前言

水是人类赖以生存的基本物质资源，而当今水环境恶化加剧，直接威胁着人类的生存和社会的可持续发展，其中地下水的氮污染是一个不容忽视的问题。

河北平原，即京津以南平原，是华北平原的重要组成部分，总面积约80432km2。河北平原为我国重要的粮食产地和蔬菜基地，2015年耕地面积为632.7万公顷，氮肥的使用量逐年升高，成为地下水氮污染的重要来源。据有关资料统计，我国氮肥的产量从2003年到2015年增长了75.1%，施用量平均为527kg/ha，而利用率却仅为30%～35%，多余的氮肥造成了我国1/5耕地面积的污染。氮肥的过度施用，导致土壤中氮含量超过了植物的氮素吸收量和土壤的容纳量，造成失肥。残留的氮素通过土壤的包气带渗入地下水中，造成地下水的氮污染以及水体的富营养化，使人类的生活饮用水受到威胁。因此说，虽然氮肥是农业生产中常用到的一种肥料，促进了农业生产，但若使用不当会引发重大环境问题，对农业的自然环境构成严重的损坏，对人类的生存造成很大的隐患。此外，河北省作为畜牧和养殖大省，畜禽类粪便等也是水环境的氮污染源。《海河流域地下水可持续开发利用水权及取水许可管理战略研究2008》、《全国地下水污染防治规划（2011～2020年）》和《2016年河北省环境状况公报》的结论表明：河北平原受人类活动影响的浅层地下水污染面积为5.92万平方千米，污染物主要有氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等因子；2016年河北省水质总体污染为中度污染，Ⅰ～Ⅲ类水质比例为50.95%，Ⅳ类水质比例为8.18%，Ⅴ类水质比例为8.80%，劣Ⅴ类水质比例为32.07%，与上年相比基本持平；氨氮浓度均值与上年相比下降了32.3%，化学需氧量浓度均值升高了2.6%；其中永定河水系水质为优，大清河水系和漳卫南运河水系为中度污染，子牙河水系为重度污染。针对河北平原地下水污染的现实情况，如何查明氮污染物来源、探索氮的迁移转化机制及污染控制机理，从而科学有效地遏制水环境恶化，使占河北平原可利用地下水总量20%的21亿立方米浅层地下水得到科学有效利用，此研究不但十分必要，而且迫在眉睫。

氮氧双同位素技术是一种应用于水环境、水文地质监测领域的先进的示踪技术，具有识别和追踪地下水和包气带氮的污染源，监测氮在包气带、地下水系统的迁移转化规律，以及检验防治措施的效果等用途，为包气带和地下水氮污染提供了一种新的监测与防治手段。因此本项目应用此技术，对河北平原包气带和地下水环境的氮污染状况进行研究并进行趋势预警。

本书主要以河北平原为研究区，通过野外调查与室内实验研究，分析浅层地下水氮污染及其来源，研究了农田土壤氮的迁移转化过程，查明了河北平原包气带和浅层地下水中氮的污染来源以及包气带中氮的迁移转化机制，并应用数学模型模拟预测氮的迁移转化规律。此研究拟为地下水和包气带中氮的污染防治提供理论依据，对于缓解河北平原水环境污染有着重要的现实意义。

书中运用氮氧双同位素示踪技术进行了氮氧双同位素示踪及水化学分析。对研究区内21口浅层地下水井中的δ 15N、δ 18O、、Cl-、进行测定，利用水化学分析的方法，查明河北平原浅层地下水氮的污染现状。通过室内土柱淋滤实验，在分析河北平原的氮污染现状、水文地质条件的基础上，揭示了氮在河北平原浅层地下水中的迁移规律，并以检测数据为基础，应用Visual MODFLOW软件模拟河北平原浅层地下水氮迁移过程及可能造成的影响，将污染物运移过程简单化，为浅层地下水的污染防治提供科学依据。以氮的迁移转化实验为基础，应用Hydrus-1D软件对实验结果进行模拟预测，探讨包气带中氮的迁移转化规律，同时利用氮氧双同位素技术进行氮元素来源的示踪，为减少氮污染提供依据。通过查询资料，获取模型中的相关参数，构建包气带中水流运移模型及氮迁移转化的数值模型，与实验室的实测数据进行对比，确定模型的正确性。

本书针对河北平原潮土中参与氮循环的微生物进行研究，主要对氨化细菌、硝化细菌和异养硝化好氧反硝化细菌进行富集、筛选和鉴定，采集任丘、宁晋、阜城、文安、武强、沧州运河区6个地区的潮土和涿州、无极、宁晋3个地区的潮褐土，以地表水和地下水为基础滴灌用水，加入8种高效菌株（分别为氨化细菌、硝化细菌、HN-AD菌）混合菌（强化菌）液和解淀粉芽孢杆菌（促生菌）液培养土壤，分析土壤理化性质的变化规律，应用磷脂脂肪酸（PLFA）生物标记法和高通量测序技术分析微生物群落结构变化。

本书选择分别使用地表水和地下水两种水质，并加入促进氮素代谢的加强菌和拮抗促生病虫害的拮抗促生，分别对不同水质下群落结构和氮素代谢产生的影响进行讨论和分析，通过实验结果分析，具体哪一种水质，哪一种菌剂更有助于植物对氮素的吸收，更好地促进植被生长。对深入研究河北平原的典型农田土壤对中的氮来源、污染过程及其地下水的氮污染影响有着重要的实际意义。

利用高通量测序，能够针对某个菌种，测定出上百株细菌的基因组序列，为分类全基因组信息提供技术基础。应用高通量测序技术对各种环境微生物的研究在很大程度上提高了对环境中微生物多样性的认识，探索出了未知的环境微生物及其功能。通过以上对潮土土壤中功能微生物在氮素迁移转化过程中的作用和群落特征变化的研究，为河北平原潮土中的氮循环和生物脱氮以及发展地表水灌溉和微生物土壤修复技术提供理论依据。

高太忠负责本书的编写提纲拟订。高太忠撰写前言、第7章；高太忠、庞会从撰写第1章；庞会从撰写第2章、第5章；李秀荣撰写第3章；刘艳芳撰写第4章、第6章、附录。课题组刘福亮、沈洪艳、肖云川、张静等在项目执行期间承担了相关研究。研究生付海燕、张灿灿、李晓玉、付胜霞以及本科生刘芳源、王路瑶参与了本项目的相关实验及资料整理工作。书中插图由刘艳芳统编，文稿由李秀荣校对。最后，高太忠、庞会从对全部文稿进行统编和定稿工作。

本书的相关研究得到了国家自然科学基金的大力资助，同时得到了河北科技大学环境科学与工程学院的支持。

最后，特别感谢中国地质大学（北京）翟裕生院士、赵伦山教授，中国地质大学（武汉）蔡鹤生教授，河北科技大学赵地顺教授、罗人明教授，河北省环境地质勘查院雒国忠教授级高级工程师等专家对本项目的长期悉心的指导。感谢翟裕生院士在百忙中，欣然为本专著作序。

值本书出版之际，对支持和帮助本研究的专家、各级领导表示衷心的感谢。本书在出版过程中得到了化学工业出版社的鼎力相助，在此一并致以诚挚的谢意。

著者

2017年7月