洪泛區(qū)濕地土壤中銨態(tài)氮的水平運移規(guī)律

洪泛區(qū)濕地土壤中銨態(tài)氮的水平運移規(guī)律

近20年來，由于氮磷大量增加，許多湖泊和水庫等濕地生態(tài)系統(tǒng)的氮負荷迅速增加，富營養(yǎng)化和水質(zhì)惡化等環(huán)境問題日益嚴重，引起了人們的關注。因此,氮在土壤中的運移行為已經(jīng)成為環(huán)境科學和土壤學研究中的熱點問題。氮素在土壤中的運移過程包括水平擴散和垂直淋失兩種途徑,對地表水和地下水體均具有潛在的污染風險。土壤氮運移過程實質(zhì)上是氮以土壤水為載體在土壤中的遷移過程,所以土壤水的運動和變化會直接影響土壤中氮的運動。氮肥的過量使用會導致大量硝態(tài)氮遷移,能夠?qū)ε徦w造成嚴重的面源污染,所以越來越多的研究已集中在土壤中硝態(tài)氮的運移規(guī)律上。盡管銨態(tài)氮易被土壤膠體吸附,但銨態(tài)氮在土壤中同樣存在遷移過程。朱兆良和文啟孝認為土壤中銨離子遷移的主要機理是擴散過程,但當土壤水分接近飽和時,也可能存在質(zhì)流或在土壤剖面中隨水下滲而遷移至一定深度。許多學者已對濕地還原層和氧化層土壤之間以及濕地不同土層中銨態(tài)氮的垂向擴散過程進行了定量研究,如近期孫志高等模擬研究了三江平原濕地小葉章濕地土壤中銨態(tài)氮的水平運移規(guī)律,但當前對內(nèi)陸河流洪泛區(qū)濕地土壤中銨態(tài)氮的水平運移(擴散)研究還不多見。本文研究了霍林河下游洪泛區(qū)濕地土壤中銨態(tài)氮的水平運移規(guī)律,以期為洪泛區(qū)濕地的氮過程研究提供基礎資料,并為該區(qū)濕地土壤質(zhì)量管理和河流水質(zhì)保護提供科學依據(jù)。1材料和方法1.1蘆蝦沼澤蒸發(fā)期5.2年向海濕地位于霍林河下游的向海自然保護區(qū)內(nèi),屬于內(nèi)陸沼澤濕地,為國際重要濕地。該濕地總面積達36100hm2,包括水域面積12500hm2和蘆葦沼澤面積23600hm2。該區(qū)處于北溫帶大陸性季風氣候區(qū)半干旱草原地帶,年平均氣溫5.1℃;年平均降水量408.2mm,多集中在7、8月份;年平均蒸發(fā)量1945mm,約為降水量的5倍;區(qū)內(nèi)主要有霍林河、額穆泰河等季節(jié)性河流、洮兒河引水工程以及向海水庫、興隆水庫、尖底泡、付老文泡等蓄水區(qū)。研究區(qū)土壤類型為沼澤土,植被以蘆葦群落為主。1.2測定土壤樣品的方法,將一般樣品或稱土壤污染法分為7個步驟依據(jù)典型性和代表性的原則,選擇向海濕地中的二百方子(EBFZ)濕地作為典型研究區(qū);該研究區(qū)位于霍林河下游洪泛平原,屬于開放性濕地(與季節(jié)性河流霍林河存在明顯的水力聯(lián)系,具有明顯的干濕季節(jié)變化)。2001年8月在典型區(qū)內(nèi)以多小區(qū)、多點混合的方法隨機采集土壤樣品,按0～10cm,10～20cm和20～60cm分層采集,并用環(huán)刀采集土壤樣品測定土壤容重。所有土壤樣品裝袋帶回實驗室,自然風干后揀去石塊、殘根等雜物,各層土壤樣品都分為3份,其中一份用球磨機磨碎后過100目篩,裝袋以備測定土壤樣品的理化性質(zhì),一份磨碎過20目篩用于模擬試驗,另一份直接裝袋用于測定土壤粒度。土壤基本性質(zhì)測定方法如下:(1)土壤有機質(zhì):重鉻酸鉀容量法;(2)土壤pH值:電位法;(3)土壤粒度分析:比重法,島津RS-1000粒度分布儀。測定結果列于表1中。1.3水平柱模擬試驗設計1.3.1土樣水分入滲模擬本試驗采用總長度為100cm的圓柱型有機玻璃擴散率儀,圓柱直徑為4.5cm;通過入滲土體懸殊的厚長比來消除重力勢和壓力勢對水分入滲的影響,使入滲水分在土樣基質(zhì)吸力作用下作水平入滲,以模擬自然條件下的水分水平入滲。試驗柱分為3段:水室段長10cm,連接馬氏瓶,以馬氏瓶控制恒定水頭;濾層段長10cm,內(nèi)裝濾網(wǎng)和細石英砂,使水平入滲保持層流狀態(tài);試樣段長80cm,填裝供試土樣;擴散率儀試樣段上側(cè)為取樣孔,其間距為3cm。試驗裝置示意圖見圖1。1.3.2土柱樣品的采集將各層土樣按實測容重稱取并分別填裝入擴散率儀,每層土壤樣品都分別做兩個示蹤試驗和1個空白對照試驗。試驗中分別將濃度為100mgNH4+·L-1的NH4Cl溶液作為示蹤劑,用馬氏瓶控制水頭,來示蹤銨態(tài)氮在水平土柱中的運移。當濕潤峰到達約40cm處時,停止供水或加入示蹤劑,立即用取樣器自濕潤峰端開始,依次從取樣孔取樣。由于進水端附近土柱的含水率分布會出現(xiàn)跳動和偏高,所以取樣至距離濾層5cm處結束。示蹤土柱每個取樣孔所取土樣分為2份,其中一份測定土壤水分含量,另一份測定土壤中硝態(tài)氮的濃度。對照土柱每個取樣孔所取樣品分為3份,其中一份測定土壤水分含量,另兩份測定土壤中硝態(tài)氮含量。在運移試驗中,當濕潤峰到達0cm和6cm時分別記錄時間,然后每增長3cm記錄1次時間,直至40cm處。1.4樣品測定土壤含水量采用烘干法測定,在105℃的烘箱內(nèi)烘24h至恒重;銨態(tài)氮的測定采用氯化鉀浸提-靛酚藍比色法。2結果與分析2.1土壤銨態(tài)氮運移通量的變化圖2表明了二百方子洪泛區(qū)濕地土壤銨態(tài)氮的運移通量隨運移距離的變化。各層濕地土壤中銨態(tài)氮運移通量都隨運移距離呈指數(shù)衰減變化,且模型擬合優(yōu)度(R2)都在0.95以上。各層土壤運移通量在0～6cm內(nèi)最大,而后迅速下降,到18cm時3層土壤中銨態(tài)氮的運移通量基本上匯合成一條直線并趨近于零。0～10cm土層銨態(tài)氮的運移通量最小且接近于零,明顯小于其他兩層土壤銨態(tài)氮的運移通量(圖2),這與付老文泡濕地土壤銨態(tài)氮的運移規(guī)律一致。2.2不同土層土壤銨態(tài)氮運移通量圖3表明了二百方子洪泛區(qū)濕地銨態(tài)氮運移通量與土壤水分擴散率的關系。各土層銨態(tài)氮運移通量與水分擴散率之間存在著指數(shù)增長函數(shù)關系,除10～20cm土層的擬合優(yōu)度為0.79外,其他兩層都達到0.95以上(圖3),這表明水分擴散對土壤銨態(tài)氮的運移存在顯著的制約作用。洪泛區(qū)濕地各土層銨態(tài)氮的運移量隨水分擴散率的變化規(guī)律相近。當土壤水擴散率達到0.32cm2·min-1之前,0～10cm土層中銨態(tài)氮通量增長緩慢且接近零,之后銨態(tài)氮運移通量迅速增加;當土壤水分擴散率接近5.0cm2·min-1之前,10～20cm和20～60cm土層中的銨態(tài)氮運移通量增長也較為緩慢,之后驟然增加;其中10～20cm土層增加趨勢更為顯著。圖4表明了二百方子洪泛區(qū)濕地土壤銨態(tài)氮運移通量與土壤體積含水量之間的關系。從各土層來看,二百方子濕地土壤銨態(tài)氮運移通量與土壤含水量之間呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)增長關系,各層土壤的擬合優(yōu)度均達到0.7以上,這表明土壤含水量的高低直接影響著銨態(tài)氮運移的速率?？傮w來看,在土壤含水量未接近飽和之前(遠離水頭)土壤銨態(tài)氮的運移通量增長十分緩慢;當土壤含水量接近0.35cm3·cm-3時,10～20cm和20～60cm土層中的銨態(tài)氮運移通量才迅速增加,且10～20cm土壤增加趨勢更為顯著。而對于表層土壤,當土壤含水量接近0.56cm3·cm-3時,銨態(tài)氮運移通量才顯著增加。3不同土層土壤的銨態(tài)氮運移通量各層土壤銨態(tài)氮運移通量隨運移距離呈指數(shù)下降,這與孫志高等在研究三江平原小葉章濕地土壤中銨態(tài)氮的水平運移速率隨運移距離變化時所得規(guī)律一致。其原因主要在于銨態(tài)氮的水平運移除受濃度梯度、水勢梯度和土壤基質(zhì)勢的作用外還受土壤膠體顆粒的吸附作用的制約,當土壤膠體對銨態(tài)氮的吸附量達到飽和時,銨離子在水流的作用下遷移。在濕潤峰達到18cm之前,土壤中銨態(tài)氮的運移動力主要為濃度梯度和水勢梯度,并受到土壤粘粒和膠體的吸附作用;隨著運移距離的增加,因土壤粘粒和膠體的大量吸附,銨態(tài)氮濃度逐漸下降;同時因土壤水受土粒間的毛管作用,水勢梯度也逐漸下降,從而導致運移通量呈指數(shù)衰減。當運移距離超過18cm以后,運移動力以土壤基質(zhì)勢為主,但由于絕大部分銨態(tài)氮在到達18cm之前已被土壤粘粒和膠體所吸附,所以超過18cm以后,銨態(tài)氮的運移通量趨近于零。各層土壤理化性質(zhì)差異使銨態(tài)氮的運移通量曲線存在一定的差異。表層土壤的銨態(tài)氮運移通量明顯小于其他兩層土壤,可能是由于土壤粘粒吸附作用所致。因為該層土壤的粘粒含量約是下層土壤的4～13倍,對銨態(tài)氮的吸附量相對較多,且土壤基質(zhì)勢相對較低,不利于銨態(tài)氮的運移。此外,該層土壤有機質(zhì)含量相對較高,也有助于對銨態(tài)氮的持留。10～20cm土壤質(zhì)地以砂和粉砂為主(表1),較高的土壤基質(zhì)勢導致該層土壤中銨態(tài)氮的運移通量高于20～60cm土層。另外,20～60cm土層相對較高的pH值和鹽基離子也可能在一定程度上抑制了銨態(tài)氮的運移。洪泛區(qū)濕地各土層銨態(tài)氮的運移通量隨水分擴散率的增長呈指數(shù)增長的變化趨勢可能與不同土層的理化性質(zhì)如土壤質(zhì)地和pH值差異密切相關。孫志高等的模擬試驗也得到了相似的研究規(guī)律。銨態(tài)氮運移通量的大小也表明銨態(tài)氮的擴散率要比水的擴散率小幾個數(shù)量級,其原因是由于銨離子擴散主要受到土壤這一高度分散的帶電體系中所具有的物理化學特性與離子的相互作用以及土壤膠體顆粒吸附和解析的影響,只有當吸附的銨離子達到飽和時,才能隨水流移動,從而減慢了離子的擴散速度。但值得提出的是在靠近水頭的土柱內(nèi),0～10cm土層的含水量顯著高于10～20cm和20～60cm土層(P<0.05),然而其銨態(tài)氮運移通量卻明顯較低(P<0.05)。這是由于0～10cm較高的粘粒含量和有機質(zhì)含量具有高的持水能力,有利于銨的持留。4不同層系土壤銨態(tài)氮運移通量霍林河下游洪泛區(qū)濕地各層土壤中銨態(tài)氮能夠發(fā)生水平運移,且運移通量隨距離的增加呈一階指數(shù)衰減變化,即距離水頭越近運移通量越大。該區(qū)