層狀包氣帶“三氮”污染物遷移轉(zhuǎn)化原位實(shí)驗(yàn)研究

黃金廷，宋歌，蒲芳，王嘉瑋，李宗澤，張方，孫芳強(qiáng)

1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054

地下水是人類賴以生存的水源，水質(zhì)與人類健康密切相關(guān)（吳娟娟等，2019）。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中大量施用化肥導(dǎo)致地下水污染，水質(zhì)型缺水愈發(fā)凸顯（Gu et al，2013；Zhai et al.，2017）?！叭蔽廴疚镒鳛檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中危害最為嚴(yán)重的污染物之一，其遷移轉(zhuǎn)化的行為特征受到廣泛關(guān)注（Yu et al.，2009；姜翠玲等，1997；金銘，2013；王昊，2013）。由此，開展“三氮”污染物的遷移轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)確定合理施肥量、土壤-地下水污染防控等具有重要的指導(dǎo)意義（趙磊等，2009；吉恒瑩等，2016）。

“三氮”污染物在包氣帶中遷移轉(zhuǎn)化受降水灌溉入滲、巖性結(jié)構(gòu)、地下水埋深等影響，其中，包氣帶巖性結(jié)構(gòu)是主要的影響因素（王全九等，2007）。根據(jù)土壤分層的特征，包氣帶巖性結(jié)構(gòu)可分為兩類：一類是上層滲透性較弱的細(xì)質(zhì)土，下層滲透性較強(qiáng)的粗質(zhì)土，即“上細(xì)下粗”結(jié)構(gòu)；第二類是上層滲透性較強(qiáng)的粗質(zhì)土，下層為滲透性較弱的細(xì)質(zhì)土，即“上粗下細(xì)”結(jié)構(gòu)（李翔等，2013）。在“上粗下細(xì)”包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對(duì)“三氮”運(yùn)移影響方面，李久生等（2009）對(duì)比砂土、砂壤土以及上層砂土下層砂壤土結(jié)構(gòu)中水分與“三氮”污染物運(yùn)移特征，發(fā)現(xiàn)砂土-壤土界面限制了水分的垂向運(yùn)動(dòng)，在砂-壤界面下部形成了水分與硝酸鹽氮污染物的聚集區(qū)。Thomas et al.（2012）研究表明，土-礫界面是土壤反硝化作用活躍區(qū)，能有效阻滯硝酸鹽氮污染物向地下水中運(yùn)移。田路遙等（2020）研究“上粗下細(xì)”包氣帶中不同黏土層厚度對(duì)硝態(tài)氮遷移的影響，發(fā)現(xiàn)下層黏土層達(dá)到一定厚度時(shí)（40 cm），對(duì)硝態(tài)氮污染物垂向遷移的阻滯作用與反硝化作用影響顯著。劉超等（2012）利用室內(nèi)沙箱實(shí)驗(yàn)?zāi)M包氣帶上粗下細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)“三氮”遷移轉(zhuǎn)化的影響，發(fā)現(xiàn)下層黏土對(duì)氨氮污染物具有明顯的阻滯作用。

上述研究結(jié)果表明，“上粗下細(xì)”型包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對(duì)氮污染物的阻滯作用顯著，對(duì)土壤-地下水污染防控中采用黏土作為防滲層具有重要指導(dǎo)意義。針對(duì)“上細(xì)下粗”型包氣帶結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究則著眼于層狀結(jié)構(gòu)水分運(yùn)移的影響。Anderson et al.（1999）和Huang et al.（2015）的研究表明，當(dāng)粗粒介質(zhì)上覆一層細(xì)粒介質(zhì)時(shí)，粗粒層可有效阻滯水分的垂向運(yùn)移。包氣帶層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)壁壘效應(yīng)對(duì)典型溶質(zhì)遷移影響方面研究?jī)?nèi)容則相對(duì)較少。本文在野外原位實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析“上細(xì)下粗”包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對(duì)“三氮”污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響，以期為地下水“三氮”污染物防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 原位實(shí)驗(yàn)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)概況

原位實(shí)驗(yàn)在漢中市漢臺(tái)區(qū)南部沖洪積平原（107°2′E，33°3′N，海拔高度 510.0 m）開展。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地南鄰漢江，北依秦嶺，地勢(shì)北高南低。多年平均氣溫 14.5 ℃，極端最高氣溫 38 ℃，最低氣溫-10.1 ℃。多年平均降雨量855.3 mm，最大降雨量為1462.8 mm。

土壤顆粒分析結(jié)果表明（圖1），實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地包氣帶具有明顯的分層特征。0—355 cm為粉土，有效土壤粒徑（d30）為0.009 mm，平均土壤粒徑（d50）為 0.031 mm，平均砂粒、粉粒、黏粒占比分別為30.98%、50.23%、12.13%。包氣帶上部粉土層35、60、80、150、200 cm處黏粒含量較高，平均黏粒占比為 13.82%，超出平均黏粒含量 1.69%。355—410 cm為中砂，d30為0.201 mm，d50為0.591 mm，平均石粒、礫粒、砂粒、粉粒分別為22.28%、13.83%、62.85%、1.05%。410 cm至潛水面為砂卵礫石層，d30為0.499 mm，d50為17.062 mm，平均石粒、礫粒、砂粒、粉粒占比分別為32.60%、23.80%、42.90%、0.7%。地下水位埋深介于583—703.6 cm之間。

圖1 土壤顆粒級(jí)配曲線圖Figure 1 Soil particle gradation curve

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原位實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)占地面積為 30.24 m2，由氣象要素監(jiān)測(cè)區(qū)、有壓入滲試驗(yàn)區(qū)、含水率監(jiān)測(cè)區(qū)、地下水水位監(jiān)測(cè)區(qū)組成。采用 Vantage Pro2型小型氣象站（美國(guó)DAVIS公司）監(jiān)測(cè)氣象條件，監(jiān)測(cè)要素包括氣溫、濕度、露點(diǎn)、風(fēng)速、風(fēng)向、熱指數(shù)、紫外線指數(shù)、太陽(yáng)輻射、降水量和氣壓等。監(jiān)測(cè)頻率為每隔10秒掃描1次，每隔10分鐘記錄1次。有壓入滲實(shí)驗(yàn)采用雙環(huán)，其中，內(nèi)環(huán)與外環(huán)規(guī)格為1.7 m×1.2 m×0.5 m和2.0 m×1.5 m×0.5 m，采用馬里奧特瓶保持環(huán)內(nèi)10 cm定水頭。入滲溶液濃度和入滲量按當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)施碳銨量和灌溉定額確定，配比的氨氮濃度為 85 mg·L-1（以N計(jì)），共80 L。在雙環(huán)南側(cè)0.3 m設(shè)置地下水取樣井，豎井內(nèi)土壤剖面10、20、35、60、80、100、150、200、250、300、350、395、505、600 cm 處安裝EC-5土壤含水率監(jiān)測(cè)儀（美國(guó)Meter公司生產(chǎn)，測(cè)量范圍 0—100%VWC），含水率數(shù)據(jù)每隔 10秒掃描1次，CR3000數(shù)據(jù)采集器（美國(guó)CAMPBELL公司）每隔10分鐘記錄1次。監(jiān)測(cè)豎井南側(cè)0.3 m處設(shè)置地下水位監(jiān)測(cè)井，成井深度10.4 m（潛水面以下5 m）。使用Rugged Troll 100型自動(dòng)記錄水位儀（美國(guó)In-Situ Inc公司）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)。雙環(huán)南側(cè) 0.3m設(shè)置地下水取樣井，成井深度與水位監(jiān)測(cè)井相同，定期抽取地下水水樣。“三氮”土壤樣品在監(jiān)測(cè)豎井預(yù)留取樣孔內(nèi)采集，取樣深度與含水率監(jiān)測(cè)儀安裝深度相同。監(jiān)測(cè)豎井施工過(guò)程中，在 10、20、35、60、80、100、150、200、250、300、350、355、395、410、440、470、505、600 cm 處采集土壤顆粒分析樣品（每組2 kg）。

入滲實(shí)驗(yàn)于2020年10月4日開始，共持續(xù)10 h。前6小時(shí)為溶液入滲，后4小時(shí)加入清水模擬有壓入滲。實(shí)驗(yàn)開始前（10月4日）采集土壤與地下水樣品各一組作為“三氮”背景質(zhì)量分?jǐn)?shù)。10月5—9日期間“三氮”的土壤和地下水樣品采集時(shí)間為每天1次，入滲實(shí)驗(yàn)結(jié)束5 d后每3天采集1次。實(shí)驗(yàn)期間共采集土壤樣品413組，地下水樣品37組。

1.2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為了分析包氣帶分層界面的毛細(xì)壁壘效應(yīng)，采用楊-拉普拉斯方程（Laplace’s equation）確定不同粒徑毛細(xì)管內(nèi)水分運(yùn)移。方程中所需的接觸角由毛細(xì)管上升實(shí)驗(yàn)測(cè)定（楊松等，2015）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為：將原位實(shí)驗(yàn)場(chǎng)采集的粉土（采樣深度355 cm）、中砂（采樣深度395 cm）與砂卵礫石（采樣深度505 cm）樣品裝入內(nèi)徑為1 cm長(zhǎng)20 cm的玻璃管內(nèi)，玻璃管內(nèi)壁涂抹凡士林以消除邊壁效應(yīng)影響。玻璃管另一端用玻璃棉封住，并將土樣反復(fù)敦實(shí)至土柱高度基本不變。將純水倒入100 mL燒杯中，并將燒杯放入恒溫水浴鍋保持溫度恒定（24 ℃）。將裝有土樣的玻璃管豎直放入水中，當(dāng)液面到達(dá)埋深（l）時(shí)開始計(jì)時(shí)，并記錄一段時(shí)間（t）內(nèi)液體上升的高度（h）。接觸角（θ）按下式計(jì)算：

式中：

R——土壤有效粒徑（d30）；

σ——液體的表面張力；

η——液體的粘度；

θ——濕潤(rùn)接觸角；

h——液體上升高度；

l——埋深。

土壤“三氮”污染物濃度檢測(cè)采用《土壤氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的測(cè)定 氯化鉀溶液提取-分光光度法》（HJ 634—2012）法。樣品采集完畢后于4 ℃冷藏3日內(nèi)檢測(cè)完畢。地下水“三氮”濃度檢測(cè)依照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》（GB/T 5750—2006），樣品采集后密封保存并3日內(nèi)檢測(cè)完畢。

采用Peclet數(shù)（Peclet number，NPE）判別污染物運(yùn)移過(guò)程中對(duì)流或彌散占優(yōu)（式2）。

式中：

V——線性地下水流速；

dm——平均粒徑；

Dd——擴(kuò)散系數(shù)；其中NH4+的分子擴(kuò)散系數(shù)取1.52 cm2·d-1，NO3-的分子擴(kuò)散系數(shù)取 1.64 cm2·d-1（王文焰等，1998）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率變化規(guī)律分析

受包氣帶巖性結(jié)構(gòu)影響，原位實(shí)驗(yàn)測(cè)得粉土層含水率（平均含水率0.23 cm3·cm-3）普遍大于中砂層（平均含水率0.01 cm3·cm-3）與砂卵礫石層（平均含水率0.10 cm3·cm-3）。在粉土層靠近粉-砂交界面（355 cm）處出現(xiàn)明顯的含水率突變，平均含水率降至0.02 cm3·cm-3。整個(gè)剖面各層含水率最高值均出現(xiàn)在10月4日與10月5日（圖2）。

圖2 含水率分布變化圖Figure 2 Distribution of soil water contents

包氣帶上部粉土層中10、100、200 cm處含水率較高。包氣帶中部 300 cm處含水率也出現(xiàn)了明顯的界線（圖2）。顆粒分析結(jié)果表明，包氣帶粉土層中20—80 cm處土壤中黏粒含量較高，為15%—16%，與150—300 cm處相同。80—150 cm處黏粒占比相對(duì)較低，為11%—12%?？梢?jiàn)，相同巖性中，土壤中黏粒占比差異對(duì)土壤含水率影響較大。300—350 cm處為包氣帶粉土層與中砂層分界線，巖性結(jié)構(gòu)的突變使得水分在上層粉土中優(yōu)先儲(chǔ)存，而下層的砂層起到了一定的阻水作用，即毛細(xì)壁壘效應(yīng)。這種現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在“上細(xì)下粗”型層狀包氣帶巖性結(jié)構(gòu)中，在前人對(duì)“上粗下細(xì)”型巖性結(jié)構(gòu)研究中也出現(xiàn)過(guò)類似現(xiàn)象（王文焰等，1998）。這種現(xiàn)象可用楊-拉普拉斯方程進(jìn)行解釋：

式中：

R1——毛管彎液面的第一曲率半徑；

R2——毛管彎液面的第二曲率半徑；

P0——水平面的表面壓力；

α——液體的表面張力。

曲率半徑由下式計(jì)算（姚海林，2005），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 包氣帶各層土壤液面曲率半徑Table 1 Curvature radius of liquid surface

式中：

R——曲率半徑；

r——毛細(xì)管半徑；

θ——固體界面與氣液界面之間的夾角（接觸角）；凸液面表面張力大于平液面時(shí)，α前取正號(hào)；凹液面表面張力小于平液面表面張力時(shí)，α前取負(fù)號(hào)。

在“上細(xì)下粗”的結(jié)構(gòu)中，下部的砂層具有良好的阻水性，下滲水流滯留于砂層以上的土體中，入滲過(guò)程是一入滲速率較小的穩(wěn)滲階段（程?hào)|會(huì)等，2016）。包氣帶上部粉土的曲率半徑（0.032 mm）小于下部中砂（17.75 mm）。此時(shí)上部細(xì)粒介質(zhì)中彎液面具有方向向上的表面張力，大于下部粗粒介質(zhì)彎液面所具有的向下的表面張力，這阻滯了水分的垂向運(yùn)移，造成了包氣帶層狀界面 350 cm處出現(xiàn)水分堆積。實(shí)驗(yàn)期間地下水位在580—704 cm之間波動(dòng)，砂卵礫石層受地下水水位波動(dòng)影響，含水率較中砂層略高。

2.2 “三氮”污染物變化規(guī)律分析

原位實(shí)驗(yàn)場(chǎng)氨氮污染物平均背景質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06 mg·kg-1，亞硝酸鹽氮背景質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.16 mg·kg-1，硝酸鹽氮背景質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10.51 mg·kg-1。將檢測(cè)所得各層“三氮”污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)減去相應(yīng)背景質(zhì)量分?jǐn)?shù)后插值得到土壤剖面不同深度“三氮”污染物濃度隨時(shí)間變化圖（圖3）。由圖3可知，氨氮污染物主要聚集在包氣帶上部粉土層中，濃度由地表向下逐漸降低（平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.66 mg·kg-1）。入滲實(shí)驗(yàn)結(jié)束后2 d出現(xiàn)明顯層狀聚集，包氣帶上部粉土層300 cm處氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.98 mg·kg-1，超出平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.26 mg·kg-1。包氣帶中部砂層氨氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.86 mg·kg-1，超出平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)度0.13 mg·kg-1。包氣帶下部砂卵礫石層氨氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.79 mg·kg-1，超出平均質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.06 mg·kg-1。Peclet數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，亞硝酸鹽氮在入滲實(shí)驗(yàn)結(jié)束后1 d出現(xiàn)層狀聚集現(xiàn)象，入滲實(shí)驗(yàn)2 d后達(dá)到濃度峰值。包氣帶上部粉土層質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值為2.45 mg·kg-1（300 cm），平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.55 mg·kg-1。中部中砂層亞硝酸鹽氮最高濃度為 2.25 mg·kg-1（395 cm），超出平均質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.7 mg·kg-1。包氣帶下部砂卵礫石層最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.289 mg·kg-1（505 cm），超出平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.739 mg·kg-1。亞硝酸鹽氮作為硝化反應(yīng)中間產(chǎn)物，約在入滲實(shí)驗(yàn)結(jié)束后20 d降至檢出限（0.02 mg·kg-1）以下。硝酸鹽氮污染主要聚集在包氣帶上部粉土層，近地表處質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.27 mg·kg-1（10 cm），超出平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)33.58 mg·kg-1。包氣帶中部砂層與下部砂卵礫石層質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差較小，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 16.71 mg·kg-1與 16.52 mg·kg-1。

圖3 “三氮”污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布等值線圖Figure 3 Contour map of “three nitrogen” pollutant mass fraction

原位實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氨氮與硝酸鹽氮污染物以對(duì)流遷移為主（表2）。土壤平均粒徑越大，Peclet數(shù)越大，對(duì)流速率越大。入滲實(shí)驗(yàn)前期包氣帶粉土層土壤黏粒含量占比變大導(dǎo)致10、100、200、300 cm處均出現(xiàn)了含水率升高，但氨氮污染物僅在粉土-中砂交界處（355 cm）出現(xiàn)聚集。可見(jiàn)，粉土層中土壤黏粒含量變化對(duì)氨氮污染物垂向入滲阻礙作用較弱，包氣帶巖性結(jié)構(gòu)由細(xì)變粗造成的毛細(xì)壁壘效應(yīng)是阻滯氨氮污染物由粉土層向下遷移的主要原因。入滲實(shí)驗(yàn)結(jié)束后25 d，300 cm處氨氮污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。這是由于持續(xù)降水使得粉土層土壤含水率不斷上升，毛細(xì)壁壘的阻滯作用在粉土與中砂層中形成了較大的壓力梯度，形成了毛細(xì)穿透。包氣帶表層土壤中氨氮污染物逐漸反應(yīng)生成亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮使得氨氮污染物濃度降低。上層氨氮污染物隨入滲水流向下層遷移，造成 150 cm處氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。包氣帶中下部的砂層與砂卵礫石層均未出現(xiàn)明顯的氨氮污染物聚集現(xiàn)象，氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大，即滲透性能較好的土壤類型對(duì)以對(duì)流遷移方式為主的氨氮污染物阻滯作用較弱。

表2 各土壤層的Peclet數(shù)計(jì)算值Table 2 Peclet number at different soil layer

3 討論

“三氮”污染物在包氣帶中的運(yùn)移包括對(duì)流和彌散過(guò)程。氨氮污染物中的NH4+易溶于水而隨入滲水流遷移，但由于一般土壤膠體均帶有負(fù)電荷，能夠吸附NH4+，從而延緩和阻滯NH4+的進(jìn)一步遷移和轉(zhuǎn)化。NO3-離子則受到排斥作用，易隨土壤水流失，進(jìn)入到地下水中。因此，在研究過(guò)程中土壤對(duì)硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮污染物的吸附可以忽略（馮紹元等，1996；陸垂裕等，2004；唐蓮，2009）。

亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮在包氣帶中的存在形態(tài)與含氧條件密不可分（張娟，2011）。亞硝酸鹽氮污染物主要聚集在包氣帶中部200—400 cm處，聚集處質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于2.25—2.45 mg·kg-1之間。亞硝酸鹽氮濃度主要受到硝化反應(yīng)的制約，包氣帶上層中硝化反應(yīng)進(jìn)行得較為徹底，使得亞硝酸鹽氮進(jìn)一步被氧化生成硝酸鹽氮。包氣帶中部中砂層中含水率較低有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，因此在實(shí)驗(yàn)前期出現(xiàn)了濃度峰值。亞硝酸鹽氮作為硝化反應(yīng)中間產(chǎn)物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降速度較快，因此未觀察到包氣帶中部亞硝酸鹽氮隨入滲水流向下遷移。

硝酸鹽氮污染物是由氨氮污染物硝化反應(yīng)產(chǎn)物，其在包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化作用易受到巖性結(jié)構(gòu)影響（Angelopoulos et al.，2009）。本次原位實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，硝酸鹽氮污染物主要聚集在包氣帶150 cm以上，且近地表處濃度較高。這主要是由于包氣帶上部硝化作用較強(qiáng)，氨氮污染物經(jīng)硝化反應(yīng)生成硝酸鹽氮污染物。同時(shí)，包氣帶上部粉土層有效阻滯了包氣帶中的氧分交換（Yong et al.，2015；Liu et al.，2017；董悅安等，1999；楊維等，2008），造成包氣帶中部300—400 cm處硝化反應(yīng)強(qiáng)度弱，生成硝酸鹽氮污染物含量少。地下水硝酸鹽氮濃度檢測(cè)結(jié)果顯示，硝酸鹽氮污染物濃度呈上升趨勢(shì)。其中，入滲實(shí)驗(yàn)結(jié)束25 d前硝酸鹽氮濃度呈現(xiàn)小幅度波動(dòng)，平均硝酸鹽氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.84 mg·kg-1，最大硝酸鹽氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.64。包氣帶粉-砂交界面上部硝酸鹽氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.69 mg·kg-1，去除率為40.65%?？梢?jiàn)，“上細(xì)下粗”型層狀包氣帶結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的毛細(xì)壁壘對(duì)硝酸鹽氮污染物具有一定阻控作用。

實(shí)驗(yàn)前期包氣帶粉-砂交界處氨氮污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.76 mg·kg-1，地下水中氨氮污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02 mg·kg-1，去除率為97.37%?？梢?jiàn)流入地下水中的氨氮污染物濃度較低，“上細(xì)下粗”型層狀包氣帶結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)前期能有效阻滯氨氮污染物的垂向遷移（圖4）。入滲實(shí)驗(yàn)結(jié)束25 d后，包氣帶粉-砂交界面處毛細(xì)壁壘效應(yīng)被打破，上層堆積氨氮污染物垂向入滲造成地下水中氨氮污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)大幅上升。

圖4 地下水“三氮”污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)圖Figure 4 Change of the groundwater “three nitrogen” pollutant mass fraction

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用氮肥施入土壤后主要以NH4+形式吸附在包氣帶中（Lars，1987）。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，進(jìn)入包氣帶中的氨氮污染物首先被大量吸附于包氣帶上部土層，后經(jīng)硝化反應(yīng)生成硝酸鹽氮，造成流入地下水中的氨氮污染物濃度較低。然而，不同性質(zhì)的土壤對(duì)氨氮污染物吸附作用有著不同程度的影響（董悅安等，1999；同延安等，2005；劉超等，2012）。因此，以往研究結(jié)果更多著重于層狀包氣帶中入滲性能較弱土層對(duì)氨氮污染物的阻滯與吸附作用，忽略了層狀包氣帶結(jié)構(gòu)對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的控制。本研究結(jié)果表明，包氣帶各層均由滲透性能較強(qiáng)土壤構(gòu)成的情況下，由包氣帶“上細(xì)下粗”結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的毛細(xì)壁壘在實(shí)驗(yàn)前期能有效阻滯氨氮污染物的垂向運(yùn)移。同時(shí)，毛細(xì)壁壘對(duì)更易隨水流入滲的硝酸鹽氮污染物也具有一定的阻滯作用。

4 結(jié)論

（1）“三氮”污染物在層狀非均質(zhì)包氣帶中垂向分布具有明顯的層狀分布特點(diǎn)。其中氨氮污染物主要聚集在包氣帶粉土層中（0—355 cm），平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.66 mg·kg-1。亞硝酸鹽氮污染物主要聚集在包氣帶中部粉土層與中砂層中（250—400 cm），平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.55 mg·kg-1。硝酸鹽氮污染物受到硝化反應(yīng)制約，主要產(chǎn)生在包氣帶上部粉土層近地表處（0—35 cm），平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 26.69 mg·kg-1。

（2）“上細(xì)下粗”型結(jié)構(gòu)所形成的毛細(xì)壁壘效應(yīng)對(duì)氨氮以及硝酸鹽氮污染物都具有阻控作用，氨氮、硝酸鹽氮污染物分別減少97.37%與40.65%。

（3）層狀包氣帶結(jié)構(gòu)對(duì)硝化作用的影響是造成亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮污染物出現(xiàn)聚集的主要原因。