坡度對入滲河岸帶表土層氮素截留效果的影響

錢 進,王 超,王沛芳,侯 俊,高越超

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

河岸帶對地表徑流以及入滲表土層壤中流中的非點源污染物有顯著的截留凈化作用[1-5].可溶態(tài)非點源污染物的去除主要發(fā)生在河岸帶表土層.滲透到河岸帶表土層土壤中的氮磷,可通過植物吸收、微生物固定、反硝化作用以及土壤吸附等過程實現(xiàn)截留與轉(zhuǎn)化[6].坡度作為影響河岸帶對徑流及壤中流中氮磷截留效果的重要變量備受關(guān)注.近年來,國內(nèi)外眾多學(xué)者通過野外試驗研究了坡度與河岸帶氮磷截留效果之間的相互關(guān)系,并取得了大量的研究成果[7-14].但這些研究野外試驗較多而室內(nèi)模擬較少,針對地表徑流較多而壤中流較少,探索不同坡度條件下截留效果差異性的較多而尋求坡度與截留效果之間響應(yīng)關(guān)系的較少.

為了減少野外試驗不可預(yù)見因素的影響,筆者自制土槽裝置,室內(nèi)模擬河岸帶“土壤-植物-微生物”系統(tǒng),在分析水分非飽和入滲運移特性的基礎(chǔ)上,剖析坡度對入滲河岸帶表土層氮素截留效果的影響,尋求坡度與入滲河岸帶表土層氮素截留效果之間的響應(yīng)關(guān)系,為河岸帶適宜寬度的確定以及河岸帶綜合治理、修復(fù)與設(shè)計提供理論依據(jù).

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

圖1 單個土槽及排水?dāng)嗝媸疽鈭D(單位:m)Fig.1 Sketch of a soil tank and drainage section(units:m)

本文試驗由4個土槽并聯(lián)組成,每個土槽尺寸均為120cm×40 cm×30 cm(圖1),且種植不同的植物.土槽由聚乙烯焊接而成,土槽前端的進水箱與主體土槽連成一體,后端邊壁上開排水孔,側(cè)端邊壁上開取樣孔.試驗時人工配置污水在流量計和蠕動泵的控制下,通過進水箱漫流進入土槽中.根據(jù)試驗需要,抬高土槽進水端,可形成試驗要求的不同坡度.

1.2 試驗材料

1.2.1 土壤

土槽中填置的土壤為人工擾動土,采自長江江心洲河灘的細砂和河海大學(xué)花房里用于花卉栽培的壤土.兩者分別曬干篩分后,以1∶10的比例混合均勻,分層填入土槽,每填10 cm壓實1次,使得土壤均勻分布.填土?xí)r特別注意邊壁上土壤的壓實程度,不留孔隙,避免污水從大孔隙直接流出.試驗土壤為均質(zhì)砂壤土,土粒相對密度為2.63,有機質(zhì)含量較高.裝填土壤顆粒組成為:粒徑2～5mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.18%,粒徑1～2mm為2.20%,粒徑0.5～1mm為 17.07%,粒徑0.25～0.5mm 為14.25%,粒徑0.1～0.25mm 為 29.21%,粒徑0.075～0.1mm為7.06%,粒徑0.005～0.075mm為23.22%,粒徑小于0.005mm為2.81%.

1.2.2 植物的選擇及生長情況

選擇種植狗牙根、黑麥草、高羊茅3種河岸帶常見植物進行對比試驗.狗牙根播種量為15g/m2,黑麥草播種量為25g/m2,高羊茅播種量為35g/m2.試驗時,三者長勢良好,種植狗牙根的土槽植被覆蓋度約75%,種植黑麥草和高羊茅的土槽植被覆蓋度達到95%以上.試驗時3種植物的根系平均長均約10 cm.

1.3 試驗方法

試驗正式開始前,向土槽中連續(xù)以小負荷進自來水滲流14 d,使土壤充分飽水,以改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu),同時使得土槽中土壤各部分氮的本底濃度接近.然后停止進水7 d后開始試驗.試驗前土壤初始含水率約為10%.試驗時室溫22～27℃.

設(shè)置土槽坡度分別為1∶10,1∶5,1∶3,1∶2 進行試驗.試驗開始時,調(diào)節(jié)流量計,保持每個土槽進水流量為7.5L/h;在試驗過程中,將每個取樣點的活動夾打開,記錄每個取樣點水樣首次流出水體的時間.當(dāng)2號點開始流出水體時停止進水,試驗11h時將每個土槽1號、2號取樣點的活動夾打開放水2min,然后取水樣化驗.水樣檢測指標(biāo)為氨氮(NH+4-N)、總氮(TN),分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[15].實測進水水質(zhì)見表1.

表1 試驗污水主要污染物質(zhì)量濃度Tab le 1 Main pollutant concentrations of experimental water

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同坡度土壤水分運移特性

種植高羊茅的土槽在不同坡度條件下1號、2號取樣點初始出流時間見圖2.從圖2可以看出,距土壤表面不同深度的1號、2號取樣點,其初始出流時間均表現(xiàn)為坡度越小,出流時間越長.如1號點,坡度1∶10條件下初始出流時間約為坡度1∶2條件下的3倍.該現(xiàn)象表明,在入滲流量、植被等其他因素不變的情況下,坡度影響入滲水流在土槽中的停留時間,進而影響了各取樣點的初始出流時間.

圖2 高羊茅土槽不同坡度取樣點初始出流時間Fig.2 Initial outflow time of sampling points in tall fescue soil tank under different slopes

2.2 不同坡度條件下氮素的截留效果

不同坡度條件下,NH+4-N,TN的截留效果如圖3所示.

從圖3可以看出,無植被裸地以及種植狗牙根、黑麥草、高羊茅的4個土槽-N,TN的截留率均隨坡度的增大而降低.如種植黑麥草的土槽,在坡度1∶10條件下,1號取樣點-N,TN的截留率分別高達72.12%,76.37%,而坡度1∶2條件下則分別為18.77%,19.79%.而且,-N,TN截留率的變化與坡度的變化不呈線性關(guān)系,表現(xiàn)為-N,TN截留率降低的幅度隨坡度的變大而增加.

該試驗結(jié)果與吳建強[12]在上海野外進行的試驗結(jié)果一致,這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由不同坡度條件下入滲水流在土槽中停留時間的不同引起的.入滲水流在土槽中的停留時間影響污染物的截留效果,坡度越小,停留時間越長,截留效果越好.

圖3 不同坡度對氮素的截留效果Fig.3 Nitrogen retention rates under different slopes

2.3 坡度對不同深度氮素截留效果的影響

從表2可以看出,坡度越小,氮素的截留效果越好,但不同土層深度的截留效果差別較大;坡度越大,氮素的截留效果較差,但不同土層深度的凈化效果差別卻較小.

該結(jié)果可以進一步說明坡度是影響入滲氮素在河岸帶表土層中截留效果的重要因素;同時也表明,在表土層,坡度對氮素截留效果的影響遠遠大于土層深度對氮素截留的影響.

表2 不同土槽取樣點氮素平均截留率Table 2 Average nitrogen retention rates of sampling points in different soil tanks

2.4 坡度與氮素截留率的響應(yīng)關(guān)系

圖4 坡度與氮素截留率的響應(yīng)關(guān)系Fig.4 Response relationship between slope and nitrogen retention rate

1號取樣點TN凈化率(y)與坡度(x)的相關(guān)關(guān)系為

2號取樣點TN凈化率(y)與坡度(x)的相關(guān)關(guān)系為

3 結(jié) 論

a.坡度影響入滲水流在土壤表土層中的停留時間,坡度越小,入滲水流在表土層中的停留時間越長.

b.坡度越小,河岸帶表土層對氮素的截留效果越好,但不同土層深度的截留效果差別較大;坡度越大,河岸帶表土層對氮素的截留效果越差,但不同土層深度的凈化效果差別不大.

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