- 之可能來源

根據台灣一般常用肥料之 δ¹⁵N 特徵值 (彭宗仁等，2004)，各類化學肥料之 δ¹⁵N 值分佈 範圍相近，如硫酸銨之δ¹⁵N 平均值為-0.8±0.7 ‰，尿素之之 δ¹⁵N 平均值為-0.8±0.3 ‰；而動 物性糞肥如乾雞糞之 δ¹⁵N 平均值為 17.5±0.3 ‰，此肥料之 δ¹⁵N 特徵值與國外文獻相符 (Kendall and Caldwell, 1998)。名間鄉農作區之旱田作物主要施肥以禽畜糞堆肥及化學肥料為

主。本報告所有地下水之 δ¹⁵N 值與相關氮源之特徵值範圍比較 (圖 3) (彭宗仁等，2008b)，

農作區地下水 (Mj1~Mj7) 其 δ¹⁵N 值範圍為 3.7 至 8.5 ‰，主要分布在化學肥料與土壤氮源特 徵值間，但部分樣品似有受到動物排泄物源的影響而顯示出較重的δ¹⁵N 值。

城鎮區地下水 (Mj8~Mj13)，其 δ¹⁵N 值範圍為 3.1 至 11.0 ‰ (圖 3)；在人口密度較高的新 街、萬丹以及靠近濁水溪河岸的新民-1、新民-2 等四井地下水，其 δ¹⁵N 範圍為 3.1 至 7.4 ‰，

其分布範圍與農作區地下水之情況類似。而雲天宮 (Mj12) 及湧泉 (Mj13) 兩者有較重之 δ¹⁵N 值，分布範圍分別為 6.3 至 11 ‰與 9.4 至 10.2 ‰。以圖 3 之比對而言，雲天宮地下水 NO3

-之來源與土壤氮源和動物排泄物源有關，但似乎受到動物排泄物源的影響較大；湧泉則顯示 主要受到動物排泄源影響。

由地下水 NO₃^-之氮、氧同位素組成分布與文獻特徵值比較顯示 (圖 4) (彭宗仁等，

2008b)，大部份地下水之 NO3

為土壤有機氮、化學肥料或動物排泄物經硝化作用產生而來；

城鎮區雲天宮 (Mj12) 和湧泉 (Mj13) 水樣之 NO3-與動物排泄物經硝化作用產生有關。

地下水中 NO3-之轉化作用

地下水 NO3-之濃度及氮氧同位素組成可能受到轉化作用影響。通常 NO3-之轉化會造成同 位素發生分化作用，此同位素分化作用過程是以雷利方程式 (Rayleigh equation) 之指數曲線 變化表示，而 NO₃^-之濃度與 δ¹⁵N 值之關係以下述關係式表之 (Kendall and Caldwell, 1998;

Mariotti et al., 1988)：

δ¹⁵N ＝ δ¹⁵N₀ ＋ε lnNO₃^- (2)

上式中δ¹⁵N0為初始之氮同位素組成；NO₃^-與δ¹⁵N 分別代表在 t 時間之 NO3-濃度及其氮同位 素組成；ε 為富集係數 (enrichment factor)，即 NO3-之轉化作用造成氮同位素發生同位素分化 作用，導致反應前、後 NO3-的δ¹⁵N 值改變。

在水文系統中，NO3-之輸入主要為含氮物質經硝化作用或混合作用而進入，NO3-之輸出 則是因藻類吸收 NO3-的同化或 NO3-的脫氮作用造成。所以，相關 NO3-轉化作用所造成同位 素分化的現象與程度可藉由 lnNO₃^-與 δ¹⁵N 間之關係來了解 (Kendall and Caldwell, 1998;

Mariotti et al., 1988)。發生同化作用時，因藻類會優先攝取¹⁴N 進入有機體，造成水體中 NO₃ -濃度會降低；同時，殘餘的 NO₃^-會因富集¹⁵N 使得 δ¹⁵N 值變重 (Shear and DeBruyn, 1986)。

脫氮作用為 NO₃^-被還原成 N₂的過程，由於微生物會優先利用較輕 (¹⁴N) 之 NO3-而產生具較 輕 δ¹⁵N 特徵之 N2等氣體，但造成 NO3-濃度降低，同時也使殘餘之 NO3-具較重之 δ¹⁵N 值 (Knowles, 1982)。因此，同化與脫氮作用皆會降低地下水 NO3-濃度，並使殘餘之 NO3-具較重

之δ¹⁵N 值。若發生同化或脫氮作用，則 (2) 式中之 ε 值則為小於零。

由彭宗仁等 (2008b) 分析顯示，農作區地下水 δ¹⁵N 與 lnNO₃^-之關係式為 (圖 6a)：

δ¹⁵N = 1.3 lnNO3-

– 0.4，R² = 0.29 (3)

(3)式中 ε 值為正值，且為中度相關 (r＝0.54)。因此，農作區地下水並沒有受同化或脫氮作用 的影響。

相對而言，城鎮區地下水δ¹⁵N 與 lnNO3-之關係式為 (圖 6b)：

δ¹⁵N = -1.9 lnNO3-

+ 11.9，R² = 0.46 (4)

上式中ε 值為負值，且為中度負相關 (r = -0.68)，顯示該區地下水受到同化作用或脫氮作用的 影響，造成水體 NO₃^-濃度降低而 δ¹⁵N 值變重。由於同化與脫氮作用皆會降低水體中 NO₃^-濃 度、並造成殘餘 NO₃^-的δ¹⁵N 值變重。為鑑別此二種輸出作用，則必須先了解同化與脫氮作用 發生的條件。

一般水體發生脫氮作用的理想條件為：pH 值在 6.2 至 10.2；Eh 在-200~665 mv；溫度範 圍在 0~50℃；DO 濃度須小於 2 mg L^-1 (Thomasson et al., 1991)。假設發生脫氮作用之 DO 濃 度之上限值為 2 mg L^-1 (Gillham and Cherry, 1978; Karr et al., 2001; Thomasson et al., 1991)，本 報告農作區地下水之 DO 濃度範圍在 3.5~7.3 mg L^-1 (圖 7)，是屬於較為曝氣的水體 (Mengis et al. 1999)。相較而言，城鎮區地下水之 DO 濃度，除湧泉 (Mj13) 較低外 (平均值為 1.4±0.5 mg L^-1，圖 7)，其餘地下水之 DO 濃度皆大於 2 mg L^-1，範圍在 2.9~7.0 mg L^-1。圖 7 顯示除湧泉 外，其餘地下水發生顯著脫氮作用的機會較小。此外，Kendall and Caldwell (1998) 指出，如 果地下水發生脫氮作用，其ε 值的分佈範圍在-40 至-5 ‰；Fukada et al. (2003, 2004) 指出脫 氮作用時ε 值約為-13.6 ‰；而 Selier (2005) 指出發生脫氮作用時 ε 值為-5.7 ‰。因此，由式 (4) 中之ε 值顯示為-1.9 ‰，說明城鎮區地下水並沒有發生顯著之脫氮作用。

當發生脫氮作用時，微生物將 NO3-中的 N 轉變成 N2，並生成具較輕δ¹⁵N 值的氮氣，則 殘餘的 NO3-會較富集¹⁵N (較重之 δ¹⁵N 值)；在此同時，也將 NO3-中的 O 原子，轉變成其他的 含氧化合物，亦使殘餘的 NO₃^-亦會較富集¹⁸O (Aravena and Robertson, 1998; Böttcher et al., 1990; Mariotti et al., 1988; Smith et al., 1991)。因此，脫氮作用會同步富集的氮、氧同位素會 組成，並形成一約δ¹⁵N/δ¹⁸O≒1.3 ~ 2.1的線性關係 (Devito et al., 2000; Fukada et al., 2003, 2004; Mariotti et al., 1982; Mengis et al., 1999)；因此，亦可由此線性關係來評估地下水中是否 發生脫氮作用 (Cey et al., 1999; Mosier and Schimel, 1993; Wassenaar, 1995)。而由圖 8 顯示 (彭 宗仁等，2008b)，城鎮區地下水 NO3-之氮、氧同位素組成約呈 1：1 的線性關係 (δ¹⁸O = 0.92 ×

δ¹⁵N – 9.2)；所以，城鎮區地下水似乎未發生明顯之脫氮作用。

由水生植物 (藻類) 對 NO₃^-吸收的同化作用所造成之同位素分化結果顯示其 ε 值範圍在 -27 至 0 ‰ (Kendall and Caldwell, 1998; Kohl and Shear, 1980; Shear and DeBruyn, 1986)，而式 (4) 中的 ε 值為-1.9。因此，由圖 7 顯示在城鎮區地下水，NO3-濃度降低伴隨著δ¹⁵N 值變重的 現象。應是與水生植物對 NO3-吸收之同化作用有關 (彭宗仁等，2008b)。

結論

由本報告地下水 NO3-之濃度整理顯示，名間地區農作區地下水皆已超過飲用水水質標準

且季節性變化不大，應是受到長期農業活動的影響。由氮、氧同位素組成數據顯示，名間地

區地下水 NO₃^-主要來自不同氮源經硝化作用所產生之硝酸鹽。其中，農作區受污染的地下水

之 NO₃^-主要源自土壤有機氮、化學肥料，但沒有受到相關 NO₃^-轉化作用所影響。城鎮區地下 水 NO₃^-的來源主要為土壤有機氮、動物排泄物，但其 NO₃^-濃度多未超過標準值，此現象應與 該區發生顯著之同化作用而降低其 NO₃^-濃度有關。

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圖 1. 名間地區地形圖及本報告採樣井位置圖。摘自彭宗仁等(2008a)。

Fig. 1. Map showing the topography of Ming-Jian area and the localities of sampling wells of this study.

(a) 農業區

NO3- (mg L-1 )

0 50 100 150 200 250 300

Mj1 Mj2 Mj3 Mj4 Mj5 Mj6 Mj7

(b) 城鎮區

Date

06/2004 07/2004 08/2004 09/2004 10/2004 11/2004 12/2004 01/2005 02/2005 03/2005 04/2005 05/2005 06/2005 07/2005 08/2005 09/2005

NO3- (mg L-1 )

0 20 40 60 80 100

Mj8 Mj9 Mj10 Mj11 Mj12 Mj13

圖 2. 各採樣井地下水之 NO₃^-濃度各月變化圖。摘自彭宗仁等(2008a)。

Fig. 2. Monthly variation of NO3

concentration in respective groundwaters.

δ¹⁵N(%o)

N Animal waste N

圖 3. 本報告各水體中 NO₃^-之δ¹⁵N 特徵值分布。摘自彭宗仁等(2008b)。

Fig. 3. Distribution of δ¹⁵N of water NO3

in this study.

δ¹⁵Ν(%o)

-5 0 5 10 15 20

δ18 Ο(%o)

-10 -5 0 5 10 15 20 25

Agricultural region Urban region Mj12 and Mj13 NO₃^- in rain

NO₃^- fertilizer

Manure and septic waste Soil N

NH₄⁺ in fertilizer and rain

圖 4. 本報告各水體 NO3-之氮、氧同位素組成分布圖。摘自彭宗仁等(2008b)。

Fig. 4. Plot of δ¹⁵N vs. δ¹⁸O of water NO₃^- in this study.

圖 5. 名間地區地下水 NO₃^-濃度 (mg L^-1-NO₃^-) 分布變化圖。摘自彭宗仁等(2008a)。

Fig. 5. The NO3

contour map of groundwater in Ming-Jian area. (Unit in mg L^-1-NO3

-).

ln NO₃

-0 1 2 3 4 5 6 7 8

δ15 Ν (%o)

0 2 4 6 8 10 12 14

δ¹⁵Ν = 1.25 ln NO₃^- - 0.35 R² = 0.29

p < 0.001

ln NO₃

-0 1 2 3 4 5 6 7 8

δ15 Ν (%o)

0 2 4 6 8 10 12 14

δ¹⁵Ν = −1.91 ln NO₃^-+11.9 R² = 0.46

p < 0.001

(a) Agricultural groundwater

(b) Urban groundwater

圖 6. 本報告地下水中 NO3-之δ¹⁵N 與 lnNO3-之關係圖。摘自彭宗仁等(2008b)。

Fig. 6. The relation between lnNO₃^- and δ¹⁵N of water NO₃^- in this study.

Mj1 Mj2 Mj3 Mj4 Mj5 Mj6 Mj7 Mj8 Mj9 Mj10 Mj11 Mj12 Mj13

DO (m g L

-1

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

圖 7. 各採樣井地下水之 DO 濃度盒形圖

Fig. 7. Boxplot of the DO concentration of groundwaters during the studied period.

δ¹⁵Ν^(%o)

0 5 10 15

δ18 Ο(%o)

-10 -5 0 5 10 15

δ¹⁸O = 0.92 δ¹⁵N - 9.2 R² = 0.37

p = 0.057

圖 8. 城鎮區地下水 NO₃^-之氮、氧同位素組成分布圖。摘自彭宗仁等(2008b)。

Fig. 8. Plot showing the relation between lnNO3-

and δ¹⁵N of groundwater NO3

in urban region.

Conference on Non-point Pollution from Agricultrue / 陳琦玲,郭鴻裕編. —臺中縣霧峰鄉：行政院農業委員會 農業試驗所, 民 97.12

185 面：21×29 (農業試驗所特刊；第 134 號) 部分內容為英文

ISNB 978-986-01-6341-4(平裝)

1.肥料 2.地下水 3.水污染防治 4.文集 5.臺灣

434.23807 97022723

Proceedings of Conference on Non-point Pollution from Agriculture 農業非點源污染研討會論文集

出 版 者 ： 行政院農業委員會農業試驗所 發 行 人 ： 劉大江

編 者 ： 陳琦玲、郭鴻裕

作 者 ： Oene Oenema, Harald Menzi,溫清光,張智華,劉玉雪,張大偉, 劉振宇,陳文福,呂學諭,陳琦玲,郭鴻裕,朱戩良,林俊強,黃維廷, 江崇榮,陳瑞娥,陳尊賢,謝長富,劉禎祺,林崇明,彭宗仁

出版機關地址： 台中縣霧峰鄉萬豐村中正路 189 號 出版機關網址： http://www.tari.gov.tw

電子檔網站 ： http://www.tari.gov.tw/taric/modules/icontent/

定 價 ： 新台幣 300 元整 出版日期 ： 中華民國 97 年 12 月 版 次 ： 初版第一次發行( 200 本)

展 售 處 ： 五南文化廣場，台中市中山路 6 號，04-22260330

展 售 處 ： 五南文化廣場，台中市中山路 6 號，04-22260330

在文檔中 (農業試驗所特刊第134號)農業非點源污染研討會論文集 (頁 172-187)