三峽庫區(qū)土壤磷素界面遷移特征及其控制研究.pdf

1、我國的湖泊富營養(yǎng)化問題日益加重，太湖、巢湖和滇池等嚴(yán)重富營養(yǎng)化湖泊已被列為國家水污染控制的重點。大量研究表明，農(nóng)業(yè)非點源磷污染對水環(huán)境的惡化具有十分顯著的貢獻，富營養(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)非點源磷占28％，而在山東南四湖這一比例高達68％。
　　 三峽工程是集發(fā)電、航運和防洪于一體的特大型水利工程，庫區(qū)水環(huán)境安全關(guān)系到全國經(jīng)濟社會發(fā)展的全局。工程淹沒土地632km2，其庫周形成高程為

2、30m，面積約為60萬畝的消落帶。消落區(qū)土壤淹沒后將成為水體N、P等營養(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，勢必成為庫區(qū)水體營養(yǎng)物質(zhì)

3、的重要來源。因此，消落區(qū)土壤對磷的固定與釋放對庫區(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，土壤膠體攜帶磷而造成磷流失是引起水體富營養(yǎng)化的一個重要原因。從文獻調(diào)研來看，有關(guān)土壤及其膠體性質(zhì)對磷的吸附解吸影響的同步比較研究報道較少，而磷素隨土壤膠體的淋失是坡地土壤磷遷移進入水體的重要方式，不同來源的土壤/膠體與環(huán)境條件對于磷的遷移、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區(qū)，在這些方面的研究幾乎處于空白。
　　 三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤磷吸附解吸研究盡管有一些報道，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道。以往干濕交替和有機酸存在條件下土壤磷釋放機制研究，主要是圍繞土壤磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化、作物對磷的吸收和土壤磷的生物有效性而開展的，但針對三峽水庫周期性淹水-出露的特殊庫水調(diào)度方式，從保護水環(huán)境角度研究淹水土壤和干濕交替下的磷釋放機制及其環(huán)境效應(yīng)

5、尚顯不足。同時，由于三峽庫區(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源，如何采用簡單易行、經(jīng)濟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，但在三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境條件下，對PAM的作用效果和優(yōu)化施用條件，還缺乏系統(tǒng)的研究報道。因此，系統(tǒng)地開展三峽庫區(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、量有機酸、周期性淹水模式)對磷的吸持解吸機制，對于在理論上系統(tǒng)闡釋消落區(qū)土壤磷的遷移轉(zhuǎn)化機制和外部影響條件具有重要的意義；開展庫區(qū)紫色土坡耕地特定的區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件下(坡度、雨強等)PAM對土壤磷流失控制效應(yīng)及機制，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，本文研究對于減輕庫區(qū)水體富營養(yǎng)化、有效地指導(dǎo)庫區(qū)水污染防治、保障庫區(qū)水質(zhì)安全具有重要的理論與現(xiàn)實意義。
　　 本文以三峽庫區(qū)消落區(qū)典型土壤和重慶坡耕地紫色土為研究對

7、象，研究了消落區(qū)土壤及其膠體對磷的吸附與解吸特征，上覆水淹水、干濕交替和有機酸存在下消落區(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制；通過等溫吸附試驗、土柱淋溶試驗和人工模擬降雨試驗，研究了PAM對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：
　　 1.三峽庫區(qū)消落區(qū)潮土、紫色土、黃壤等3種土壤及其膠體對磷的等溫吸附解吸試驗表明，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，而與有機質(zhì)和粘粒關(guān)系不明顯；磷解吸率順序為潮土＞紫色土＞黃壤。3種土壤膠體對磷的吸附遠強于其母體土壤，黃壤膠體、潮土膠體和紫色土膠體對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。三種土壤膠體動態(tài)等溫吸附/解吸磷的動力學(xué)過程均符合拋物擴散定律。在225min時，土壤膠體動態(tài)等溫磷累積吸附量順序為：黃壤膠體＞紫色土膠體＞潮土膠體；紫色土膠體、潮土膠體動態(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間的延長

10、而增加。土壤磷釋放量與淹水時間(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。
　　 土壤對上覆水中磷的動態(tài)吸附試驗表明，上覆水磷濃度均隨淹水時間增加而逐漸降低，初期(≤14d)土壤吸附速度快，而后期(≥15d)吸附速度減緩。3種土壤對上覆水磷吸附量與淹水時間關(guān)系可用方程Q=a-bln(t+c)描述。3種土壤對上覆水磷吸附量順序為：黃壤＞紫色土＞

11、潮土。
　　 上覆水pH對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。淹水時間越長，上覆水初始pH對土壤磷釋放影響的差異越不明顯。
　　 3.相同有機酸作用下，在添加與未添加磷時潮土中磷的釋放具有相同的變化趨勢，但磷的釋放量是前者明顯高于后者。有機酸作用下，土壤磷釋放能力順序為紫色潮土＞灰棕潮土＞黃壤。相同淹水

12、時間，3種有機酸促進同種土壤磷釋放能力的順序為草酸＞檸檬酸＞酒石酸。有機酸還可促進土壤中鐵、錳離子的釋放，有機酸濃度越高則釋放量越大，對鐵離子為檸檬酸＞草酸＞酒石酸，對錳離子為檸檬酸＞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，但土壤對磷的吸附速率增大和自發(fā)性增強。當(dāng)PAM施入濃度為0.1％～0.2％時，PAM對磷的解吸影響不顯著，而在較高濃度(0.4％)時對磷的解吸影響才顯著。
　　 土柱淋溶試驗表明，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對坡地試驗土槽的表面徑流產(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對較大坡度坡地徑流的控制明顯強于緩坡。在坡度為15°的坡地，當(dāng)PAM的施用量為32mg/kg時，兩次降雨過程中總磷(TP)的流失總量為24.48mg，僅為對照的11.8％；顆粒態(tài)磷(PP)的流失總量為3.49mg，僅為對照的2.4％。當(dāng)PAM的施用量為32mg/kg時,15°、20°坡度處理時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