盐蚀环境下微生物矿化岩土材料的冻融特性研究

基于MICP技术将松散砂粒改良成微生物矿化岩土材料,通过室内冻融循环实验,研究矿化材料在4种不同的冻融环境中的表观形貌、质量损失率、饱和含水率、无侧限抗压强度随冻融循环周期的变化规律,以及利用NMR测试手段分析材料的孔隙变化。结果表明:随着冻融周期增加,在4种冻融液中矿化材料均伴随剥落现象,无侧限抗压强度均呈逐渐减小趋势,质量的损失和饱和含水率的增加严重影响了材料的抗冻性能,且在5%Na₂SO₄溶液中矿化材料的粉化速度较快,质量损失最大,劣化速度最快,NMR图谱中弛豫时间大于200 ms的未冻水含量在冻融过程变化最大,是造成样本质量的损失和强度的破坏的主要原因;在去离子水溶液中样本的抗冻能力也较弱,次于Na₂SO₄溶液;在3%NaCl溶液和混合溶液中由于NaCl的存在降低材料的凝固点,使得材料的抗冻能力延长,此研究为微生物矿化岩土材料在寒冷地区的工程应用提供基础实验依据。     

利用矿化垃圾层预防和控制渗滤液导排系统堵塞

在卫生填埋场中,垃圾渗滤液导排系统堵塞普遍存在,悬浮固体形成的物理堵塞、有机物降解和金属离子沉淀导致的生物-化学堵塞是引起导排系统堵塞的关键因素.本文构建了"矿化垃圾+砾石层导排"的渗滤液下渗装置,通过矿化垃圾预处理渗滤液中悬浮固体和有机物以控制导排系统发生的物理和生物-化学堵塞.结果表明,在矿化垃圾层,渗滤液中化学需氧量(COD)和悬浮固体(SS)去除较多,去除率分别达到了85%和87%,并且Ca²⁺浓度也出现了波动较大的现象;然而,渗滤液在砾石层下渗过程中,其COD、SS和Ca²⁺浓度保持稳定.并且,砾石层可排水孔隙率在长期运行的过程中没有明显变化,表明渗滤液在砾石导排层没有形成明显的沉淀.与此同时,在没有添加矿化垃圾的对照组发现,砾石层可排水孔隙率减少最多的区段是渗滤液的进水点位(可排水孔隙率减少达到了53%),即渗滤液有机负荷最大处的饱和砾石层堵塞最为严重,其无机堵塞物主要是碳酸钙等.因此,在渗滤液流入砾石层前,采用矿化垃圾层部分饱和的方式对渗滤液中有机物和悬浮固体进行预处理,可以预防和控制渗滤液在砾石层形成沉淀堵塞.研究为填埋场的运行管理渗滤液导排系统堵塞提供了新的思路和方法.     

青藏高原林地土壤的氮转化特征及其影响因素分析:以祁连山和藏东南地区为例

矿化和硝化过程是森林生态系统氮素循环的重要组成部分,对生态系统功能的维持与土壤环境质量有着重要影响.净矿化和净硝化速率是评价土壤氮素供应能力和氮损失风险的常用指标.为探究青藏高原林地土壤氮转化特征及其影响因素,以气候差异较大的祁连山和藏东南地区作为研究对象,采集了327个林地土壤样本,通过样本处理及室内培养试验,分析了土壤中无机氮含量、净矿化速率、净硝化速率及其与环境因子之间的相关关系.结果表明,藏东南地区林地土壤的无机氮含量、净矿化速率和净硝化速率［109.70 mg·kg^-1、3.08 mg·（kg·d）^-1和2.19 mg·（kg·d）^-1］均显著高于祁连山地区［49.47 mg·kg^-1、0.70 mg·（kg·d）^-1和0.69 mg·（kg·d）^-1］;土壤的净矿化速率与年平均温度、年平均降水量、湿润指数及土壤有机质含量之间具有极显著的正相关关系（P<0.001）.净硝化速率与年平均温度、年平均降水量之间无显著正相关关系,但与土壤净矿化速率呈极显著的正相关关系（P<0.001）.这表明藏东南地区林地土壤具有比祁连山林地土壤更高的氮素供应水平,而水热条件可能是造成两地土壤净矿化速率差异的主要原因,净矿化速率是净硝化速率的限制因子,对青藏高原林地土壤的氮素损失有着重要影响.这些结果强调了水热条件等气候环境因子对青藏高原林地土壤净矿化和净硝化速率的重要影响,进一步加深了人们对青藏高原林地土壤氮素转化规律的认识.     

矿化垃圾生物覆盖层减少垃圾填埋场CH4、N2O和CO2释放的效应研究

对利用矿化垃圾构建生物覆盖层以削减填埋场温室气体的释放问题进行了深入研究,分析了环境因素对CH4释放的作用,考察了作为生物覆盖层材料的矿化垃圾的厚度变化对CH4氧化的影响.结果表明,温度为5～45℃时,矿化垃圾对CH4的氧化速率平均值分别约为黏性土和砂性土的2.35和4.71倍,CH4氧化速率随温度的升高而增加,并在35℃时达到最大值.当含水率w为16％ ～ 24％时,纯矿化垃圾覆盖层、半矿化垃圾覆盖层和砂性土覆盖层CH4氧化能力均达到最大.砂性土覆盖层和半矿化垃圾覆盖层CH4释放通量平均值分别为纯矿化垃圾覆盖层的329.8倍（P＜0.05）和91.7倍（P＜0.05）,添加矿化垃圾填料会增加覆盖层N2O释放通量,纯矿化垃圾覆盖层N2O（以N计）释放通量平均值分别为半矿化垃圾覆盖层和砂性土覆盖层的2.1倍（P＜0.05）和3.5倍（P＜0.05）.     

降水变化、氮添加对鼎湖山主要森林土壤有机碳矿化和土壤微生物碳的影响

全球变化对土壤有机碳(SOC)存贮与分解的影响在全球碳(C)循环中具有重要地位.分别通过室内土壤培养法和氯仿熏蒸法,研究了降水变化和氮(N)添加处理对鼎湖山3种不同演替阶段的季风常绿阔叶林、针阔混交林和马尾松针叶林SOC矿化和土壤微生物量碳(SMBC)的影响.结果表明:1)降水量增加能够提高森林演替晚期SOC累积矿化量和矿化速率,而对森林演替早期SOC累积矿化量和矿化速率没有显著影响(P>0.05).2)干旱条件(降水量减少)降低森林SMBC含量,且在鼎湖山季风林表层土壤(0～10 cm)中SMBC的减少达到显著水平(P<0.05).3)N添加处理对鼎湖山3种森林类型SOC累积矿化量、矿化速率以及SMBC都没有显著影响(P>0.05).未来关于SOC矿化对全球变化响应的研究,要综合考虑土壤有机质质量、C/N比例、外源性氮输入等因素的作用.图4表2参37     

仿生植物附着微生物膜对污染水体氮素迁移转化效能分析

通过室外及室内控制试验,研究5种常见填料作为原材料制成的仿生植物对污染水体氮素的去除性能,结果表明,仿生植物原材料的差异将直接影响其附着生物膜特性,其附着生物膜量、硝化强度、反硝化强度以及硝化细菌、反硝化细菌均表现为：软性填料﹥组合填料﹥悬浮填料﹥立体弹性填料﹥半软性填料。水深对仿生植物附着生物膜亦有不同程度的影响,其中生物膜量随水深的增加并未表现出明显的分层效应,而生物膜硝化作用强度、硝化细菌随水深的增加逐渐降低,但生物膜反硝化作用强度、反硝化细菌则随水深的增加则呈现出逐渐增加的趋势。5种不同材质的仿生植物对水体TN、NH4＋-N、NO3--N具有较好的去除效果,去除率表现为：软性填料﹥组合填料﹥悬浮填料﹥立体弹性填料﹥半软性填料﹥对照系统。同时,仿生植物种植密度也影响其对水体氮素的去除效果,表现为CK〈7株·m-3〈13株·m-3〈20株·m-3,研究结果将为仿生植物的野外实际应用及我国城市重污染河道水质原位修复提供技术支持。     

矿化垃圾作回灌型准好氧填埋场日覆盖材料的适宜性研究

本文在对矿化垃圾的基本性质进行测定的基础上,将其作为填埋场覆盖材料进行室内模拟实验.结果显示:经过筛分后的矿化垃圾细料可作为回灌型准好氧填埋场的日覆盖材料,除了具有日覆盖材料的常规功能外,还有净化渗滤液的能力;矿化垃圾对渗滤液中污染物的净化能力优于普通砂土;矿化垃圾作日覆盖材料的最佳粒度为d≤3mm,最优厚度为13cm,双层结构对污染物的净化能力优于单层结构.所以矿化垃圾是一种性能良好的日覆盖替代材料.     

季节性雪被对青藏高原东缘高寒草甸土壤氮矿化的影响

依据自然雪被分布的差异,在青藏高原东缘高寒草甸中设置3条样带(即深雪、中等厚度雪被和浅雪),于2008年的秋冬过渡期,连续监测各样带中的雪被厚度和土壤温度,并采用原位培养法测定每月的土壤氮素氨化、硝化和矿化速率,以研究不同厚度雪被对高寒草甸土壤氮矿化的影响.结果表明,月均土温、每月日最高土温均值分别与雪被厚度极显著相关,二次函数关系拟合较好(R2=0.576,0.685),且根据每月日最高土温均值与雪被厚度的二次函数关系方程可知,25 cm厚的雪被可以起到较好的隔绝效果;土壤含水量受雪被厚度和土壤温差两个因素的显著影响.在秋冬过渡期末,浅雪梯度下土壤硝态氮含量显著降低,且雪被下的净氮矿化速率与月均土温、每月日最高土温均值、每月日最低土温均值都分别呈极显著相关,二次函数关系拟合较好(R2=0.589,0.541,0.601).研究表明,不同厚度的雪被对土壤温度和含水量影响显著,从而显著地影响着土壤氮的矿化,深雪更有利于氨化、硝化和氮矿化.图7表2参36     

温度和氮素输入对青藏高原三种高寒草地土壤碳矿化的影响

选取了海北高寒草甸、那曲高寒草原和当雄高寒湿地3种典型高寒草地生态系统类型为研究对象,采集了表层0~10 cm土壤,在实验室内进行可控温度下的碳矿化培养实验。结果表明,青藏高原土壤碳矿化在不同高寒草地类型间存在显著差异（P≤0.05）。在较低的温度下,高寒湿地土壤的碳矿化速率显著低于高寒草甸土壤,而温度在15℃左右时,高寒湿地土的碳矿化速率略高于高寒草甸土壤,当温度处于较高的水平时（〉20℃）,高寒湿地土壤碳矿化速率远高于高寒草甸土壤,高寒湿地土壤碳矿化的Q10显著大于高寒草甸。无论是低温还是较高的温度,高寒草原土壤碳矿化速率最低,数值范围也最窄。高寒草甸和高寒湿地土壤碳矿化均受温度的显著影响（P≤0.05）,其速率均跟温度呈现一级指数函数方程关系,而高寒草原土壤碳矿化速率与温度间未呈现明显的函数关系,但不同温度间的土壤碳矿化速率存在显著差异。氮素输入对高寒草甸和高寒湿地土壤碳矿化的影响不明显,但显著促进了高寒草原土壤碳矿化作用。