滨海盐渍土中铵态氮水平运移规律研究

滨海盐渍土中铵态氮水平运移规律研究

随着海洋养殖技术水平的提高和市场需求的扩大，近年来中国海洋水产养殖快速发展，生态环境问题引起了人们的关注。由于代谢废物、残余饵料等的分解,海水养殖废水水质在短时间内迅速恶化,若不加节制地排放会造成河流、湖泊富营养化。养殖废水中所含的一些无机营养物质如铵态氮、硝态氮、磷等,均是作物生长重要的营养元素。因此,利用海水养殖废水进行灌溉已越来越受青睐,铵态氮是养殖废水中主要营养元素之一,它在土壤中的运移规律也成为环境科学和土壤科学研究的重要问题。本文研究了黄河三角洲莱州湾地区主要土壤类型——滨海盐渍土的铵态氮水平运移速率、含水量及其他土壤物理性质对铵态氮水平运移速率的影响,以探讨黄河三角洲农田土壤环境中铵态氮的水平运移规律,为该地区的土壤质量演变、环境保护、水土保持、农田水分管理和防止水域富营养化作用提供科学依据。1试验材料和方法1.1土壤理化性质的测定土壤样品采自山东省莱州市盐生植物研究所,为该地区主要的滨海盐渍土。按滨海盐渍土标准分为0—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—150cm共6个土层采样。土壤基本性质的测定方法:土壤容重用环刀法;土壤颗粒分析用吸管法,质地采用国际制分类;土壤结构系数按土壤微团聚体的测定方法确定。测定结果见表1。1.2土壤中铵氮水平梯度运行试验1.2.1土样入渗模拟采用总长度100cm、槽宽10cm、高8cm的长方形有机玻璃扩散槽,以入渗土体悬殊的厚长比来消除重力势和压力势对水分入渗的影响,使入渗水分在土样基质吸力作用下作水平入渗,以模拟田间水平入渗。槽体分3段:(1)水室段,长10cm,连接马氏瓶,以马氏瓶控制恒定水头;(2)滤层段,长10cm,内装细石英砂,使入渗水流保持稳定状态;(3)试样段,长80cm,填装供试土样。装置见图1。1.2.2铵态氮水平扩散试验将采回的土样分层风干、研磨,并通过0.84mm(20目)筛,然后按实地测得的容重称取土样分别填装入扩散率仪,将含100mg·L-1铵态氮的NH4Cl溶液作为示踪剂,用马氏瓶控制水头,进行铵态氮水平扩散试验。当湿润峰到达50cm时,停止加入示踪剂,立即分段取样,每段4个样品,2个样品测定水分含量,2个样品测定铵态氮的浓度。2结果与讨论2.1土壤铵态氮运移规律在扩散槽中铵态氮的水平运移是在溶质的浓度梯度、土壤基质势以及水势梯度的多重影响下进行的,伴随水分入渗土壤所产生的运移是个复杂过程,既有离子的交换与吸附作用,又伴有离子解析等作用。由于NH+4带正电荷,容易被带负电荷的土壤胶体表面吸附,但当土壤对铵离子的吸附量达到饱和时,在水流的作用下铵离子也存在迁移,铵态氮的浓度随供试示踪剂源的距离增加而逐渐减小(图2)。铵态氮的水平运移主要由土壤对铵吸附的饱和程度决定,在土壤中的运移过程可以分为3个阶段:在最初阶段,示踪剂在土壤中作饱和流,其运移以对流运动为主,由于其运移速度较快,溶液中的大量NH+4来不及被土壤吸附就随着水溶液向前移动,这一阶段铵态氮以运移为主;随着运移速度的降低,溶液的运移变为不饱和流,NH+4受到土壤吸附和扩散作用的共同作用,同时NH+4还对土壤中的阳离子产生交换解吸作用,因此,这一阶段铵态氮以土壤吸附为主;当溶液中的NH+4被土壤完全吸附后,溶液中只剩余水在基质势的作用下运移。其运移主要由土壤的水势梯度决定,整个土壤剖面6个土层的变化趋势基本相同(由于供试土壤本身铵态氮不为零,且不易被淋洗,所以图2中铵态氮浓度为实测值减去本底值所得),在20cm运移距离以内都呈幂函数曲线变化。经统计分析各土层的幂函数相关系数均已达到极显著水平。由于各土层的物理性质不同,所以铵态氮的运移曲线发生了分异。表层土壤(0—20cm)的砂粒含量高于其他各层,在20cm运移距离内铵态氮运移的量明显高于其他各土层。2.2土壤胶质及水势梯度变化铵态氮水平运移速率与运移距离的关系如图3所示。运移速率初始最大,而后迅速下降,在这个过程中影响铵态氮运移的因素主要为铵态氮的浓度梯度。在20cm运移距离以内都呈幂函数曲线变化。经统计分析各土层的幂函数相关系数均已达到极显著水平。随着运移距离的增加,NH+4受土壤胶体的吸附浓度迅速降低;同时,土壤水受土粒间的毛管作用,水势梯度逐渐降低,水平运移速率也迅速降低。在这一阶段,铵态氮运移的速率主要由土壤间的水动力弥散决定。2.3土壤铵态氮运移速率铵态氮的水平运移速率与土壤含水量和土壤孔隙关系密切(图4),土壤中固、液、气3相的比例,通过影响充水孔隙状况、水分和溶质运移途径的大小、数量和弯曲度及水分运动状况,而影响土壤溶质的运移。土壤含水量的高低决定了铵态氮运移的速率。水土体系中固、液相的比例也影响溶质的扩散。越接近于示踪剂源(即含水量近饱和时),铵态氮运移速率越快。铵态氮的运移速率随着土壤水分含量的增加而成比例增加。整个剖面6个土层的变化趋势基本一致,在20cm运移距离以内均呈指数曲线变化,各土层铵态氮的浓度与含水量的相关关系都达到极显著水平。当含水量低于0.21cm3·cm-3时,铵态氮完全被土壤胶体所吸附。铵态氮运移速率还随土壤孔隙的不同而变化:0—20cm土层粘粒含量低,运移速率快;60—80cm土层粘粒含量高,运移速率慢。2.4非饱和土壤水扩散率铵态氮在土壤中作水平运移时,其浓度受土壤水分含量、非饱和土壤水扩散率和浓度梯度的影响,因而铵态氮的浓度在不断变化。土壤中的水分在作水平运移时,在土壤基质势的作用下作水平扩散运动。水平方向上的非饱和土壤水扩散率实际上反映了土壤水分在水平方向上运移的轨迹。它反映了水流主要流动方向(流线)的扩散(弥散)状况。在土壤溶液中存在铵态氮的情况下,铵态氮的浓度随非饱和土壤水扩散率的升高而下降(图5),并随非饱和土壤水呈幂函数曲线变化,相关关系也均达极显著水平。说明在土壤水分少时,非饱和土壤水扩散率也相应减少,而这时土壤中铵态氮被吸附,运移的量也较少,也说明铵态氮容易在土壤中积累。3土壤铵态氮的运移特性(1)铵态氮在水平方向存在运移,其运移速率随供试示踪剂源距离的增加而迅速减小,在20cm运移距离内,由于受土壤胶体的吸附,NH+4含量逐渐降低,呈幂函数关系