三峽庫(kù)區(qū)土壤磷素界面遷移特征及其控制研究.pdf

1、我國(guó)的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題日益加重，太湖、巢湖和滇池等嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化湖泊已被列為國(guó)家水污染控制的重點(diǎn)。大量研究表明，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷污染對(duì)水環(huán)境的惡化具有十分顯著的貢獻(xiàn)，富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生與土壤磷素的流失密切相關(guān)，如在云南滇池入湖的總磷中，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷占28％，而在山東南四湖這一比例高達(dá)68％。
　　 三峽工程是集發(fā)電、航運(yùn)和防洪于一體的特大型水利工程，庫(kù)區(qū)水環(huán)境安全關(guān)系到全國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局。工程淹沒土地632km2，其庫(kù)周形成高程為

2、30m，面積約為60萬(wàn)畝的消落帶。消落區(qū)土壤淹沒后將成為水體N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要集納地和釋放源；消落區(qū)周期性淹水，土地干濕交替，N、P、重金屬等污染物的釋放遷移加劇。此外，重慶地貌類型以低山丘陵為主，60％以上的土地為坡耕地，70％以上的土壤為抗蝕性較差的紫色土。土壤平均侵蝕模數(shù)4555噸/km2.a，侵蝕總量2.87億噸/年，入江泥沙量1.45億噸/年，占長(zhǎng)江上游入江泥沙量26％。農(nóng)業(yè)面源污染由于不容易控制，勢(shì)必成為庫(kù)區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

3、的重要來(lái)源。因此，消落區(qū)土壤對(duì)磷的固定與釋放對(duì)庫(kù)區(qū)水環(huán)境安全就顯得十分重要，而影響土壤磷吸持解吸性能最大的因素是土壤膠體。許多研究證實(shí)，土壤膠體攜帶磷而造成磷流失是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要原因。從文獻(xiàn)調(diào)研來(lái)看，有關(guān)土壤及其膠體性質(zhì)對(duì)磷的吸附解吸影響的同步比較研究報(bào)道較少，而磷素隨土壤膠體的淋失是坡地土壤磷遷移進(jìn)入水體的重要方式，不同來(lái)源的土壤/膠體與環(huán)境條件對(duì)于磷的遷移、轉(zhuǎn)化具有深刻的影響，因而系統(tǒng)地研究土壤及其膠體與環(huán)境條件對(duì)磷的遷

4、移轉(zhuǎn)化影響具有重要的理論意義，特別是以坡耕地為主的三峽庫(kù)區(qū)，在這些方面的研究幾乎處于空白。
　　 三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)土壤磷吸附解吸研究盡管有一些報(bào)道，但與消落區(qū)土壤膠體結(jié)合研究磷的吸附解吸還未見報(bào)道。以往干濕交替和有機(jī)酸存在條件下土壤磷釋放機(jī)制研究，主要是圍繞土壤磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化、作物對(duì)磷的吸收和土壤磷的生物有效性而開展的，但針對(duì)三峽水庫(kù)周期性淹水-出露的特殊庫(kù)水調(diào)度方式，從保護(hù)水環(huán)境角度研究淹水土壤和干濕交替下的磷釋放機(jī)制及其環(huán)境效應(yīng)

5、尚顯不足。同時(shí)，由于三峽庫(kù)區(qū)特殊的地形地貌、土壤特性和降雨條件，農(nóng)業(yè)土壤磷素的徑流遷移是水體面源污染的主要來(lái)源，如何采用簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)高效的方法控制土壤磷素淋失是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。聚丙烯酰胺(PAM)可改善土壤物理性質(zhì)和水分入滲性能，在控制徑流養(yǎng)分遷移方面具有應(yīng)用潛力，但在三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境條件下，對(duì)PAM的作用效果和優(yōu)化施用條件，還缺乏系統(tǒng)的研究報(bào)道。因此，系統(tǒng)地開展三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)典型土壤在不同外部作用條件下(包括pH、低分子

6、量有機(jī)酸、周期性淹水模式)對(duì)磷的吸持解吸機(jī)制，對(duì)于在理論上系統(tǒng)闡釋消落區(qū)土壤磷的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制和外部影響條件具有重要的意義；開展庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地特定的區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件下(坡度、雨強(qiáng)等)PAM對(duì)土壤磷流失控制效應(yīng)及機(jī)制，可為坡耕地養(yǎng)分流失控制技術(shù)的研發(fā)提供基礎(chǔ)依據(jù)。因此，本文研究對(duì)于減輕庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化、有效地指導(dǎo)庫(kù)區(qū)水污染防治、保障庫(kù)區(qū)水質(zhì)安全具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文以三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)典型土壤和重慶坡耕地紫色土為研究對(duì)

7、象，研究了消落區(qū)土壤及其膠體對(duì)磷的吸附與解吸特征，上覆水淹水、干濕交替和有機(jī)酸存在下消落區(qū)土壤磷的遷移特征，探討了模擬江水淹水條件下土壤磷素遷移的影響因素和機(jī)制；通過等溫吸附試驗(yàn)、土柱淋溶試驗(yàn)和人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了PAM對(duì)紫色土坡耕地土壤磷遷移的影響及其效應(yīng)。主要研究結(jié)果如下：
　　 1.三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)潮土、紫色土、黃壤等3種土壤及其膠體對(duì)磷的等溫吸附解吸試驗(yàn)表明，吸附過程均能很好地用Langmuir方程描述。黃壤的最大吸附

8、量為1666.67mg/kg，約是潮土的3.7倍，紫色土的2.8倍。土壤磷最大吸附量與土壤中FeOx、AlOx含量一致，而與有機(jī)質(zhì)和粘粒關(guān)系不明顯；磷解吸率順序?yàn)槌蓖粒咀仙粒军S壤。3種土壤膠體對(duì)磷的吸附遠(yuǎn)強(qiáng)于其母體土壤，黃壤膠體、潮土膠體和紫色土膠體對(duì)磷的最大吸附量分別為4039.3、3155.9和3117.5mg/kg，分別為相應(yīng)土壤磷最大吸附量的2.4、6.9和5.3倍。土壤膠體吸附磷的反應(yīng)速率比相應(yīng)母體土壤高。土壤膠體對(duì)磷的吸附

9、反應(yīng)以化學(xué)吸附為主，而土壤則以物理吸附為主。三種土壤膠體動(dòng)態(tài)等溫吸附/解吸磷的動(dòng)力學(xué)過程均符合拋物擴(kuò)散定律。在225min時(shí)，土壤膠體動(dòng)態(tài)等溫磷累積吸附量順序?yàn)椋狐S壤膠體＞紫色土膠體＞潮土膠體；紫色土膠體、潮土膠體動(dòng)態(tài)等溫解吸率相接近(約22.7％)，均高于黃壤膠體的解吸率(14.11％)。
　　 2.模擬江水初次淹水期，土壤磷釋放能力和速率為潮土＞紫色土＞黃壤，三種土壤釋放到上覆水中的磷量均隨土壤添加磷量的提高和淹水時(shí)間的延長(zhǎng)

10、而增加。土壤磷釋放量與淹水時(shí)間(4～30d)的關(guān)系均可用直線方程Q=a+bt描述。潮土、紫色土、黃壤淹水落干后再淹水的土壤磷釋放量、釋放速率均明顯低于初次淹水期。
　　 土壤對(duì)上覆水中磷的動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)表明，上覆水磷濃度均隨淹水時(shí)間增加而逐漸降低，初期(≤14d)土壤吸附速度快，而后期(≥15d)吸附速度減緩。3種土壤對(duì)上覆水磷吸附量與淹水時(shí)間關(guān)系可用方程Q=a-bln(t+c)描述。3種土壤對(duì)上覆水磷吸附量順序?yàn)椋狐S壤＞紫色土＞

11、潮土。
　　 上覆水pH對(duì)土壤磷的釋放有顯著影響，釋放量與上覆水初始pH的關(guān)系可用非線性方程QDP=a·xb描述。在酸性或堿性強(qiáng)的水體中，土壤磷的釋放潛力大，中性水體中釋放潛力最低。淹水時(shí)間越長(zhǎng)，上覆水初始pH對(duì)土壤磷釋放影響的差異越不明顯。
　　 3.相同有機(jī)酸作用下，在添加與未添加磷時(shí)潮土中磷的釋放具有相同的變化趨勢(shì)，但磷的釋放量是前者明顯高于后者。有機(jī)酸作用下，土壤磷釋放能力順序?yàn)樽仙蓖粒净易爻蓖粒军S壤。相同淹水

12、時(shí)間，3種有機(jī)酸促進(jìn)同種土壤磷釋放能力的順序?yàn)椴菟幔緳幟仕幔揪剖?。有機(jī)酸還可促進(jìn)土壤中鐵、錳離子的釋放，有機(jī)酸濃度越高則釋放量越大，對(duì)鐵離子為檸檬酸＞草酸＞酒石酸，對(duì)錳離子為檸檬酸＞酒石酸＞草酸。上覆水中土壤磷釋放量與鐵、錳離子濃度呈極顯著正相關(guān)。
　　 4.添加PAM土壤磷的等溫吸附解吸試驗(yàn)表明，土壤磷吸附量(Q)與PAM(聚丙烯酰胺)使用量(x)的關(guān)系可以用指數(shù)方程Q=95.5179x-0.3295描述。在添加PAM后土壤

13、磷吸附量有不同程度降低。土壤對(duì)磷的最大緩沖容量(MBC)隨PAM用量的增加而增大，最大吸附量(Xm)則降低，但土壤對(duì)磷的吸附速率增大和自發(fā)性增強(qiáng)。當(dāng)PAM施入濃度為0.1％～0.2％時(shí)，PAM對(duì)磷的解吸影響不顯著，而在較高濃度(0.4％)時(shí)對(duì)磷的解吸影響才顯著。
　　 土柱淋溶試驗(yàn)表明，施入土壤的PAM顯著抑制了磷素在土柱中的垂直遷移，且施用量越大控制效果越明顯。
　　 模擬降雨條件下，PAM對(duì)坡地試驗(yàn)土槽的表面徑流產(chǎn)生

14、總體上表現(xiàn)為滯后效應(yīng)，有助于壤中流的產(chǎn)生。PAM對(duì)較大坡度坡地徑流的控制明顯強(qiáng)于緩坡。在坡度為15°的坡地，當(dāng)PAM的施用量為32mg/kg時(shí)，兩次降雨過程中總磷(TP)的流失總量為24.48mg，僅為對(duì)照的11.8％；顆粒態(tài)磷(PP)的流失總量為3.49mg，僅為對(duì)照的2.4％。當(dāng)PAM的施用量為32mg/kg時(shí),15°、20°坡度處理時(shí)獲得的表面徑流總量分別為37.35L和38.59L，比8°處理分別減少11.0％和8.1％。PAM