亚热带红壤丘陵区浅层地下水氮淋失特征研究

土壤养分累积引起的氮素(N)淋失是导致农区地下水污染的重要原因,也是农业面源污染的重要形式.本文以湖南省长沙县典型亚热带红壤丘陵流域为研究对象,通过连续定位观测,研究了林地、稻田、菜地和茶园4种代表性土地利用类型浅层(130~150 cm)地下水中N浓度的逐月动态变化特征.连续3年(2010—2013年)的观测结果表明:4种土地利用类型下浅层地下水总氮(TN)平均浓度差异显著(p0.05),其中,林地最低(0.85 mg·L-1),茶园最高(7.64 mg·L-1);从N的形态构成来看,林地、菜地和茶园浅层地下水中N形态以硝态氮(NO-3-N)为主,分别占TN的46.7%、70.2%和72.8%,而稻田浅层地下水N形态则以铵态氮(NH+4-N)为主,占TN 43.5%,表明土壤淹水条件是影响地下水N淋失形态的关键因子.地下水各形态N浓度的动态变化在不同土地利用下也迥然不同:林地地下水各形态N的含量低、变幅小,而稻田、菜地和茶园地下水N浓度变幅较大;采用单因子方法对不同土地利用下地下水的水质进行评价,结果表明:研究区浅层地下水中TN和NO-3-N无显著污染,NH+4-N污染较为严重,而综合指数法(F值法)进一步表明研究区浅层地下水污染主要出现在稻田和茶园,因此,控制稻田和茶园N肥的施用量是预防亚热带红壤丘陵区地下水N污染的关键.     

亚热带丘陵小流域土壤有效磷空间变异与淋失风险研究

肥料过施导致的土壤磷素累积和淋失是农业面源污染的重要方面.以湖南省长沙县金井镇脱甲河小流域(52 km2)为研究区,采用高密度布点采样、Arc GIS软件和属性相似反距离加权插值法研究了亚热带丘陵小流域表层(0~20 cm)土壤有效磷(Olsen-P)含量(以P计,下同)的空间分布特征与磷素的淋失风险.结果表明,菜地、果园、稻田和茶园土壤Olsen-P平均含量为62.0、16.1、14.4和13.7 mg·kg-1,是林地(平均含量为2.36 mg·kg-1)的5.8~26.3倍.5个土地利用类型土壤Olsen-P含量均具有高等变异水平和中等程度的空间自相关性(块基比C0/(C0+C)=50%),这与区内地形地貌、土壤母质、人工施肥等具有密切关系.根据土壤0.01 mol·L-1Ca Cl2浸提态P和Olsen-P的非线性关系可确定区内红壤和水稻土P的淋失风险临界值分别为69.97和98.40 mg·kg-1,并据此对脱甲河小流域土壤磷素淋失的风险进行了定量评价,结果表明旱地土壤具有明显较高的淋失风险,其中中等以上的比例占36.4%,而稻田土壤仅有0.2%,为中等以上淋失风险.因此,控制旱地(尤其是菜地)磷肥的投入是降低亚热带丘陵小流域土壤P淋失风险和减轻农业面源污染的关键.     

典型喀斯特小流域水文水化学过程对旱季暴雨的响应

通过定位监测和样品跟踪采集,在旱季对喀斯特小流域连续20天无前期降雨的一场暴雨(累计降雨量64mm)水文水化学过程进行了动态监测,并分析了相关的影响因素。结果表明,小降雨事件(8.5mm)未能引起溪流水位、电导率及温度的明显变化,而当累计降雨量达到35.5mm后溪流水开始响应。此后,溪流水文水化学参数对降雨快速响应,除硝态氮外,电导率(EC)、δ18 O、Ca2+迅速降至最低值,雨水稀释作用对其水化学变化起主要作用。通过对溪流新旧水比例进行划分发现,降雨前期和后期,溪流以旧水补给为主,而在水位快速上涨阶段,新水比例达到34%左右。两次降雨过程中,在溪流水水位升高的情况下,水体中硝态氮浓度仍然表现出高于雨前浓度的趋势。该研究为该区旱季小流域水资源利用和污染物防治方面提供了一定理论依据。     

铁基硅盐对土壤环境镉砷赋存形态及转化影响

为探明铁基硅盐对土壤镉砷赋存形态影响及各形态间转化规律,采用室内长期淹水培养吸附实验,研究不同比例铁硅材料对土壤离子态镉砷活性影响;筛选适宜铁基硅盐(FS)配比同时添加腐殖酸(FSC)和金属氧化物(FSCa),明确复配处理土壤中镉砷分级形态转化程度.结果显示,铁:硅比值增加10%,土壤pH值平均降低0.35;F₂-S₈处理土壤离子态镉降幅71%;F₁₀-S₀处理土壤离子态砷降低59.9%,离子态镉砷含量与硅酸盐-铁盐施用量互呈反比;处理F₄-S₆和F₆-S₄之间镉、砷钝化率产生交点,约为25%~30%.土壤中镉主要以可溶态为主,占比58%;砷主要以铁铝氧化态和钙结合态为主,占比40%和23%.铁硅比例为5:5或5.5:4.5左右复配能有效将铝结合态砷和铁铝氧化态砷转变为钙结合态砷和残渣态砷,可溶态镉转化为碳酸盐结合态镉以及铁锰氧化态镉,同步降低土壤中镉砷的活性.     

不同基质组合对氮磷吸附能力的研究

就地利用菜地改建小型湿地系统可能是实现农村生活污水消纳和资源化利用的一种有效途径,其中菜园土与吸附基质的组合直接关系水体污染物中氮磷的净化效果. 选取沸石、谷壳、活性炭、陶粒和菜园土作为试验基质,使用BET比表面积孔径分析仪、扫描电子显微镜和Ｘ射线衍射仪(EDX)对其进行表征,通过等温吸附试验分别筛选出对氮磷吸附效果较好的沸石和陶粒,设置菜园土∶陶粒∶沸石质量占比基质组合:F1(10∶0∶0)、F2(6∶2∶2)、F3(8∶1∶1)、F4(8∶2∶0)、F5(8∶0∶2)、F6(6∶1∶3)和F7(6∶3∶1). 在低、中、高3种氮磷浓度下,通过吸附动力学试验筛选出去除效果最好的基质组合. 结果表明:①5种单一基质中,活性炭、陶粒的比表面积(35.72、33.23 m2/g)和微孔体积(2.20×10?1、8.25×10?2 cm2/g)均较大;沸石和陶粒表面呈粗糙多孔结构. ②Freundlich和Langmuir等温吸附模型均能较好地拟合5种单一基质对氮磷的吸附,各基质对氮的饱和吸附量表现为沸石(2.00 mg/g)>陶粒(1.47 mg/g)>菜园土(1.17 mg/g)>活性炭(0.99 mg/g)>谷壳(0.21 mg/g),对磷的饱和吸附量表现为陶粒(1.28 mg/g)>活性炭(1.25 mg/g)>沸石(1.16 mg/g)>谷壳(0.80 mg/g)>菜园土(0.50 mg/g). ③7种基质组合对氮磷吸附具有相似的动力学特征,Elovich模型、双常数速率模型和一级反应动力学模型均能较好地模拟基质组合对不同污染负荷条件下氮磷的吸附规律. ④7种基质组合对氮磷的吸附速率均呈现先快后慢的趋势,最终于12~48 h趋于稳定. 研究显示,F2、F4和F7基质组合对氮磷的去除效果均较好,但考虑菜地改造的简易性和可操作性,F4为最佳基质组合,其在3种不同氮磷浓度下对氮、磷的吸附量分别为0.36~0.68和0.10~0.39 mg/g.      

红壤稻田系统有机物循环再利用潜力及增产作用

10年田间试验结果表明：红墩妥田系统有机养分循环再利用潜力大，水稻收获，年均从稻田系统中输出NPK的总量最大可达到224.7,53.0和271.4kg/hm^2，有机物循环再利用，年均可归N，P，K量最大分别为115.1,35.8和231.5kg/hm^2，占系统输总量的51.2%,67.5%g和85.3%，保持稻田系统内有机物循环再利用可提高系统生产力，在不施化肥的情况下，增产3056kg/hm^2，增施N肥，增产2753kg/hm^2，增施N，P肥，增产1543kg/hm^2；NPK配合，增产984kg/hm^2；有机物循环再利用还可增强稻田系统的稳产性能，降低稻谷产量的年际变异系数；有机物循环再利用对水稻的增产有着明显的残效叠加作用，在施用N，P，K化肥基础上圾机物养分循环再利用水稻增产率在试验期间的前5年为7．2％，后5年平均为9．4％。     

南方丘陵山地带土壤保持功能及其经济价值时空变化特征

土壤保持是生态系统提供的重要调节服务之一,在区域侵蚀控制以及生态安全的维持方面具有不可替代的作用。以全国主体生态功能区划中"两屏三带"的南方丘陵山地带为研究对象,在遥感和地理信息系统的支持下,以2000、2005和2010年3期生态系统类型数据为主要数据源,运用通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE)分析了南方丘陵山地带生态系统土壤保持功能,并对其经济价值进行动态核算。结果表明:10 a间,南方丘陵山地带土壤保持总量呈上升趋势,土壤保持总量上升了76.79×10⁷ t,森林、灌丛和农田生态系统是研究区土壤保持功能的主要贡献者,总贡献率3个年份分别为82.29%、82.59%和80.58%,不同生态系统土壤保持总量排序为森林> 灌丛> 农田> 草地> 湿地> 人工表面> 稀疏地,土壤保持能力排序为湿地> 草地> 灌丛> 森林> 农田> 人工表面> 稀疏地;10 a间,研究区土壤保持功能总经济价值增加了270.34×10⁸元,总经济价值中以保持土壤肥力价值为主;土壤保持功能经济价值的变化以轻微增加为主,其呈现增加的区域面积和价值增幅大于经济价值减少的区域面积和价值减幅。在对该区域生态系统进行保护的基础上,因地制宜地合理增加植被盖度对防治土壤侵蚀、保持土壤养分可以起到良好效果。     

不同性质硅肥影响土壤生物有效态镉砷的主要因素

为研究硅肥影响土壤中生物有效态镉(Cd)和砷(As)的主要因素,选择不同性质的3种碱性硅肥[Na₂SiO₃、 CaSiO₃与ASSF (pH 9～11)]和一种弱酸偏中性可溶硅肥(NSSF,pH 5～6)并通过添加不同用量硅肥(25～800 mg·kg^-1,以Si计)开展室内土盆试验,淹水共育21 d后对土壤基本理化性质进行检测,同时利用薄膜扩散梯度(DGT)提取土壤生物有效态Cd和As.结果表明,不同性质硅肥施用对土壤基本理化性质的影响差异显著,具体来说：3种碱性硅肥均显著提升土壤pH值(P<0.05),其中Na₂SiO₃提升土壤pH能力最强;而NSSF的施用则显著降低土壤pH值但提升了土壤Eh值(P<0.05),每单位质量(mg) Si添加量的NSSF可使土壤pH下降0.001 7个单位;在Si添加量达到400 mg·kg^-1后,3种碱性硅肥和NSSF土壤pH和Eh变化都趋于平缓. 4种不同性质硅肥提升土壤有效硅含量能...     

化肥减量配施秸秆对双季稻田固氮微生物群落的影响

基于3 a田间定位试验,研究了双季稻田化肥减量配施秸秆后第3 a对水稻产量、土壤肥力属性和固氮微生物群落结构特征的影响.设置了3种施肥模式：常规施化肥（CF）、化肥减量配施3 t ·hm^-2干重秸秆（CFLS）和化肥减量配施6 t ·hm^-2干重秸秆（CFHS）.结果表明,在化肥减量配施秸秆后第3 a,CFLS和CFHS在没有显著减少水稻籽粒产量（P>0.05）的情况下显著中和土壤酸化并提高土壤微生物量碳和氮、可溶性有机碳和有机碳含量（P<0.05）,同时显著减少了土壤氧化还原电位、铵态氮和硝态氮含量（P<0.05）,更有利于提高土壤氮素利用率.与CF处理相比,CFLS和CFHS的天然固氮功能群由于土壤碳储量增加和酸化程度降低等条件的改善而增加了Shannon、PD和Evenness指数（P<0.05）.化肥减量配施秸秆使Ferrigenium、硫氧化菌属（Sulfurivermis）、甲基单胞菌属（Methylomonas）、Methylovulum、外硫红螺菌属（Ectothiorhodospira）和念珠藻属（Nostoc）等固氮、固碳和植物促生功能微生物类群相对丰度显著提高（P<0.05）.综上所述,化肥减量配施3 t ·hm^-2和6 t ·hm^-2秸秆是改善土壤固氮微生物群落结构和提高土壤固氮潜力的有效措施.     

Cd/Sb/Pb复合污染对竺麻生长及吸收富集特征的影响

通过盆栽试验,分析了不同浓度Cd/Sb/Pb复合作用下苎麻的生长响应及重金属吸收、富集和迁移特征变化。结果表明,低浓度Cd/Sb/Pb复合处理对苎麻生长及生物量没有产生明显影响,而高浓度条件下则产生明显抑制效应,株高变矮,茎粗变细及生物量明显减少。苎麻体内Cd、Pb和Sb吸收量与污染土壤具有直接相关性,随复合处理浓度增加明显增大。至最高污染浓度处理时,苎麻体内重金属吸收量以Cd>Sb>Pb,地上部含量分别达335.74 mg/kg、157.55 mg/kg和92.31 mg/kg。复合处理下苎麻地上部对Cd、Sb和Pb的富集系数分别在0.67~0.88、0.13~0.17和0.05~0.06之间,均表现为随复合处理浓度增加而减少变化。苎麻Cd、Sb和Pb的转运系数分别为0.81~0.92、0.38~0.46和0.53~0.73,其中Cd、Sb的转运系数随复合处理浓度增加而增大,Pb则随复合处理浓度增加而减少。苎麻对重金属Cd/Sb/Pb复合污染具有较好吸收累积及转运能力,相比生物量小的植物而言,是目前修复重金属Cd/Sb/Pb复合污染的理想植物。