首；平均每公顷种植面积施用化肥1696。7kg和农药13。08kg。由此，地下水的化学环境发生了显著变化。据1959年“石家庄供水水文地质勘察报告”，当时地下水化学类型主要为Hg，溶解性总固体为340mgL，M小于0。5mgL，总硬度一般在214~361。5mgl，NO3为2。35mgl，pH值7。5~7。8，氨离子和亚硝酸根未检出或仅有检出，地下水化学成分基本保持天然成分。

经过大规模开发利用和人类活动强烈影响，石家庄地区地下水水质出现明显变异（图2）。1976年平均M值589mgL，1986年平均M值702mgL，1990年平均M值757mgL，1995年平均M值824mgl，2005年平均M值785mgl。1995年以前，该区地下水矿化度平均每十年上升110mgL。矿化度的上升与污染组分进入有一定的关系。例如在电化厂附近地下水M的上升速率最快，1990年地下水M比1986年值上升1146mgL，1995年比1990年上升1880mgL，最大检出值超3500mgL。

石家庄地区地下水的总硬度也呈上升的趋势。1978年平均值为386。9mgL，1985年比1980年上升了17。0~-26。8mgL。1990年平均值为430mgL，比1985年上升40多mgL。1995年总硬度平均值为525。9mgL，比1990年上升了96mgL。2005年地下水总硬度平均值仍达到456mgL。

地下水中氯化物和硫酸根离子都出现较大变化。1981年氯化物平均值73mgL，1986年平均值增大为92。6mgL，1995年达到122mgL，比1981年净增48。8mgl。2000年氯化物平均值136。3mgL，2005年平均值仍为107mgL。其中电化厂附近地下水氯化物含量上升最快，1986~1990年平均值为1394。5mgL，比上五年均值增加733mgL，1995年比1990年增加863mgL。

1978年该地区硫酸根离子平均值为82。25mgL，1986年为108mgl，超标率为3%。1990年平均值达114mgl，最大值为748mgL，超标率为5%。2000年和2005年平均值分别为139mgL和140mgL。值得引起注意的是，该地区硝酸盐组分含量也持续增加（图2）。1959年石家庄地区地下水中NO3平均含量仅为2。35mgL。至1978年，地下水中NO3平均值达到16mgL。1988年NO3平均值增大为40mgL，1995年为46。5mgL。2000年和2005年，地下水中NO3平均值分别高达54。9mgL和56。2mgL。

从区域地下水水质监测资料来看，山前平原区地下水中NO3含量不断增加。在20世纪70年代以前，该区NO3含量介于0。47~10mgL，接近背景值。80年代上升为4~70mgL，90年代超国家饮用水标准的井数不断增加。在中东部及滨海平原区，浅层地下水中NH4+含量较高，NH4+0。5mgL的分布面积不断增大，最高值已达20mgL。

3．农田施用农药化肥量变化——兼谈对地下水影响

按播种面积计算，全国平均化肥使用量（折纯）为411kghm2，2005、2006年河北平均化肥使用量分别为507kghm2和518kghm2，远远超过发达国家225kghm2的安全上限。河北平原年均使用农药量80700多吨，其中石家庄、沧州、保定和邢台农区农药使用量，分别达到13200、11800、11000ta和9990ta以上；2005、2006年河北平均农药使用量分别为13。48kghm2和13。81kghm2。农区施用化学农药，除30~40％被农作物吸收外，其余大部分进入水体、土壤和农产品。过量、不合理施用化肥、农药，首先造成地表水体和土壤污染，然后，影响地下水补给水源，导致地下水质量变化。

近50年来河北平原化肥、农药施用量和强度的不断增加（图3），加剧了土壤和地下水中NO3-升高的速率，同时超量开采地下水进一步恶化了环境条件。实验结果表明，地下水位不断下降，浅层地下水中NO3含量也随之增加（图4）。随着包气带厚度的增大，氧化条件增强，而还原条件相对变弱，地下水中NO3上升幅度和强度都出现了明显增大趋势。在中东部及滨海平原区，地下水位埋深相对较浅，加之沉积物颗粒较细，还原作用相对较强，主要表现为水中NH4+含量增高。

图3近50年来河北地区化学农药使用量及生产每公斤粮食施用强度变化

3。1农田农药化肥使用量变化及效应

从图3可见，自20世纪70年代以来河北平原农田化肥（折纯，下同）使用量持续、大幅增加，1970年化肥使用量仅为18。5万t，平均产生每公斤粮食施肥量为14。6g。进入80年代，化肥使用量增加数倍，1985年达到110。4万ta，平均产生每公斤粮食施肥量为56。1g，净增2。84倍；农药使用量3。26万ta，平均产生每公斤粮食施药量1658mg。1995年化肥使用量达到220。7万t，平均产生每公斤粮食施肥量为80。6g，在1985年的基础上又分别增加99。9%和43。7%；农药使用量7。27万ta，平均产生每公斤粮食施药量2654mg，相对1985年分别增加123。1%和60。1%。至2005年，化肥使用量达到303。4万t，平均产生每公斤粮食施肥量为116。8g，在1995年的基础上再分别增加37。5%和44。9%；农药使用量8。08万ta，平均产生每公斤粮食施药量3109mg，相对1995年分别增加11。2%和17。2%。

若按2000~2006年期间年均雨水资源量、水资源总量和地下水资源量平均承受考虑，则每方的雨水资源、总水资源和地下水资源中化肥、农药含量分别为37。4gm3、249。9gm3、292。6gm3和996。1mgm3、6655。4mgm3、7792。3mgm3。

《2006年河北省环境状况公报》表明，河北全省农药、化肥的使用量呈上升趋势，大量及不合理地使用农药、化肥等，造成土地肥力下降，土壤质量退化，农产品质量不安全因素增加，加之由于水资源匮乏而使用污水灌溉农田，造成农业污染事故56起，污染耕地面积2583hm2；在监测的131个断面中，55。7%的断面水质为Ⅴ类、劣Ⅴ类，13。7%的断面水质为Ⅳ类，其中子牙河水系32个监测断面中，3个断流、19个劣Ⅴ类和9个Ⅳ类断面。《2007年河北省环境状况公报》指出，在监测130个有水断面，Ⅳ类断面19个、Ⅴ类断面11个和劣Ⅴ类断面64个，占实际监测断面的72。3%，主要污染物源于氨氮、总磷、石油类、挥发酚等；154眼监测结果：石家庄、唐山、秦皇岛、保定、张家口和沧州（浅层水）水质较差，地下水中主要为总硬度、硝酸盐氮等超标。

3。2农田施用农药化肥对水环境及地下水影响机理