冻融农业灌区表层土对氨氮的吸附特征研究

来源 :北京师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:z24514516210
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在工业和生活污染源等点源污染得到有效控制的前提下,非点源污染成为了导致水环境质量下降的主要原因。我国作为农业大国,农药化肥的大量、大面积施用,进一步加大了非点源污染形成的风险,而非点源又以其分散性和模糊性难以被监测和量化,因而需要在探明其形成机理的基础上,从根本上防止非点源污染的发生。研究土壤的吸附特性,能够从微观层面观察养分离子在水土界面的分配规律,从而为农业非点源污染的形成过程奠定理论基础,同时为相关水文模型参数的率定提供数据基础。  三江平原地处中高纬度冻融地区,是我国的重要商品粮基地。研究区一方面面临着高强度的农业开发,其农业用水中可溶性铁含量较高,进入土壤环境后可能形成的无定形氧化铁是影响土壤的吸附能力的因素之一;另一方面,研究区特殊的季节性冻融过程会通过影响土壤的理化性质,进而影响土壤对阳离子的吸附特征。然而有关冻融过程和亚铁离子对土壤吸附NH4+影响的研究还比较有限,因而迫切需要对三江平原不同土地利用类型下的土壤吸附特性进行深入的探讨。  本文以典型的湿地和农田(旱地和水田)为研究对象,考虑实际农业生产活动中对表层土壤可能产生的扰动,以冻融过程和土壤溶液中Fe2+浓度为影响因子,结合现场检测数据设计室内模拟实验,通过对NH4+吸附等温方程的拟合和固液分配系数Kd的数理统计分析,研究了2种影响因子下土壤对NH4+的吸附特征,修正了NH4+在不同影响因子下的吸附等温模型参数,并将湿地表层土作为对照,探讨了耕作活动对表层土土壤理化性质及吸附能力的影响。之后基于室内模拟实验的分析拟合结果,将冻融作用下的氨氮迁移量进行了估算。  主要结论如下:  (1)对冻融作用下土壤的吸附特性研究结果表明,冻融作用一般提高了湿地表层土(有机土)对铵根离子的吸附量,线性方程能较好的拟合低浓度范围氨氮的吸附。冻融作用降低了铵根离子吸附量为0时土壤溶液中氨氮的浓度。随着加入的NH4+-N初始浓度从30mg/L升高到200mg/L,冻融条件下氨氮的分配系数从10.3Kg/L升高到25.6Kg/L;非冻融对照条件下氨氮的分配系数从7.0kg/L升高到19.8Kg/L。冻融作用导致氨氮的分配系数增加了29.9%至47-3%,但氨氮的分配系数没有出现随冻融次数增加而升高的趋势。  (2)对冻融作用下不同吸附形态的氨氮吸附量的研究进一步表明:冻融处理和非冻融对照处理下,相比线性方程,旱地土壤吸附的铵根离子总量能更好的由Freundlich方程拟合(R2>0.99,SE<1.69)。冻融作用对铵根离子的总吸附量基本没有影响:当土壤中加入的NH4+-N初始浓度从0mg/L升高到200mg/L时,冻融条件下NH4+总吸附量从-0.52mg/kg升高到39.0mg/kg;非冻融条件下NH4+总吸附量从-0.70mg/kg升高到38.5mg/kg。土壤中的强吸附态NH4+的吸附等温线呈线性(R2>0.99,SE<0.54),强吸附态NH4+的吸附量经过冻融过程后有明显增加:当土壤中加入的NH4+-N初始浓度从0mg/L升高到200mg/L时,冻融条件下土壤中NH4+强吸附态含量从-2.36mg/kg呈线性升高到28.81mg/kg;非冻融条件下NH4+强吸附态量从-4.25mg/kg呈线性升高到25.12mg/kg。冻融作用增加了土壤胶体表面非交换性的吸附点位。由于冻融作用降低了强吸附态NH4+吸附解吸达到平衡时土壤溶液中NH4+的浓度,因而有利于降低土壤中铵根离子的淋失。  (3)旱地土壤在冻融和非冻融条件下的Kd值均小于湿地土壤;在本实验条件下,冻融过程对湿地土壤的吸附能力影响更大。在农田尺度上对氨氮的迁移量进行初步估算,结果表明对于旱地土壤,相同的融雪或降水条件下,冻融作用使得随土壤溶液形成的间隙水流而迁移的氨氮量在发生冻融后减小为冻融前的0.79倍;相同的植被覆盖和作物管理措施下,冻融作用使得随泥沙迁移的氨氮量增加为冻融前的2.36倍。冻融作用在机理性模型的产污负荷计算中有不可忽略的影响。在研究区采取种植灌木植物篱、修筑谷坊等水土保持措施,一方面能减轻春季融雪或降雨造成的水蚀,另一方面也能减小氨氮等养分离子随泥沙而流失的风险。  (4)对灌溉用水中不同浓度。Fe2+影响下土壤吸附能力实验表明:低浓度Fe2+(0.70mg/L)添加下,水田表层土壤对NH4+的吸附过程可以用Langmuir等温方程较好地进行拟合(R2>0.997.SE=24.330);拟合参数表明低浓度Fe2+的添加使土样对NH4+的最大吸附量从625mg/kg增加到666.7mg/kg。较高浓度Fe2+(15.0mg/L)添加下,水田表层土壤对NH4+的吸附过程也能由Langmuir等温方程较好地进行拟合(R2>0.999,SE=23.355);拟合参数显示较高浓度Fe2+的添加使土样对NH4+的最大吸附量从625mg/kg增加到833.3mg/kg。拟合出的曲线进一步表明:当NH4+浓度Ce≤30.77mg/L时,15.0mg/LFe2+的加入减小了土壤对NH4+的吸附量;而当NH4+平衡浓度Ce>30.77mg/L时,加入15.0mg/LFe2+则能增大土壤的吸附量。在实际的农业生产中,若三江平原采用地表水作为农业用水,可以在一定程度上增大土壤对氨氮的最大吸附量;若采用地下水作为农业用水,则在土壤溶液中NH4+浓度Ce>30.77mg/L的情况下,能增大水田表层土,减小其流失风险。
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