沼灌后氮磷元素在土壤中迁移吸附环境行为

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随着社会不断进步,人们对农产品的需求与日俱增,畜禽养殖业快速发展。集约化养殖场产生的大量粪污多采用厌氧消化处理,产生的沼液因其具有丰富的氮、磷、钾等速效养分和微量元素而广泛进行土壤灌溉回用。重庆市畜禽养殖业发展迅速,集约化程度不断增加,沼灌土壤成为沼液的主要处置途径。沼液回灌(沼灌)可减少养殖废水水体造成的环境污染问题,起到改善土壤性质的作用,但不合理或过量沼灌反而会对土壤和地下水构成潜在威胁。紫色土是重庆市主要的土壤种类之一,其分布面积广,养殖业主要生产基地多属于紫色土区域。但目前对沼灌紫色土的影响研究相对较少,且尚未较好弄清沼灌后氮磷元素在土壤中吸附迁移的动态环境行为特征,这势必影响沼灌后环境安全性。本文对不同沼灌负荷下及不同土壤介质中氨氮(NH3-N)和总磷(TP)的时空迁移吸附行为进行了系统研究,并考察了沼灌后土壤特性(土壤氮磷含量、土壤酶活性、土壤结构和土壤成分)的变化,以进一步掌握沼灌对土壤及周边环境的污染风险。论文主要得到如下主要结论:1)沼灌负荷对土壤消纳氮磷能力的影响较显著,紫色土对沼液NH3-N和TP吸附量随沼灌负荷增加而增大,且随时间变化土壤吸附氮磷行为均呈现出三个不同阶段,吸附能力由强到陡降,再到短时相对稳定期。在沼灌负荷为382.2m3/hm2·d(T1)时,紫色土存在NH3-N纵向迁移的风险,从减轻污染的角度认为沼灌负荷应控制不高于191m3/hm2·d(T2)。同时,所有沼灌负荷下施入P几乎都能被吸附截留在0-35cm土壤层中,TP向紫色土深层迁移能力较弱。2)土壤介质对土壤消纳氮磷能力的影响也较显著,紫色土对NH3-N和TP的吸持能力最强;河沙对氮磷吸附作用最弱,极易产生养分流失。各土壤介质中NH3-N纵向迁移速度顺序为:河沙>沙土>紫色土2>紫色土1;而TP纵向迁移速度顺序为:河沙>沙土>紫色土1>紫色土2。总之,NH3-N与TP在砂质土壤中的迁移速度要大于黏质土壤中。3)沼灌能显著提高土壤脲酶、磷酸酶与转化酶活性。同时,沼灌负荷对磷酸酶活性变化规律有一定影响。随沼灌负荷增大土壤磷酸酶活性明显提高,但过高沼灌负荷则会抑制表层土壤磷酸酶活性。表层土壤脲酶与转化酶活性随沼灌负荷增大而升高,而土壤酶活性则沿土壤深度逐渐减少。4)沼灌能显著增加土壤铵态氮与有效磷含量,提高土壤肥力,但沼灌负荷为382.2m3/hm2·d时土壤有效磷存在较高的磷流失环境风险,且铵态氮含量过高也会毒害农作物。采用扫描电镜观察可见沼灌后土壤孔隙度显著增大,有利于改善土壤结构并提高微生物活性。经X射线衍射图谱定性分析可知,紫色土1经沼灌后土壤成分组成基本一致,但各成分含量有不同变化。其中,蛭石含量相对减少,伊利石含量则变大,且随沼灌负荷的增大而愈加明显。本研究阐明了集约化畜禽养殖场沼灌对土壤特性的影响,以及氮磷元素在土壤层的动态吸附迁移行为,为确定沼灌方式并掌握氮磷元素的迁移过程提供理论依据与技术支撑。
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