上海市不同类型河岸带土壤磷的环境地球化学特征

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luo_yanjiang1980
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磷作为生物生长的重要元素之一,在陆地和水域生态系统中起到了非常重要的作用,磷是构成生物组织和细胞的最重要元素之一,也是生物生产力的重要限制因子。随着我国城市化进程的快速发展,磷污染问题日益突出,水体富营养化问题频发,河岸带作为径流进入受纳水体的最后一道屏障能够截留径流中的部分营养元素,对水体净化起到非常重要的作用。本论文在上海市优秀学科带头人计划项目“城市河岸带对面源营养盐的生态阻控机理研究”和上海市自然科学基金“城市河岸带磷的生物地球化学过程及其影响机制”的支撑下,选取我国经济最为发达的东部沿海苏州河支流河岸带为研究对象,对不同类型河岸带土壤中磷的时空分布特征、吸附-解吸特征、活化特征等进行研究,揭示了不同类型河岸带土壤所蕴含磷的环境地球化学特征;同时采用原位土壤进行磷的渗滤模拟实验,进一步揭示了土壤对磷去除效率的影响因素和磷在土壤中的迁移转化机制。通过对实验数据的整理和分析,本论文得到的主要结论如下:(1)不同类型河岸带磷的含量水平存在较明显的差异,不同河岸带土壤总磷含量由高到低为洪泾港河岸带>新泾港河岸带>樱桃河岸带>陈泾港河岸带b>陈泾港河岸带a>界泾港河岸带,总磷平均含量水平依次分别为684.77mg·kg-1、625.54mg·kg、595.04mg·kg-1、551.30mg·kg-1、523.05mg·kg-1、和424.42mg·kg-1。不同类型河岸带土壤中有效磷含量水平占总磷的1%~3%,为5.80~13.94mg·kg-1,基本上处于中等水平,不同类型河岸带Al-P、Fe-P、Ca-P和Res-P的含量水平各有差异,但是各形态磷含量基本是Ca-P>Res-P>Fe-P>Al-P。(2)不同类型河岸带土壤理化性质和磷的含量水平存在着空间上的差异性,在水平方向上,随着距河距离的增大,土壤含水率、有机质含量降低。由于降雨径流的冲刷等原因,距离河流越近土壤中的磷含量越高。在垂直方向上,整体上总磷和有效磷的含量水平随深度的增加而降低,河岸带越接近自然这种规律越明显,人类活动会破坏这一规律。(3)不同类型河岸带土壤中磷的形态和含量具有一定的差异性。其中,Lab-P在各季节含量都很小,为0.44~10.43mg·kg-1,全年春季和冬季含量较低,夏季和秋季相对较高。Al-P全年平均含量为17.22·78.05mg·kg-1且秋季>冬季>夏季>春季。Fe-P全年平均含量为36.73·62.83mg·kg-1,全年含量秋季>夏季>春季>冬季。Ca-P全年平均含量为241.64~357.23mg·kg-1且夏季>冬季>秋季>春季。Res-P全年平均含量为136.16~259.45mg·kg-1,季节特征为春季>夏季>冬季≈秋季。(4)不同类型河岸带土壤对磷的吸附随时间变化有相似的变化过程,分为快吸附和慢吸附两个过程,0~10h内为快吸附阶段,其中0-0.5h内吸附速率直线下降,可达到57.29~297.23mg·kg-1·h-1,10h后进入慢吸附阶段并逐渐达到吸附平衡。Elovich方程对磷的吸附动力学结果具有最佳的拟合效果,其次为双常数方程和一级动力学方程,抛物线方程拟合效果最差。(5)不同类型河岸带土壤与农田土壤最大吸附量的顺序由大到小依次为新泾港河岸带(1176.86mg·kg-1)>界泾港河岸带(935.82mg·kg-1)>洪泾港河岸带(928.09mg·kg-1)>樱桃河岸带(920.79mg·kg-1)>陈泾港a河岸带(643.29mg-kg-1)>农田土壤(524.87mg·kg-1)>陈泾港b河岸带(522.07mg·kg-1),陈泾港a河岸带、洪泾港河岸带和樱桃河岸带MBC值较小,磷的淋失风险较高。(6)土壤对磷的最大吸附量与土壤中金属元素的含量之间关系密切。土壤对磷的最大吸附量Qm与AlT含量之间没有显著地相关关系,但是与Alact之间的相关关系显著(r=0.538),Qm含量还与MnT的含量呈显著地正相关关系(r=0.663)。土壤对磷的吸附量与有机质含量之间的相关关系不显著,说明河岸带土壤对磷的吸附不受有机质含量的影响。(7)土壤中磷的解吸量与溶液的平衡磷浓度之间有较好的线性关系,相关系数R2为0.857~0.982,平衡磷浓度越高解吸量越大。磷的滞留量Pret(Pads-Pdes)与磷的吸附量Pads之间也具有良好的线性关系,说明土壤对磷的吸附量越大,滞留水平越高。(8)土壤中磷的活化与磷的吸附一样存在“快速”和“慢速”两个阶段,一级动力学方程、双常数方程和Elovich方程对磷的活化动力学结果具有较好的拟合效果,而抛物线方程拟合效果较差。总的来说,三种有机酸对磷的活化作用由强到弱依次为柠檬酸>草酸>酒石酸,相同有机酸,浓度越高对磷的活化作用越强。有机酸对磷的活化量与土壤有效磷的含量之间呈显著地正相关关系,土壤中有效磷含量越高,磷的活化量越大。(9)不同初始pH值条件下,初始pH值为7时土壤对磷的去除效率最高,在过酸或过碱的条件下土壤对磷的去除效率都会降低,在酸性条件下有利于其他形态磷转化为Fe-P,pH值为5和9的条件下土壤中Al-P的增加量较低,酸性和碱性条件下不利于转化为Al-P,Ca-P在布水试验过程中发生淋溶,含量减少。不同初始磷浓度条件下,初始磷浓度越高磷的去除效率也就越高,土壤对磷的去除率随时间的增加先降低后趋于稳定,在达到稳定后去除率可达40%~50%。除了Ca-P发生淋失含量减少外,其他各形态磷含量均增加。适当增加HCO3-的浓度有利于提高土壤对磷的去除,由于HCO3-与Fe3+、Fe2+和Al3+不能大量共存,土壤中Fe-P和Al-P含量减少,HCO3-有助于土壤中Ca-P含量增加。
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