氨氮等污染物在不同土壤翻耕處理下的去除效果及機(jī)理解析

作者簡(jiǎn)介：孔倩茜，女，山東淄博人，工程師，碩士研究生，研究方向：環(huán)境監(jiān)測(cè)。

摘要：隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，土壤污染已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)健康的重要因素之一。氨氮作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的肥料，其過(guò)度施用和排放不當(dāng)往往導(dǎo)致土壤中氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，從而引發(fā)土壤污染問(wèn)題。目前，關(guān)于不同土壤翻耕處理對(duì)氨氮等污染物去除效果及機(jī)理的研究尚相對(duì)不足，為了更好地理解和解決土壤污染問(wèn)題，通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和分析，探討不同土壤翻耕處理對(duì)氨氮等污染物的去除效果及機(jī)理。

關(guān)鍵詞：氨氮；土壤翻耕；污染物去除；機(jī)理解析

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市化的迅速發(fā)展，土壤污染已成為全球面臨的嚴(yán)峻環(huán)境問(wèn)題之一。氨氮等污染物的積累和擴(kuò)散不僅對(duì)土壤質(zhì)量造成威脅，同時(shí)也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)［1］。土壤翻耕作為一種常見(jiàn)的農(nóng)田管理措施，被廣泛用于提高土壤通透性、改良土壤結(jié)構(gòu)等。然而，對(duì)于氨氮等污染物的去除效果卻存在諸多不確定性。因此，有必要通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)地研究，深入探討不同土壤翻耕處理方式對(duì)氨氮的去除效果，為科學(xué)制定農(nóng)田管理策略提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)域

研究區(qū)位于中國(guó)南部的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯35°15′，東經(jīng)112°50′，總面積約為500 km2。該區(qū)域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，年均降水量約800 mm。該地區(qū)主要以紅壤為主，占總土地面積的70%以上。此外，還有少量黃壤和黑土。土壤質(zhì)地以壤土為主，富含有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)，是典型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。研究區(qū)是農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁的區(qū)域，主要種植水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物，養(yǎng)殖業(yè)也占有一定比重。大面積的耕地和農(nóng)田土壤廣泛使用化肥和農(nóng)藥，土壤污染問(wèn)題逐漸凸顯。特別是氨氮等農(nóng)業(yè)排放物質(zhì)的過(guò)度使用，導(dǎo)致土壤中氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和水源安全構(gòu)成一定威脅。

1.2樣地布置

選擇研究區(qū)內(nèi)具有代表性的農(nóng)田區(qū)域，包括不同土壤類(lèi)型和不同的農(nóng)業(yè)管理方式。不同翻耕處理的樣地包括：（1） 對(duì)照組。未進(jìn)行任何翻耕處理的土地。（2） A常規(guī)犁耕組。進(jìn)行傳統(tǒng)犁耕處理的土地。（3） B深翻耕組。進(jìn)行深度翻耕處理的土地。（4） C免耕組。保持未翻耕狀態(tài)的土地。設(shè)置足夠數(shù)量的樣地，確保樣本的代表性。每個(gè)樣地的面積可根據(jù)實(shí)際情況確定，通常在50 m2以上。樣地之間要有足夠的距離，以避免相互干擾。采取隨機(jī)布點(diǎn)或均勻布點(diǎn)的方式確定樣地位置。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選擇了代表性的農(nóng)田土壤作為研究對(duì)象，設(shè)置了不同的翻耕處理組和對(duì)照組。翻耕處理包括常規(guī)犁耕、深翻耕和免耕3種方式，對(duì)照組為未進(jìn)行任何翻耕處理的土壤。在翻耕處理前，從每個(gè)組的相同位置采集表層土壤樣品。在每個(gè)樣地內(nèi)，按照以下步驟采集土樣，用鐵鍬或土壤鉆頭挖取表層土壤，深度約為0～20 cm，將采集的土壤樣品放入干凈的塑料袋中，并標(biāo)明樣地編號(hào)和采樣深度，每個(gè)樣地至少采集3個(gè)重復(fù)樣品，以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，選擇翻耕后1個(gè)月、3個(gè)月和6個(gè)月作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣，研究氨氮等污染物去除效果的動(dòng)態(tài)變化。

1.4數(shù)據(jù)處理

使用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定土壤中氨氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對(duì)各個(gè)組的土壤選擇電極法測(cè)量土壤中的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，包括存在的其他污染物，如硝酸鹽、磷酸鹽等，也進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)定，選擇離子色譜法進(jìn)行分析。

進(jìn)一步使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察土壤微觀結(jié)構(gòu)的變化。對(duì)采集的土壤樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚ㄟ^(guò)冷凍干燥以保持土壤顆粒形態(tài)的原貌，在此基礎(chǔ)上利用SEM圖像，分析土壤微觀結(jié)構(gòu)的變化，特別是孔隙度和顆粒形態(tài)的差異。最后需要利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析土壤的化學(xué)組成變化。對(duì)土壤樣品進(jìn)行樣品制備，獲取紅外光譜圖譜，通過(guò)FTIR譜圖，分析土壤中的有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)成分的變化，以了解不同翻耕處理方式對(duì)土壤化學(xué)組成的影響，根據(jù)方差分析（ANOVA），比較各組之間的差異，確定翻耕處理對(duì)氨氮等污染物的去除效果。

2結(jié)果與分析

2.1結(jié)果

調(diào)查各樣地采集土壤樣品中氨氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。表1各樣地采集土壤樣品中氨氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg/kg）

分組翻耕處理方式1個(gè)月2個(gè)月3個(gè)月對(duì)照組未翻耕25.522.220.1實(shí)驗(yàn)A組常規(guī)犁耕23.820.518.2實(shí)驗(yàn)B組深翻耕19.315.812.4實(shí)驗(yàn)C組免耕24.721.319.0

（1） 在對(duì)照組中，未翻耕的土壤氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1個(gè)月到3個(gè)月逐漸下降，顯示了一定的去除效果。在實(shí)驗(yàn)A組（常規(guī)犁耕）中，氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有所下降，但下降速度相對(duì)較慢。實(shí)驗(yàn)B組（深翻耕）顯示出最顯著的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，表明深翻耕對(duì)于氨氮的去除效果明顯。實(shí)驗(yàn)C組（免耕）的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降速度介于常規(guī)犁耕和深翻耕之間。

（2） 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，所有處理組的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)都呈下降趨勢(shì)，這與土壤中氨氮的自然轉(zhuǎn)化和去除過(guò)程有關(guān)，不同翻耕處理方式對(duì)氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響在不同時(shí)間點(diǎn)上表現(xiàn)出差異，這表明時(shí)間因素在土壤治理效果中的重要性。

（3） 實(shí)驗(yàn)B組（深翻耕）在所有時(shí)間點(diǎn)上都顯示出最低的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表明深翻耕在提高土壤通透性、增加氣孔空間等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)照組中的未翻耕土壤也顯示了一定的去除效果，這是由于受土壤中微生物活動(dòng)、氧化還原過(guò)程等自然因素的影響。

總體而言，對(duì)樣地進(jìn)行深翻耕在短時(shí)間內(nèi)顯示出較好的氨氮去除效果，而其他處理方式的效果相對(duì)較弱，表明深翻耕對(duì)于樣地而言是一種有效的土壤治理方式。

2.2深翻耕處理下樣地氨氮等污染物的去除效果最佳的機(jī)理深翻耕處理作為一種有效的土壤治理手段，在樣地氨氮等污染物的去除效果中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性，其最佳去除效果的機(jī)理涵蓋多個(gè)方面：（1） 深翻耕能夠顯著改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加土壤孔隙度和改善土壤通氣性，提高土壤對(duì)氨氮的吸附能力。這種改善有助于加速土壤中氨氮的遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程，從而有效降低土壤氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。（2） 深翻耕促進(jìn)土壤微生物活性，增加土壤微生物群落的多樣性和數(shù)量。土壤微生物在氨氮的氧化還原過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)，氨氮被轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定和不易釋放的形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)氨氮的高效去除。此外，深翻耕處理還導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)部分暴露于表層，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和氧化反應(yīng)，同時(shí)進(jìn)一步促使土壤中的氨氮被微生物迅速利用。綜合來(lái)看，深翻耕處理在提高土壤通透性、增加土壤微生物活性以及促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解等多方面作用下，達(dá)到了最佳的樣地氨氮等污染物去除效果［2］。

2.3不同翻耕處理方式對(duì)氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響在不同時(shí)間點(diǎn)上表現(xiàn)出差異的機(jī)理不同翻耕處理方式對(duì)氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響在不同時(shí)間點(diǎn)上的差異主要源于各處理方式對(duì)土壤微環(huán)境和土壤生物活性的影響，反映了復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。（1） 在翻耕處理初期，深翻耕展現(xiàn)出其優(yōu)越性，其機(jī)理主要包括對(duì)土壤通透性的改善和增加土壤氣孔空間。深翻耕處理導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)疏松，提高了土壤孔隙度，有助于改善土壤通氣性和滲透性，從而促使氨氮更為迅速地向下遷移，縮短其在土壤中的滯留時(shí)間，初步實(shí)現(xiàn)氨氮的去除。（2） 在處理進(jìn)入中期，各組的差異逐漸顯現(xiàn)，深翻耕的優(yōu)越性更為顯著。深翻耕處理不僅改善了土壤的物理結(jié)構(gòu)，還刺激了土壤微生物的活性。土壤微生物在氨氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，深翻耕處理通過(guò)增加土壤微生物數(shù)量和多樣性，提高土壤微生物對(duì)氨氮的代謝活性，促使氨氮更為迅速地被微生物吸附和降解。相較之下，常規(guī)犁耕和免耕處理在這一時(shí)期的效果相對(duì)較弱，其土壤通氣性和微生物活性的提升不如深翻耕顯著。（3） 在實(shí)驗(yàn)的后期，深翻耕處理在氨氮去除效果上仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。其機(jī)理不僅包括土壤物理結(jié)構(gòu)和微生物活性的改善，還涉及土壤有機(jī)質(zhì)的分解和氧化反應(yīng)，深翻耕導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)局部暴露于表層，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)與氨氮的相互作用，從而進(jìn)一步加速了氨氮的去除過(guò)程。

3建議

3.1合理選擇翻耕時(shí)機(jī)

（1） 在選擇翻耕時(shí)機(jī)時(shí)應(yīng)充分考慮季節(jié)和氣候因素。通常情況下，農(nóng)田在農(nóng)作物收獲后的休耕期是進(jìn)行翻耕的理想時(shí)機(jī)。這個(gè)時(shí)期土壤相對(duì)空閑，翻耕可以更好地避免對(duì)正在生長(zhǎng)作物的不良影響。

（2） 需要關(guān)注土壤濕度狀況。在土壤濕度適中的時(shí)候進(jìn)行翻耕，有利于保持土壤的結(jié)構(gòu)完整性，防止過(guò)度濕潤(rùn)或干燥對(duì)土壤造成不利影響。在一些地區(qū)，需要通過(guò)灌溉或排水來(lái)調(diào)整土壤濕度，確保適宜的翻耕條件。此外，還應(yīng)考慮氣溫因素。適宜的氣溫能夠激活土壤微生物活性，有助于土壤中的有機(jī)質(zhì)分解，提高翻耕的效果。

（3） 翻耕時(shí)機(jī)的選擇還需考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的具體情況。不同作物的生長(zhǎng)周期和對(duì)土壤的要求各異，因此在考慮翻耕時(shí)機(jī)時(shí)需要結(jié)合具體作物的種植季節(jié)和生育習(xí)性，制定合理的翻耕計(jì)劃。

3.2注意加強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)管理

加強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)管理是維護(hù)土壤生態(tài)系統(tǒng)健康的至關(guān)重要環(huán)節(jié)，土壤有機(jī)質(zhì)在土壤中具有重要的生物、物理和化學(xué)功能，不僅是土壤微生物的重要碳源和能量來(lái)源，而且可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保水保肥能力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。因此，加強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)管理意味著更好地維護(hù)土壤的生態(tài)健康和生產(chǎn)力。

（1） 有機(jī)質(zhì)的管理需要注意合理的施肥和植物殘?bào)w還田。通過(guò)有機(jī)肥的施用，可以提供土壤所需的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，促進(jìn)土壤微生物的繁殖，改善土壤結(jié)構(gòu)。同時(shí)，將植物殘?bào)w還田，有助于覆蓋土壤，減緩?fù)寥狼治g，促使殘?bào)w中的有機(jī)物質(zhì)逐漸分解，進(jìn)一步豐富土壤有機(jī)質(zhì)含量。

（2） 輪作制度則有助于避免單一作物對(duì)土壤養(yǎng)分的過(guò)度耗損，減少土壤壓力，維護(hù)土壤有機(jī)質(zhì)的平衡。此外，科學(xué)合理地利用農(nóng)業(yè)廢棄物，如秸稈、畜禽糞便等，也是有效提高土壤有機(jī)質(zhì)的途徑。

3.3合理運(yùn)用深翻耕與植被覆蓋

深翻耕能夠有效改善土壤的氨氮含量，通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)和增加土壤通氣性，可以促進(jìn)土壤中氨氮等污染物的去除。深翻耕有助于提高土壤孔隙度，增加土壤氣孔空間，從而增強(qiáng)土壤對(duì)氨氮的吸附和遷移能力，降低氨氮在土壤中的滯留時(shí)間，減少土壤氨氮的積累。

深翻耕對(duì)土壤微生物活性的刺激也對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)有益。通過(guò)增加土壤微生物數(shù)量和多樣性，深翻耕有助于加速氨氮的微生物降解過(guò)程，進(jìn)一步促進(jìn)氨氮的去除。然而，為了更好地平衡土壤結(jié)構(gòu)的改善和生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，合理運(yùn)用植被覆蓋是至關(guān)重要的。

此外，植被覆蓋能夠減緩水分蒸發(fā)速率，降低土壤溫度，防止土壤侵蝕和保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)，通過(guò)在耕地中保持適當(dāng)?shù)闹脖唬粌H能夠減輕深翻耕對(duì)土壤的負(fù)面影響，還能夠維護(hù)土壤的生態(tài)平衡。與此同時(shí)，植被覆蓋還有助于提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，通過(guò)植物殘?bào)w的還田，有機(jī)質(zhì)的分解有助于土壤微生物的繁殖，進(jìn)一步增強(qiáng)土壤的生態(tài)健康［3］。

4結(jié)語(yǔ)

不同土壤翻耕處理方式在氨氮等污染物的去除效果上呈現(xiàn)顯著差異。深翻耕表現(xiàn)出最佳的去除效果，其機(jī)理主要包括改善土壤通透性、增加土壤微生物活性以及促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解。常規(guī)犁耕和免耕處理相對(duì)較弱，而未翻耕的對(duì)照組也呈現(xiàn)一定的去除效果，時(shí)間因素對(duì)去除效果產(chǎn)生影響，不同翻耕處理在不同時(shí)間點(diǎn)上展現(xiàn)出的差異顯示了翻耕時(shí)機(jī)的重要性。因此，科學(xué)合理選擇深翻耕作為土壤治理手段，結(jié)合適宜的翻耕時(shí)機(jī)和植被覆蓋，可為提高土壤質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)一步推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)同發(fā)展。

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