冻融作用对河岸缓冲带土壤磷素迁移的影响.pdf
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1、汤家喜,梁伟静,何苗苗,等.冻融作用对河岸缓冲带土壤磷素迁移的影响J.沈阳农业大学学报,2023,54(5):592-598.沈阳农业大学学报,2023,54(5):592-598Journal of Shenyang Agricultural Universityhttp:/DOI:10.3969/j.issn.1000-1700.2023.05.011收稿日期:2023-08-06基金项目:辽宁省百千万人才工程资助项目(2021921100);辽宁省科学事业公益研究基金项目(2022JH4/10100111)第一作者:汤家喜(1986-),男,博士,副教授,从事水体污染控制理论与技术方面研
2、究,E-mail:通信作者:郭玲玲(1981-),女,硕士,副研究员,从事农业资源与环境研究,E-mail:冻融作用对河岸缓冲带土壤磷素迁移的影响汤家喜1a,梁伟静1a,何苗苗1b,郭玲玲2(1.辽宁工程技术大学 a.环境科学与工程学院,b.土木工程学院,辽宁 阜新 123000;2.辽宁省微生物科学研究院,辽宁 朝阳122000)摘要:冻融过程不仅直接影响非生长季节的磷循环,而且频繁冻融对生态系统的影响将持续到下一个生长季节。为研究冻融作用对河岸缓冲带土壤磷素迁移的影响,以河岸植被缓冲带土壤作为研究对象,室内模拟冻融环境,探究冻融条件下,土壤对磷素吸附行为,将待测样离心过滤后取一定体积液体测
3、其浓度,分别计算出1,2,3,4,5次冻融循环中土壤对磷的吸附量,绘制等温吸附关系曲线并将吸附数据用Langmuir和Freundlich等温方程进行拟合;并分析在不同含水率、不同深度与冻融周期下,土壤中速效磷含量变化情况,将20 cm和40 cm深度的土壤饱和质量含水率控制为70%、75%、80%,经过5个周期的冻融后,分别测定土壤内的速效磷含量,并探讨磷素在河岸带土壤中发生的吸附和垂向迁移行为。结果表明:在平衡浓度030 mgL-1范围内,土壤对磷的吸附量随着溶液中磷浓度的增加而增加,磷溶液浓度大于30 mgL-1时,吸附达到平衡,对速效磷的最大吸附量为714.26 mgkg-1;随着冻融
4、周期的增加,土壤对速效磷的吸附量逐渐降低,5次冻融结束后的土壤对速效磷的吸附量与对照相比最大减少53.8%,其等温吸附过程符合Langmuir方程;河岸缓冲带土壤对磷的吸附量受土层深度及土壤含水率的影响,经5次冻融周期后,含水率相同时浅层土壤速效磷含量与初始值相比最大减少34.5%;与对照相比,深层土壤含水率为80%时速效磷含量减少3.23 mgkg-1;浅层土壤含水率为70%时速效磷含量最大,减少0.81 mgkg-1。关键词:河岸缓冲带;磷素;迁移;冻融作用;吸附中图分类号:X53文章编号:1000-1700(2023)05-0592-07文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID
5、):Effects of Freeze-thaw on Phosphorus Migration in Riparian Buffer ZoneTANG Jia-xi1a,LIANG Wei-jing1a,HE Miao-miao1b,GUO Ling-ling2(1.a.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,b.SchoolofCivilEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,FuxinLiaoning123000,China;2.LiaoningAcademyofMicrobiology,Chaoya
6、ngLiaoning 122000,China)Abstract:The freeze-thaw process not only directly affects the phosphorus cycle in the non-growing season,but also the effects offrequent freeze-thaw on the ecosystem will continue into the next growing season.In order to study the effect of freeze-thaw action onphosphorus mi
7、gration in the soil of riparian buffer zone,this study took the soil of riparian vegetation buffer zone as the researchobject and simulated the freeze-thaw environment indoors to explore the adsorption behavior of soil phosphorus under freeze-thawconditions.After centrifuging and filtering the sampl
8、es to be tested,a certain volume of liquid was taken to measure its concentration,and the adsorption amount of soil phosphorus in 1,2,3,4,and 5 freeze-thaw cycles was calculated respectively.The isothermaladsorption curves were drawn and the adsorption data were fitted by Langmuir and Freundlich iso
9、thermal equations.The change ofavailable phosphorus content in soil under different moisture content,different depths and freeze-thaw cycles was analyzed.Thesaturated mass moisture content of soil at 20 cm and 40 cm depth was controlled to 70%,75%and 80%.After 5 cycles of freeze-thaw,the available p
10、hosphorus content in soil was determined respectively.The adsorption and vertical migration behavior of P inriparian soil was also discussed.The results showed that in the range of equilibrium concentration 0-30 mgL-1,the adsorptioncapacity of soil P increased with the increase of the concentration
11、of P in solution.When the concentration of P solution was greater than30 mgL-1,the adsorption capacity reached equilibrium,and the maximum adsorption capacity of available P was 714.26 mgkg-1.With the increase of freeze-thaw period,the adsorption amount of available phosphorus in soil gradually decr
12、eased,and the adsorption-第 6 期汤家喜等:冻融作用对河岸缓冲带土壤磷素迁移的影响amount of available phosphorus in soil after five freeze-thaw periods decreased by 53.8%compared with the control,and theisothermal adsorption process was consistent with Langmuir equation.The phosphorus adsorption capacity of the soil in the buf
13、fer zonewas affected by the depth of the soil layer and the moisture content of the soil.After 5 freeze-thaw cycles,the content of availablephosphorus in the shallow soil decreased by 34.5%compared with the initial value.Compared with the control,the availablephosphorus content decreased by 3.23 mgk
14、g-1when the deep soil water content was 80%.The maximum available phosphoruscontent decreased by 0.81 mgkg-1when the water content of shallow soil was 70%.Key words:riparian buffer zone;phosphorus;transfer;freeze-thaw action;adsorption冻融是典型的发生在高纬度、高海拔以及部分温带地区因温度变化差异而导致表土及以下一定深度的土壤体系出现频繁冻结和解冻的冻融交替现象1
15、。在我国,交替冻融作用占国土面积的46.3%2。土壤冻融一般在秋季或冬季冻结到春季或夏季融化。秋冬季节,温度降低,土层普遍由上至下冻结;春夏季节,温度升高,土层普遍由上至下冻融3。在冻融过程中,冻土的深度、含水量、温度变化等都会影响冻土的水热过程,进而影响冻土区的水文循环过程和生态系统的稳定性4。农业面源污染及其造成的地表及地下水体污染广受关注。河岸植被缓冲带(以下简称缓冲带)是污染源与水体间的过渡区域,通常被认为是减缓面源污染的重要途径之一5。缓冲带能沉积、吸收与截留污染物,减少面源污染物进入水体。缓冲带主要通过植物吸收、土壤吸附和土壤微生物转化3种方式去除磷素,其去除效果与河岸带宽度、植被
16、种类、坡面坡度及土壤类型等因素密切相关6。其中入渗被认为是去除磷的主要机制,除了植物直接吸收吸附磷以外,缓冲带还改变径流速度,增加水力停留时间,促进沉积和入渗,对磷实现间接去除7-8。有研究发现,在坡度一定范围内,缓冲带越宽,对地表径流中磷的阻控效率越大9。茆安敏等10指出,当河岸植被缓冲带宽度为50 m时,可去除地表水中80%的磷。何聪等11得出的最适宽度为12 m。王敏等12发现,当宽度为16 m时,去除效果最佳。磷是动植物生长必需营养元素之一。农业上通常施磷肥为作物生长提供养分。磷素进入土壤后会和土壤进行吸附解吸反应,这种反应的进行会使磷素大量存留在土壤中。据研究,每年有3/4的磷肥被积
17、累在土壤中。这些磷素难以被土壤利用13,从而造成农业营养流失,进入水体形成富营养化。土壤磷素的大量累积,会以径流和淋溶的方式进入水体,引发严重的农业面源污染,造成水环境的破坏。冻融作用对土壤理化性质及污染物的环境行为有重要影响14。以往的研究都是冻融作用对土壤中氮素的影响,鲜见对磷素迁移的研究。本研究以河岸植被缓冲带土壤作为研究对象,室内模拟冻融环境,研究冻融条件下,土壤对磷素吸附行为;分析不同含水率与冻融周期下,土壤中速效磷含量变化情况;探讨磷素在河岸带土壤中发生的吸附和垂向迁移行为。冻融作用对于河岸带内磷素的迁移有很大影响。因此,研究冻融作用对河岸带土壤磷素的迁移对面源污染的防治有重要意义
18、。1材料与方法1.1试验地概况伊吗图河流域全长74.6 km,控制面积728.6 km2。伊吗图河流经伊吗图湿地。阜新伊吗图湿地是省内表面流人工湿地的典型代表,占地面积36 hm2,位于阜蒙县伊吗图镇,东起细河和伊吗图河右岸,南北长2 180 m,东西宽280 m。该地属温带大陆性季风气候,年平均气温7.4。冬季多北风,夏季多南风。年平均无霜期151 d,冻土深度约为140 cm,年平均降水量380 mm。伊吗图湿地的建设是按照阜新市细河流域的整体战略意图,以改善细河水质,减少污染物排放量,实现水资源再生利用为目的建设的。1.2供试材料供试土样采自伊吗图湿地和伊吗图河之间河岸缓冲带内的土壤。采
19、样时将土壤分为上层土壤(020 cm)和下层土壤(2040 cm)。土壤带回后经自然风干、研磨过1 mm筛后装入塑料采样袋中冷藏备用(降低土壤内微生物活性)。供试土壤的基本理化性质为容重1.70 gcm-3,有机质为65.89 gkg-1,速效磷(表层土壤)为10.94mgkg-1,总磷为902.20 mgkg-1,有效氮为284.00 mgkg-1,速效钾为112.00 mgkg-1,pH值为5.85。593-沈阳农业大学学报第 54 卷1.3试验方法1.3.1河岸带土壤对磷素吸附称取1 g过1 mm筛的土样8份置于50 mL的离心管内,向其中加入20 mL KH2PO4溶液,初始磷浓度设置
20、为0,10,20,40,60,80,90,100 mgL-1,然后分别滴入3滴氯仿,以降低微生物活性。设置空白样并额外设置两组平行样品。在25 下振荡2 h,离心过滤后取一定体积液体测其浓度,计算土壤对磷的吸附量,绘制等温吸附关系曲线。将吸附数据用Langmuir和Freundlich等温方程进行拟合。1.3.2冻融作用对河岸带土壤吸附磷素的影响吸附过程试验方法同上,震荡后在18 条件下冷冻48 h,最后在1015 条件下解冻24 h。解冻完后,将离心管以5 000 rmin-1的转速离心10 min,取适量上清液,测定磷含量,再分别计算出2,3,4,5次冻融循环中土壤对磷的吸附量。1.3.3
21、冻融作用对不同深度和含水率的河岸带土壤可溶性磷的影响针对不同深度的土壤(20 cm和40 cm),研究不同深度的土壤在不同的含水率以及冻融周期下,土壤内速效磷含量的变化。取每种深度的土壤各15袋,每袋100 g,并另外设置两组平行样品。控制土壤饱和质量含水率为70%、75%、80%。经过5个周期的冻融后,测定每份土壤内的速效磷含量。1.4数据处理(1)吸附量。qe=(C0-CE)Vm(1)式中:qe为吸附量(mgkg-1);C0为溶液中磷的添加浓度(mgL-1);Ce为溶液中磷的平衡浓度(mgL-1);V为溶液体积(mL);m为吸附剂质量(g)。(2)Langmuir模型方程式。Ceqe=Ce
22、Qm+1KLQm(2)式中:qe为平衡吸附量(mgkg-1);Ce为吸附平衡浓度(mgL-1);Qm为饱和吸附量(mgkg-1);KL为Langmuir常数,为土壤对磷的吸附能。(3)Freundlich模型方程式。logqe=logKf+1nlogCe(3)式中:qe为平衡吸附量(mgkg-1);Ce为吸附平衡浓度(mgL-1);n为吸附动力的大小;Kf为吸附质量分数的大小。本研究所得数据采用Microsoft Excel 2010软件进行处理和计算,后用Origin 2018软件作图。2结果与分析2.1河岸带土壤对磷素吸附特征研究土壤对磷的吸附等温试验结果如图1。在平衡浓度030 mgL-
23、1范围内,土壤对磷的吸附量随着溶液中磷浓度的增加而增加,从0 mgkg-1增长到694.70 mgkg-1,当平衡浓度在30 mgL-1以下时,吸附等温线的斜率比较大,当磷溶液浓度大于30 mgL-1时,斜率几乎不变,此时土壤对磷的吸附量趋于稳定,吸附达到平衡。土壤吸附速效磷的拟合结果见表1。25 的条件下,Langmuir方程的R2值(0.977)大于Freundlich方程的R2值(0.931)。可见,相比Freundlich方程,土壤吸附速效磷的过程更符合Langmuir方程,对速效磷的最大吸附量为714.26 mgkg-1。2.2冻融周期对土壤吸附速效磷的影响不同冻融周期对可溶性磷的吸
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