Sources and Transformations of NO3- in Groundwater of Ming-jian, Nantou

南投名間鄉為本省重要的茶葉及農作區，過量施肥可能造成地下水污染，特別是NO3-污染。本研究採集分析名間鄉農作區與人口密集區相關地下水體之NO3-濃度，以了解該區受NO3-污染情形；同時分析水體中NO3-之氮、氧同位素組成，以辨別水體中NO3-可能之來源與轉化作用。 由地下水之NO3-濃度與氮、氧同位素組成特徵結果顯示：本研究區約有54％地下水之NO3-濃度高於世界衛生組織訂定之飲用水水質標準（45 mg NO3 L-1），主要是發生在農作區地下水，而這些受污染地下水NO3-之來源主要與土壤氮源、化學肥料有關，少部分受到動物性堆肥的影響；人口密集區之地下水NO3-濃度雖多未超過標準，但在ㄧ年的監測期間有逐漸升高的現象，其NO3-之來源主要與土壤氮源及人類排泄物有關。基本上，農作區地下水NO3-之濃度及氮、氧同位素組成特徵是受到土壤有機氮、化學肥料及動物性堆肥等不同氮源經硝化作用及混合作用所影響；人口密集區地下水NO3-之濃度及氮、氧同位素組成特徵則是受到土壤有機氮及人類排泄物等氮源經硝化作用及受到農作區含化學肥料地下水混合作用所影響，而輕微脫氮作用與植物或藻類吸收NO3-的同化作用則是改變地下水NO3-濃度的轉化作用。目次 中文摘要……………………………………………………………..i 英文摘要…………………………………………………………….ii 表目……………………………………………………………………v 圖目…………………………………………………………………..v 第一章 前言………………………………………………………….1 第二章 研究背景…………………………………………………….8 一、研究區概述……………………………………………………..8 （一）氣候及水文………………………………………………….11 （二）地形及地質………………………………………………….15 （三）土壤………………………………………………………….19 （四）地層剖面…………………………………………………….22 （五）地下水流之可能流向……………………………………….25 （六）經濟及土地利用…………………………………………….26 二、NO3-之氮、氧同位素研究…………………………………….29 （一）同位素的特徵植…………………………………………….29 （二）環境中同位素的轉變………………………………….....33 第三章 材料與方法………………………………………………..37 一、標本採樣……………………………………………………….37 二、水化學分析方法……………………………………………….40 三、水樣NO3-之氮、氧同位素組成分析………………………….43 （一）氮、氧同位素組成之分析步驟…………………………….43 （二）氮、氧同位素之分析精確度……………………………….52 第四章 結果與討論…………………………………………………55 一、水化學分析結果……………………………………………….55 二、地下水之水化學特徵………………………………………….60 三、NO3-濃度之探討……………………………………………….67 四、NO3-之氮、氧同位素分析結果……………………………….75 （一）水體中NO3-之氮、氧同位素特徵………………………….75 （二）水體中NO3-之轉化作用…………………………………….85 第五章 結論……………………………………………………….112 第六章 參考文獻………………………………………………….114 附錄…………………………………………………………………123 表目 表1 飲用水中NO3-濃度的限值………………………………………4 表2 本研究區採樣井之基本描述………………………………….39 表3 水化學測定項目及測定方法………………………………….43 表4 本研究硝酸鉀Working standard之氮、氧同位素分析結果.53 表5 各地下水之水溫、pH、EC、DO及NO3-濃度範圍與年平均值.58 表6 各採樣井地下水之水化學型態……………………………….62 表7 農作區採樣井地下水水質相關性分析表…………………….65 表8 人口密集區採樣井地下水水質相關性分析表……………….66 表9 各採樣井地下水NO3-之δ15N值…………………...........79 表10 各採樣井地下水NO3-之δ18O值………………………………82 表11 以δ18O H2O推估δ18O NO3-推測值與δ18O NO3-實測值…..87 圖目 圖1 名間鄉地理位置示意圖…………………………………………9 圖2 名間鄉行政區域簡圖………………………………………….10 圖3 日月潭氣象站之各月雨量、蒸發量及溫度………………….12 圖4 埔中、六分寮和集集氣象站之各月雨量…………………….12 圖5 名間鄉水系分布圖…………………………………………….14 圖6 名間鄉地形圖………………………………………………….16 圖7 名間鄉地層分布圖…………………………………………….18 圖8 名間鄉土壤分布圖…………………………………………….19 圖9 水利署水文觀測井剖面圖…………………………………….24 圖10 員林一號井岩蕊柱狀圖………………………………………25 圖11 本研究區地下水流之可能流向………………………………26 圖12 各種水體中NO3-氮、氧同位素組成分布圖…………………31 圖13 各種來源的NO3-之氮、氧同位素組成分布圖………………31 圖14 氮循環簡單示意圖……………………………………………36 圖15 名間地區採樣井位置示意圖…………………………………38 圖16 陰離子管柱的前處理流程圖…………………………………45 圖17 氧化銀前處理流程圖…………………………………………45 圖18 NO3-之氮、氧同位素萃取方法流程圖…………………….47 圖19 氮同位素測定方法流程圖……………………………………49 圖20 氮同位素質譜儀分析流程圖…………………………………49 圖21 氧同位素測定方法流程圖……………………………………51 圖22 各採樣井地下水之pH、EC與DO濃度平均值圖………………59 圖23 各採樣井地下水之水質Piper圖…………………………….61 圖24 各採樣井地下水之NO3-濃度平均值圖………………………68 圖25 各採樣井地下水之NO3-濃度月變化圖………………………69 圖26 農作區及人口密集區地下水之pH值與NO3-之迴歸分析圖…70 圖27 各採樣井地下水之NO3-濃度平均值分布圖…………………74 圖28 各採樣井及各類肥料的δ15N分布圖…………………………78 圖29 各採樣井地下水NO3-之氮、氧同位素組成分布圖…………84 圖30 各水體NO3-之1/ NO3-與δ15N關係圖……………………….90 圖31人口密集區各季地下水NO3-之1/ NO3-與δ15N關係圖………92 圖31-續人口密集區各季地下水NO3-之1/ NO3-與δ15N關係圖….93 圖32 農作區與人口密集區地下水之pH值及δ15N值之關係圖……99 圖33 農作區與人口密集區地下水之δ15N與Ln NO3-之關係圖…101 圖34 農作區各季地下水之δ15N與Ln NO3-之關係圖……………102 圖34-續 農作區各季地下水之δ15N與Ln NO3-之關係圖……….103 圖35 人口密集區各季地下水之δ15N與Ln NO3-之關係圖………105 圖35-續 人口密集區各季地下水之δ15N與Ln NO3-之關係圖….106 圖36 人口密集區地下水NO3-之氮、氧同位素組成分布圖…….11