濱海鹽漬土中銨態(tài)氮水平運(yùn)移規(guī)律研究

濱海鹽漬土中銨態(tài)氮水平運(yùn)移規(guī)律研究

隨著海洋養(yǎng)殖技術(shù)水平的提高和市場需求的擴(kuò)大，近年來中國海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題引起了人們的關(guān)注。由于代謝廢物、殘余餌料等的分解,海水養(yǎng)殖廢水水質(zhì)在短時間內(nèi)迅速惡化,若不加節(jié)制地排放會造成河流、湖泊富營養(yǎng)化。養(yǎng)殖廢水中所含的一些無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)如銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、磷等,均是作物生長重要的營養(yǎng)元素。因此,利用海水養(yǎng)殖廢水進(jìn)行灌溉已越來越受青睞,銨態(tài)氮是養(yǎng)殖廢水中主要營養(yǎng)元素之一,它在土壤中的運(yùn)移規(guī)律也成為環(huán)境科學(xué)和土壤科學(xué)研究的重要問題。本文研究了黃河三角洲萊州灣地區(qū)主要土壤類型——濱海鹽漬土的銨態(tài)氮水平運(yùn)移速率、含水量及其他土壤物理性質(zhì)對銨態(tài)氮水平運(yùn)移速率的影響,以探討黃河三角洲農(nóng)田土壤環(huán)境中銨態(tài)氮的水平運(yùn)移規(guī)律,為該地區(qū)的土壤質(zhì)量演變、環(huán)境保護(hù)、水土保持、農(nóng)田水分管理和防止水域富營養(yǎng)化作用提供科學(xué)依據(jù)。1試驗材料和方法1.1土壤理化性質(zhì)的測定土壤樣品采自山東省萊州市鹽生植物研究所,為該地區(qū)主要的濱海鹽漬土。按濱海鹽漬土標(biāo)準(zhǔn)分為0—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—150cm共6個土層采樣。土壤基本性質(zhì)的測定方法:土壤容重用環(huán)刀法;土壤顆粒分析用吸管法,質(zhì)地采用國際制分類;土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)按土壤微團(tuán)聚體的測定方法確定。測定結(jié)果見表1。1.2土壤中銨氮水平梯度運(yùn)行試驗1.2.1土樣入滲模擬采用總長度100cm、槽寬10cm、高8cm的長方形有機(jī)玻璃擴(kuò)散槽,以入滲土體懸殊的厚長比來消除重力勢和壓力勢對水分入滲的影響,使入滲水分在土樣基質(zhì)吸力作用下作水平入滲,以模擬田間水平入滲。槽體分3段:(1)水室段,長10cm,連接馬氏瓶,以馬氏瓶控制恒定水頭;(2)濾層段,長10cm,內(nèi)裝細(xì)石英砂,使入滲水流保持穩(wěn)定狀態(tài);(3)試樣段,長80cm,填裝供試土樣。裝置見圖1。1.2.2銨態(tài)氮水平擴(kuò)散試驗將采回的土樣分層風(fēng)干、研磨,并通過0.84mm(20目)篩,然后按實(shí)地測得的容重稱取土樣分別填裝入擴(kuò)散率儀,將含100mg·L-1銨態(tài)氮的NH4Cl溶液作為示蹤劑,用馬氏瓶控制水頭,進(jìn)行銨態(tài)氮水平擴(kuò)散試驗。當(dāng)濕潤峰到達(dá)50cm時,停止加入示蹤劑,立即分段取樣,每段4個樣品,2個樣品測定水分含量,2個樣品測定銨態(tài)氮的濃度。2結(jié)果與討論2.1土壤銨態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律在擴(kuò)散槽中銨態(tài)氮的水平運(yùn)移是在溶質(zhì)的濃度梯度、土壤基質(zhì)勢以及水勢梯度的多重影響下進(jìn)行的,伴隨水分入滲土壤所產(chǎn)生的運(yùn)移是個復(fù)雜過程,既有離子的交換與吸附作用,又伴有離子解析等作用。由于NH+4帶正電荷,容易被帶負(fù)電荷的土壤膠體表面吸附,但當(dāng)土壤對銨離子的吸附量達(dá)到飽和時,在水流的作用下銨離子也存在遷移,銨態(tài)氮的濃度隨供試示蹤劑源的距離增加而逐漸減小(圖2)。銨態(tài)氮的水平運(yùn)移主要由土壤對銨吸附的飽和程度決定,在土壤中的運(yùn)移過程可以分為3個階段:在最初階段,示蹤劑在土壤中作飽和流,其運(yùn)移以對流運(yùn)動為主,由于其運(yùn)移速度較快,溶液中的大量NH+4來不及被土壤吸附就隨著水溶液向前移動,這一階段銨態(tài)氮以運(yùn)移為主;隨著運(yùn)移速度的降低,溶液的運(yùn)移變?yōu)椴伙柡土?NH+4受到土壤吸附和擴(kuò)散作用的共同作用,同時NH+4還對土壤中的陽離子產(chǎn)生交換解吸作用,因此,這一階段銨態(tài)氮以土壤吸附為主;當(dāng)溶液中的NH+4被土壤完全吸附后,溶液中只剩余水在基質(zhì)勢的作用下運(yùn)移。其運(yùn)移主要由土壤的水勢梯度決定,整個土壤剖面6個土層的變化趨勢基本相同(由于供試土壤本身銨態(tài)氮不為零,且不易被淋洗,所以圖2中銨態(tài)氮濃度為實(shí)測值減去本底值所得),在20cm運(yùn)移距離以內(nèi)都呈冪函數(shù)曲線變化。經(jīng)統(tǒng)計分析各土層的冪函數(shù)相關(guān)系數(shù)均已達(dá)到極顯著水平。由于各土層的物理性質(zhì)不同,所以銨態(tài)氮的運(yùn)移曲線發(fā)生了分異。表層土壤(0—20cm)的砂粒含量高于其他各層,在20cm運(yùn)移距離內(nèi)銨態(tài)氮運(yùn)移的量明顯高于其他各土層。2.2土壤膠質(zhì)及水勢梯度變化銨態(tài)氮水平運(yùn)移速率與運(yùn)移距離的關(guān)系如圖3所示。運(yùn)移速率初始最大,而后迅速下降,在這個過程中影響銨態(tài)氮運(yùn)移的因素主要為銨態(tài)氮的濃度梯度。在20cm運(yùn)移距離以內(nèi)都呈冪函數(shù)曲線變化。經(jīng)統(tǒng)計分析各土層的冪函數(shù)相關(guān)系數(shù)均已達(dá)到極顯著水平。隨著運(yùn)移距離的增加,NH+4受土壤膠體的吸附濃度迅速降低;同時,土壤水受土粒間的毛管作用,水勢梯度逐漸降低,水平運(yùn)移速率也迅速降低。在這一階段,銨態(tài)氮運(yùn)移的速率主要由土壤間的水動力彌散決定。2.3土壤銨態(tài)氮運(yùn)移速率銨態(tài)氮的水平運(yùn)移速率與土壤含水量和土壤孔隙關(guān)系密切(圖4),土壤中固、液、氣3相的比例,通過影響充水孔隙狀況、水分和溶質(zhì)運(yùn)移途徑的大小、數(shù)量和彎曲度及水分運(yùn)動狀況,而影響土壤溶質(zhì)的運(yùn)移。土壤含水量的高低決定了銨態(tài)氮運(yùn)移的速率。水土體系中固、液相的比例也影響溶質(zhì)的擴(kuò)散。越接近于示蹤劑源(即含水量近飽和時),銨態(tài)氮運(yùn)移速率越快。銨態(tài)氮的運(yùn)移速率隨著土壤水分含量的增加而成比例增加。整個剖面6個土層的變化趨勢基本一致,在20cm運(yùn)移距離以內(nèi)均呈指數(shù)曲線變化,各土層銨態(tài)氮的濃度與含水量的相關(guān)關(guān)系都達(dá)到極顯著水平。當(dāng)含水量低于0.21cm3·cm-3時,銨態(tài)氮完全被土壤膠體所吸附。銨態(tài)氮運(yùn)移速率還隨土壤孔隙的不同而變化:0—20cm土層粘粒含量低,運(yùn)移速率快;60—80cm土層粘粒含量高,運(yùn)移速率慢。2.4非飽和土壤水?dāng)U散率銨態(tài)氮在土壤中作水平運(yùn)移時,其濃度受土壤水分含量、非飽和土壤水?dāng)U散率和濃度梯度的影響,因而銨態(tài)氮的濃度在不斷變化。土壤中的水分在作水平運(yùn)移時,在土壤基質(zhì)勢的作用下作水平擴(kuò)散運(yùn)動。水平方向上的非飽和土壤水?dāng)U散率實(shí)際上反映了土壤水分在水平方向上運(yùn)移的軌跡。它反映了水流主要流動方向(流線)的擴(kuò)散(彌散)狀況。在土壤溶液中存在銨態(tài)氮的情況下,銨態(tài)氮的濃度隨非飽和土壤水?dāng)U散率的升高而下降(圖5),并隨非飽和土壤水呈冪函數(shù)曲線變化,相關(guān)關(guān)系也均達(dá)極顯著水平。說明在土壤水分少時,非飽和土壤水?dāng)U散率也相應(yīng)減少,而這時土壤中銨態(tài)氮被吸附,運(yùn)移的量也較少,也說明銨態(tài)氮容易在土壤中積累。3土壤銨態(tài)氮的運(yùn)移特性(1)銨態(tài)氮在水平方向存在運(yùn)移,其運(yùn)移速率隨供試示蹤劑源距離的增加而迅速減小,在20cm運(yùn)移距離內(nèi),由于受土壤膠體的吸附,NH+4含量逐漸降低,呈冪函數(shù)關(guān)系