（环境科学专业论文）金川湿地五种土壤净化硝酸盐能力的分析.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fn i t r o g e nf e r t i l i z e rr a t e s ，l a r g eq u a n t i t i e so fn i t r o g e nl o s st h r o u g h a m m o n i av o l a t i l i z a t i o n ，n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，l e a k a g ea n dr u n o f f , w h i c ha g g r a v a t e t h en i t r o g e np o l l u t i o no f p e a t l a n da n ds u r r o u n d i n gw a t e r i np a r t i c u l a r , n i t r a t en i t r o g e nh a sa s t r o n gc h a r a c t e ro ft r a n s f e ra n ds o l u b i l i t y i t sl e a dt oe u t r o p h i c a t i o n ，a q u a t i co r g a n i s m s d i e d ；a r o s i n ge n v i r o n m e n t a lc h a n g e sa n db r o k et h eo z o n e ，a sw e l la sg r e e n h o u s eg a s ；a l s o d e o x i d a n tt on i t r i t el e a d i n gt om e t h e m o g l o b i nd i s e a s ea n dc a n c e r t h e r e f o r e ，t h es t u d yo f w e t l a n d sf o rt h ep u r i f i c a t i o no fn i t r a t en i t r o g e na n di t sm e c h a n i s mf o ra na c c u r a t ee v a l u a t i o n o ft h ep u r i f i c a t i o no fp e a t l a n d ，p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nm a s t e r i n gp u r i f i c a t i o nm e c h a n i s m ， c o n s t i t u t ew e l lt a r g e t e dw e t l a n d sp r o t e c t i o nm e a s u r e sa n dc o n s t r u c t i o no fa r t i f i c i a lw e t l a n d s f i v et y p e so fs o i l ( 1 e h m a n n i id r e j e r , f o r e s t ，b o v a l i f o l i ar u p r , p a d d y , g l e b e ) w e r e s e l e c t e di nt h ej i n c h u a nw e t l a n da ss a m p l e st oe x p l o r et h e i rc a p a c i t yo fp u r i f i c a t i o nf o rn i t r a t e n i t r o g e ni na ni n d o o re x p e r i m e n to fi m u l a t i n gs o i lc o l u m nw i t hp l e x i g l a s s u n c o n t r o l l a b l e f a c t o r si na c t u a le n v i r o n m e n tw e r er u l e do u t f r o mt h ev i e wo fs o i ls t r u c t u r e ，t h ep r o p e r t i e so f t h es o i ls a m p l e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i rt r a n s f e r , a sw e l la st h e p u r i f i c a t i o nc u r v ew e r e c o m b i n e dt os t u d yt h ep u r i f i c a t i o ne f f i c e n c y t h ep u r i f i c a t i o nc a p a c i t yo fn i t r a t en i t r o g e ni n s o i lw a si n v e s t i g a t e dt h o u g ht h eo b s e r v a t i o no ft h ep u r i f i c a t i o nr a t eo fn i t r a t en i t r o g e nc u l w e ， o nw h i c hw ec o u l ds e et h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h es o i ls a m p l e si nd i f f e r e n tt i m e s ，t h e n t h ei m p a c to fo r g a n i cm a t t e r , v o l u m ew e i g h t ，a n di n f i l t r a t i o nr a t ew e r es t u d i e d ( 1 ) r e s u l t ss h o w e dt h a tp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo fl e h m a n n i id r e j e ra n db o v a l i f o l i aw e r e t h eb e s ti nf i v et y p e so fs o i l ，f o l l o w e db yp a d d y , f o r e s t ，g l e b ew a st h ew o r s to n ei nr e t a i n i n g n 0 3 - n ，a l s ot h ew e a k e s tp u r i f i c a t i o n s o i li n0 2 0 c ml a y e ro ft h ep u r i f i c a t i o nc a p a c i t yw a s b e t t e rt h a n2 0 - 4 0 c m l a y e r ，b u tl i t t l ec h a n g ei nd i f f e r e n tl a y e r ( 2 ) p u r i f i c a t i o nc a p a c i t ya n d t h ep u r i f i c a t i o no fn 0 3 - nc u r v e sh a v eac e r t a i nr e l a t i o n s h i p i nf i v et y p e ss o i l p u r i f i c a t i o nc u r v ew i d e ，s l o p eg e n t l es h o wt h a tn 0 3 - ni nt h es o i lt os t a ya l o n gt i m ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ef l o ww a ss m a l la n ds t a b l e ，r e f l e c t i n gt h es o i lp a r t i c l e s a d s o r bn 0 3 - ni nt h ep r o c e s so fs l o w r e l e a s e ，s oag o o dp u n f y i n ga b i l i t y ( 3 ) s o i lp r o p e r t i e sh a sa ni n f l u e n c eo nt h ep u r i f i c a t i o nr a t ec u r v eo fn i t r a t ei nt h es o i l ， s l o p eg r a d i e n tc u r v eh a sc o n n e c t i o nw i t hso r g a n i cm a t t e ra n dv o l u m ew e i g h t ( 4 ) c o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a to r g a n i cm a t t e ra n dv o l u m ew e i g h tw e r et h em a j o r i m p a c tf a c t o ri np u r i f i c a t i o n o r g a n i cm a t t e ra n dp u r i f i c a t i o nc a p a c i t yh a ss i g n i f i c a n tp o s i t i v e c o r r e l a t i o n ，w h i l en e g a t i v ec o r r e l a t i o na n dp u r i f i c a t i o nc a p a c i t yh a sn e g a t i v ec o r r e l a t i o n k e yw o r d s ：w e t l a n d ；s o i lp r o p e r t y ：n i t r a t en i t r o g e n ：s o i lc o l u m nw i t hp l e x i g l a s s ：p u r i f y i n g c a p a c i t y 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：垂当麴 日期： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：童丑逛 e l期：至翌墨：至! j 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：盈正喜 日 期：速蝴j j 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 选题目的和意义 1 1 1 硝态氮( 氮素) 污染现状及危害 氮( n ) 是所有生物体必不可少的元素。人类现代化生活在很大程度上依赖于氮的开 发利用，如增施氮肥就是现代农业生产中常用的增产措施。然而，由于施肥方法或农业 管理措施不当，导致氮素损失加剧。研究表明，农田中氮素损失的途径主要包括：氨的 挥发、硝化反硝化、径流冲刷和硝态氮的淋失等。其中，硝态氮的淋失是损失的重要 方面，淋失量可达5 4 1 9 。氮素损失一方面使肥料的生产效益大为降低，另一方面 还造成了难以治理的环境污染问题【l 】，主要污染现状及危害如下。 ( 1 ) 对水体的污染 径流损失的氮是造成地表水氮富集的重要原因之一，富营养化状态的湖泊和水库，大 部分位于我国东部平原地区，特别是长江中下游密集型农业区。对江苏太湖地区地表水 调查结果表明，各河流( 均为缓流河) 总氮含量超标率8 8 1 0 0 ，湖水样总n 量超标率 1 0 0 t 2 1 。太湖9 7 面积的水体已经呈中富营养状态，使近几年大面积蓝藻爆发。在进入 太湖的污染物中来自农田排水的占3 2 ，通过农田输入湖泊的氮量占输入湖泊氮总量的 7 - 3 5 t 3 1 。此外有统计表明，全国大江河的干流有1 2 7 9 、支流有5 5 9 受到污染，中 国长江河1 3 河水中硝酸盐含量高达o 4 9 0 9 5 m g l ，而世界河口平均值仅为0 1 m g l ，黄 河干、支流河水氨氮、总氮含量在1 9 8 0 1 9 9 9 年间加速上升【4 】，其主要原因之一就是沿 途农田氮肥施用量的不断增加。江河、湖泊、水库等水体受肥料养分的不断流入，从而 引起所谓富营养化。导致某些特征性藻类主要为蓝藻、绿藻等异常增殖，使水体中游离 氧急剧减少，透明度降低，h 2 s 等有毒物质积累，其后果首先是破坏水资源，降低水的 使用价值或提高水处理的成本，有时根本不能作为饮用水；其次是导致鱼类及其他水生 动物的大量死亡，破坏水产资源。 许多研究表明n 0 3 的淋溶特性有可能对地下水造成污染，并且还有可能导致土壤 酸化。1 9 9 2 年为止，氮素为地下水主要污染物质的城市有1 1 个，占污染城市的2 6 7 t 5 1 。 张维理等对京、津、唐地区1 4 个县市的6 9 个地点的地下水、饮用水硝酸盐污染调查表 明，硝酸盐含量超过5 0 m g l 的达5 0 以上，最高者达3 0 0 m g l 6 。吕殿清调查显示： 西北地区绥德到榆林间沿公路两侧9 3 口井水( 大部分为饮、灌两用水) ，硝态氮含量超标 的占2 1 5 ；关中灌区和渭北旱塬地区2 4 个县的7 4 口井，超标的占2 9 7 3 t r l 。苏、浙、 沪二省一市1 6 个县内7 6 个饮用井水硝态氮和亚硝态氮的超标率已分别达3 8 2 和 5 7 9 t 2 1 。地下水和饮用水的硝酸盐污染正严重威胁着人类健康。调查表明，胃癌、肝 癌的死亡率与土壤中硝酸盐含量呈正相关。我国男性胃癌死亡率最高的福建某地，当地 东北师范大学硕士学位论文 井水中硝酸盐含量达1 0 0 m g l 以上者占所采水样的8 1 ；1 9 7 5 年在江苏南通的调查表 明，土壤中硝酸氮含量与肝癌死亡率的等级相关系数为0 8 9 【8 j 。 ( 2 ) 对大气的污染 氮肥的施用引起大气污染的物质主要有：n h 3 及n o x ( 包括n 2 0 和n o 等) 。随着化 学氮肥施用量逐年增加，有研究认为，大气中9 0 的n 2 0 来自陆地的硝化和反硝化过 程1 9 ，氮肥的施用已成为中国农田n 2 0 排放量逐年上升的主要因素。据报道化学氮肥的 施用每年产生n 2 0 约1 5x 1 0 6 t ，占人类活动向大气输入n 2 0 - n 量的4 4 和每年向大气 输入n e o - n 总量的1 3 【1 0 1 。n 2 0 具有吸收红外线和减少地表热辐射向外扩散的特性， n 2 0 在大气中具有较长的滞留时间并参与大气中的许多光化学反应【l ，因此，硝化和反 硝化形成的氮氧化物不仅是大气臭氧层的消耗者，也是温室效应最重要的气体之一。 ( 4 ) 对农产品的污染 不合理施用n 肥导致农产品质量下降( 尤其是蔬菜硝酸盐污染) 。有研究表明，施氮 适量植株蛋白质含量随施氮量增长逐渐增加，硝态氮含量增加缓慢，当施氮量达到一定 限量再增加时，蛋白质含量则下降，硝态氮含量却大幅度上升。过量施氮比不施氮时， 小白菜、油菜和菠菜中硝态氮的含量提高8 0 1 2 6 倍左右【1 2 】。人体摄入的硝酸盐主要来 自蔬菜，由于盲目施肥，中国一些大城市的蔬菜硝酸盐和亚硝酸盐的含量明显偏高，如 宁波市蔬菜田氮肥用量为7 3 1 k g h m 2 ，蔬菜中n 0 3 - n 含量则高达4 9 3 0 m g k g 1 3 j ，对人体 健康构成了极大危害。科学实验已经证明，人饮用或食用了硝酸盐含量高的水和蔬菜后， 在硝酸还原细菌的作用下，把硝酸盐还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐本身是一种有毒物质， 能将含二价铁的血红蛋白迅速氧化成高铁血红蛋白，从而失去载氧功能，致使罹患高铁 血红蛋白症，严重时可危及生命。此外，亚硝酸盐在体内与仲胺、酰胺等化合物发生反 应，形成亚硝基化合物( 如亚硝胺等) ，这是一种有相当强度的致癌物和致突变物。 1 1 2 湿地对硝态氮的净化功能 湿地是地球上重要且特殊的生态系统类型之一，它不但具有丰富的资源，还具有诸 多生态功能，湿地土壤通过各种各样的微生物与土壤动物，使外界进入土壤的各种物质 分解转化；通过复杂的有机与无机胶体体系的吸附、解吸、代换等过程，蓄积进入土壤 中的各种物质，使污染物发生形态变化；通过植物的吸收作用，使污染物质发生迁移转 化。因此污染物在土体中可逐步降低浓度，减少毒性或被分解成无害的物质，甚至有营 养的物质。另外湿地在维持生物多样性、水分涵养、水质净化等方面，有着其他生态系 统所不能替代的作用。 近年来，随着氮肥施用量的增加，导致土壤及水体氮污染日趋加重。因此，利用湿 地进行水质净化的研究逐渐得到了国内外学者的广泛关注。湿地水质净化功能属于生态 学研究范畴。泥炭地是典型的湿地类型之一，用于水质净化的泥炭地研究始于2 0 世纪 5 0 年代。泥炭地净化硝态氮的机制从根本上说是硝态氮随水分在泥炭地中运动时，借助 于发生在泥炭地土壤中的物理、化学和生物学作用，使硝态氮去除，最终达到净化硝态 氮的目的。可见，土壤和水分运动的存在是泥炭地净化硝态氮的两个基本条件。许多学 2 东北师范大学硕士学位论文 者从不同角度对该方面进行了大量研究，为我们全面和深入地认识泥炭地中氮( 硝态氮) 的生物地球化学特征及泥炭地净化硝态氮的机理提供了很好的基础。 1 1 3 本研究的意义 我国东北地区的长白山和大、小兴安岭是国内泥炭地类型湿地最大的集中分布区。 这些泥炭地是区域生态安全的屏障，也是东北地区重要的环境特色和优势。关于泥炭地 的研究，我国早期的工作主要侧重于泥炭资源调查和开发利用。近年来，湿地生态功能 的作用受到越来越多的重视，泥炭地的研究内容也发生了明显改变，目前的研究工作主 要集中在泥炭地自然过程( 如水文过程、生物地球化学过程和生物学过程) 、泥炭地生 态功能与全球气候变化、泥炭地生态功能评价和恢复重建等方面。随着研究的深入，人 们开始关注泥炭地生态功能机理的研究。近几十年来，由于泥炭地被开发为农田，加之 农业生产集约化程度的不断提高，化肥施用量逐年递增，由此造成的污染成为面源污染 的主要贡献。我国东北泥炭地恰恰多分布于流域的中上游区域，而且周边的土地利用类 型又多属于高产农田。面源污染特别是硝态氮污染的危害，开始成为不可忽视的环境问 题之一。因此深入研究湿地对硝态氮的净化功能及其机制，对于准确地评价泥炭地的净 化功能，掌握净化机理，制定有针对性的湿地保护措施和构建人工湿地都具有十分重要 的应用价值。 本研究地点位于吉林省通化市辉南境内，该研究区域是国家级森林公园保护区内的 湿地，也是泥炭湿地的典型代表。该泥炭地由第四纪火口湖经漫长岁月的沼泽化发育而 来。随着当地农业的发展，很多泥炭地被转变为水田和旱田，农民过度不合理施用农药 化肥，使生态环境遭到了破坏。本研究用野外实地考察与室内有机玻璃模拟土柱实验相 结合的方法探讨金川湿地保护区五种土壤对硝态氮的净化能力。室内模拟实验排除了不 可控的环境因子，从土壤结构角度出发，将不同类型土壤的土壤性质、净化率曲线与土 壤吸附量结合起来探讨对净化效率的影响。借助硝态氮在土壤中净化率随时间变化的曲 线研究不同类型土壤的净化能力。净化率曲线的坡度斜率说明了硝态氮在土壤中的净化 能力，从曲线上可以看出在不同时间不同类型土壤结构的净化效率，还可以研究土壤含水 量、容重、土壤质地、土壤结构、溶质化学特性等对曲线坡度的影响。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 湿地净化功能的研究进展 国外对湿地的生态系统服务功能研究开展的较早，大致可以追溯到2 0 世纪初，但 大多只局限于对本国湿地生态系统的分类，而具体到湿地的净化功能的研究则最早开始 于2 0 世纪5 0 年代。随着美国麻省m a s s a c h u s e t t s 大学l a r s o n 提出第一个湿地生态功能 评价模型，湿地的净化功能及其生态效益在研究过程中逐步被人们所认识。到了7 0 年 代，生态学家在研究湿地生态系统服务功能的基础上，对湿地的净化功能的各种机制也 进行了详细且深入的研究，形成了一套较完善的生态系统服务功能的理论。8 0 年代，全 3 东北师范大学硕士学位论文 球环境问题日趋严重，这期间，生态学家们从对湿地净化功能的理论研究转化为对湿地 净化功能的实际应用。人工湿地净化功能的研究，为缓解城市水资源短缺和水污染问题 增加了一条有效的途径。最近十年间，人类在人工湿地的净化功能研究上已取得迅猛发 展，在处理污水的不同层次和不同领域中都做了详尽的研究论证。在欧洲和美国等地， 不同学者们通过对人工湿地和天然湿地净化效率的测定，可以很明显的得出，人工湿地 的净化环境容易控制，往往对营养物质的去除能力比较强，而天然湿地人为很难控制， 它对污染物的去除完全靠其本身的净化负荷，所以相对来说，其净化效率比较低。 我国对湿地的认识和记载已有几千年的历史，但系统地从事湿地研究始于2 0 世纪 5 0 年代，主要是对于湿地基本理论的研究。到了7 0 年代，国内才对湿地生态系统服务 功能有了新的认识。湿地是自然界富有生物多样性和较高生产力的生态系统，具有巨大 的环境调节功能和生态效益。到9 0 年代，国内在人工湿地净化功能方面的研究也迈出 了重要的一步。对于不同湿地类型，进行了总结归纳，在相同净化机制的基础上，进行 比较，提出更有效、有针对性的人工湿地污水处理技术。据环保部门检测，污水经人工 湿地处理后，总氮、总磷去除率分别为5 0 和4 0 ，悬浮物去除率达8 0 以上，c o d 和b o d 分别去除6 0 和5 0 ，水质提高了1 级2 级【1 4 】，较好地控制了面源污染问题。 当前，湿地的净化功能在实际应用中已经取得长足的发展，人工湿地在处理城市污 水过程中占有重要的比重，一方面，人工湿地的生物净化为人们提供可行性技术；另一 方面，人工湿地的建造解决资金短缺问题。当然，应用研究的发展应基于理论方面研究 的突破。在今后相当长一段时间内，还需要在湿地净化功能的理论方面作更深层次、更 广泛的研究。人工湿地对污水的净化也存在或多或少的问题。在达到和污水处理厂相同 效果的前提下，人工湿地占地面积大、处理时间长，与当今全球土地利用的政策相矛盾。 另外，人工湿地净化植物的选取，以及植物吸收污染物后的生长规律和生物量的资源化 利用，这一系列问题与怎样提高人工湿地污水净化效率相结合，是今后要考虑研究的问 题。研究表明，在今后几十年内，由于全球温室效应的加强，致使全球气候带的偏移， 地球上水陆条件可能发生巨大变化。对于全球生态系统而言，这种变化会对湿地的功能 产生多大影响，而湿地净化功能的破坏又对全球的环境造成什么影响，这一切还有待于 进一步的理论研究。 湿地被称为“地球之肾”，它具有强大的净化污水能力，湿地是自然环境中自净能力 最强的生态系统之一，同森林相比，它是同等地域森林净化能力的1 5 倍。湿地的水文 条件创造了独特的物理化学环境，这使湿地生态系统既不同于排水条件好的陆地生态系 统，也不同于深水水生生态系统，具有不可替代的环境调节作用。湿地水流速度缓慢， 有利于沉积物沉降：在湿地中生长、生活着多种多样的植物、微生物和细菌，生活和生 产污水排入湿地后，通过湿地生物地球化学过程的转换，水中污染物可被储存、沉积、 分解或转化，使浓度降低或污染物分解。据估算，在湿地水生植物体内富集的重金属浓 度比水中浓度高出1 0 万倍以上，水葫莲、香蒲和芦苇都能有效吸收水中有毒物质，并 成功地用来处理含有有毒物质的污水。研究表明，湿地中的芦苇对砷净化能力为9 6 0 6 ， 铁为9 2 7 8 ，锰为9 4 5 4 ，铅为8 0 1 8 。同时，湿地对污水中营养物氮、磷、钾有很 4 东北师范大学硕士学位论文 好的去除能力。湿地生态系统具有独特的水文条件，因此，在转移和排除营养物方面要 比陆地生态系统效率高。氮素的生物地球化学循环过程非常复杂，循环的性能极为完善， 包含n o x ，n 2 0 的排放，氮沉降，土壤氮的迁移等。化学过程主要包含着氮的矿化、硝 化、反硝化和氨化作用，而生物过程则是氮的体内分配和吸收作用。在湿地生态系统对 氮的净化过程中，主要集中在水体、土壤和植物之间的迁移和转化。湿地土壤具有吸附 和解吸的特点，土壤与水溶液中氮素之间含量变化实质上就是吸附与解吸的动态平衡过 程，也即土壤胶体矿物粘粒对氮素吸附固定与解吸释放，导致了水溶液中含氮量的变化。 进入水体的氮素包括水溶态( n i - 1 4 + _ n 和n 0 3 - n ) 、部分交换态的无机氮和水溶性、水解性 的有机态氮。在整个过程中，土壤的硝化反硝化作用起到重要的影响，土壤通气性差， p h 值高和湿度大时，反硝化作用强烈，将n 0 3 - n 转化为n 2 0 ，n o ，n 2 ，使湿地中过 量的氮素得到较好的转移和去除。硝态氮不易被土壤吸收，很容易迁移，从而随降雨、 径流流失或通过反硝化减少，氮在湿地系统中的这种迁移转化过程是总氮浓度下降、湿 地净化功能体现的主要原因。以总氮、铵态氮和硝态氮三个指标为研究对象，污水进入 湿地生态系统后，其中的铵态氮经过湿地系统中植物和细菌的吸收、挥发和硝化作用， 一部分进入生物圈，一部分进入大气圈，还有一部分转化为硝态氮的形态留在水体中。 人们在对人工湿地系统净化效果的研究表明，总氮和铵态氮的平均去除率分别为5 0 和 1 6 5 ，而由于硝态氮化学稳定性强，在整个反应过程中，其浓度反而有所上升。 人工湿地处理的潜力明显集中于两大类污染物：生物可降解的有机及营养性污染 物，另一类是有毒有害物质。氮作为植物所需的重要的营养元素之一，通常以多种形态 存在于废水中引起水体的富营养化，以至于降低水体水质和影响水体功能，所以长期以 来污水除氮一直是污水处理的一项很重要的任务。人工湿地除氮研究中，除氮效率是系 统很重要的性能指标之一。除氮方法很多，其中生物处理法是最有效的方法，它是通过 一系列好氧或厌氧作用将氮的化合物转变成为氮气而去除。作为一种生态治污方法，人 工湿地在污水除氮过程中有其明显的优势。有研究表明，湿地系统平均可以除去8 6 9 8 的氨氮，大于9 9 的亚硝态氮，约8 2 9 9 的硝态氮和9 5 9 8 的总无机氮。氮的去除机 理和反应过程十分复杂，主要原因是氮存在形式的多样性，包括有机氮、氨氮、亚硝态 氮及硝态氮，它们之间通过氧化还原而相互转化。目前有关氮的去除机理，从反应过程 来说，学术界较为一致的认识是氨化作用和复合的硝化反硝化作用。这三个重要的过 程一般可以同时发生在人工湿地系统中，但其发生的程度却有所不同。反硝化作用是系 统最有效的除氮途径，即进入系统的氧化态氮越少，系统总氮的去除效果越有效。其次 是硝化作用，此过程需要有一定的溶解氧水平，对于1 0 m g l 的氨氮，当系统中溶解氧 大于4 6 m g l 时，硝化过程才能顺利进行，但也有研究表明氮的去除主要通过废固体物 的沉积作用而去除的，去除率是进水氮量的5 7 6 ，其次是反硝化作用，约占4 0 9 。 除此之外，挥发作用、填料吸附和植物摄取也是氮去除所涉及的过程。但挥发、填料吸 附和植物摄取的氮量十分有限。从去污整个过程来看，人工湿地污水净化系统实际上是 由组成系统的四个基本组成要素，即水体、湿地基质、植物、微生物相互关联，通过物 理、化学及生物的过程协同作用的结果。同理，人工湿地除氮过程也主要是四个要素共 s 东北师范大学硕士学位论文 同作用的结果，但系统的除氮效率却受到多种因素以及各种因素之间相互作用的直接或 间接影响。 1 2 2 土壤性质对净化能力的影响研究进展 从目前研究现状上看，土壤结构及性质对硝态氮净化功能影响己被学术界深刻认识 到。如土壤孔隙度越大，容水体积就越大，硝态氮在泥炭地内能受到较长时间吸收和转 换，净化效率也会相对增加【1 5 】。团粒结构好，有机质通常很丰富、吸附能力强，而且土 壤中微生物种类和数量多，有助于吸附和降解各类污染物【l6 】。但是由于湿地土壤的理化 特征变化非常缓慢，湿地土壤净化水质最主要的作用或许与水文学和氧化还原电位有关 【1 7 1 。土壤含水量对于水质净化同样具有重要作用，如随着含水量的升高，硝态氮在土壤 中的迁移速度，特别是垂直迁移速度增加。原因在于只有足够的湿度硝态氮等可溶性物 质才可以移动。如干燥时期，泥炭地对硝态氮通常表现不出净化作用，主要是因为这些 硝态氮在泥炭地内并未进行移动，从而影响其净化效果旧。张润润【1 8 】的土壤中硝态氮存 储结构及其对运移通量影响中指出，土壤结构和含水率决定了硝态氮在大小孔隙中的分 配比例，在不考虑大孔隙硝态氮的影响下，硝态氮运移通量跟单位面积总水量成幂函数关 系。临时性的降雨，有时虽然很大，但可能并不能改变土壤用以维持可溶性营养物移动 的湿度状况，从而导致泥炭地并未显示出净化功能。 湿地水位、流速、水温、补给量大小及季节性变化等也影响了湿地系统的水质净化 能力。如湿地在低流速时，去除硝酸盐的能力较强【1 9 1 。在相同条件及一定生态阈值内， 径流补给越充沛、越稳定，湿地对氮、磷等污染物的净化能力越强，相反则弱1 2 0 】。 r a i s i n ，g w 。m i t c h e l l 。ds ，a n dc r o o m e ，r l 【2 1 】研究认为湿地在集水区中的位置主要影响了 湿地对暴雨径流大脉冲的吸附能力。m i c h a e l 【2 2 。2 3 】利用评分系统的方法选择了流域中最适 合恢复湿地的位置，并对氮截留进行量化研究。m e g a ng r e i n e r 和c a r lh e r s h n e r t 2 4 j 对维 吉尼亚流域总磷滞留量和湿地位置做了相关分析。 国内在有关净化能力因子研究上，主要以湿地土壤中营养元素的迁移规律、土壤吸 附及空间分布的研究居多，并且从人工湿地植物吸附角度研究湿地对氮素的净化能力。 同时在湿地植物氮素含量动态和氮素在不同植物不同器官中的分配关系上有大量研究。 在微生物因子上，主要研究湿地微生物与植物的关系以及湿地植物细菌优势种的确定。 而国外有关植被因子的研究，主要是对盐沼湿地植物尤其是在海岸盐沼植物生长、分解、 积累过程和种群动态研究做了大量的长期定位监测；在微生物方面，集中于从微生物活 性和土壤微生物量探讨湿地根际的生物地球化学功能。 另外还探讨了有机质影响土壤净化能力的机制：土壤中的有机质本身吸水能力比无 机胶体高许多倍，同时有机质含量的提高可以增加土壤中的孔隙度及孔隙的稳定度，使 有机质对土壤持水性能有显着影响。随有机质含量的提高，土壤保持水分能力增强，对 污染物的吸附蓄积能力就强，体现出良好的净化能力。土壤有机质能改善土壤的物理结 构和化学性质，改善土壤的水气条件，提供养分，为土壤动植物、微生物创造适宜的生 存环境。而土壤动植物、微生物则够通过各种各样的物理、化学、生物学过程对土壤中 6 东北师范大学硕士学位论文 污染物起到显著的净化作用。所以说土壤中有机质含量越高，土壤结构越好，土壤对污 染物的净化能力就越强。在人工湿地的设计运行中，可通过改良土壤的理化性质提高土 壤的净化功能，比如提高有机质含量，使土壤具有大量的团粒结构，增加土壤的保水性 能等。 这些研究充分说明土壤孔隙度、含水量在硝态氮净化方面的作用。但多侧重于影响 硝态氮净化的土壤结构特征的确定和土壤结构对硝态氮净化效率的影响分析等问题，而 缺乏土壤结构和性质对硝态氮净化机制研究。张会引2 5 】等在土壤性质对锌吸附影响的研 究进展中概括了土壤p h 、有机质、粘粒矿物、温度、竞争性阳离子和共存离子等性质 对土壤锌吸附过程的影响。 从研究方法上看，目前很多研究也仅限于室内模拟实验分析，运用p v c 材质作为 柱体材料。通过研究硝酸盐穿透曲线特征，得出迁移能力大小，为农田施肥种类与方法 提供了科学依据，但在净化功能上的研究很少。如陈效引2 6 】的太湖地区农田土壤中硝态 氮垂直运移的规律，采用内径1 0 3 c m ，高5 0 c m 的圆柱体p v c 管进行室内模拟实验，研 究饱和与非饱和两种条件下太湖地区土壤硝态氮的迁移特征。从穿透曲线得出结论：在 饱和条件下，硝态氮垂直运移过程的穿透曲线呈现不对称形状和拖尾现象，主要由于土 壤中存在着动水和不动水的比例不同和土壤的物理性质所致。而在非饱和条件下，硝态 氮运移过程的时间明显加长，穿透曲线的峰值增高，优先流不明显，穿透曲线平缓。与 硝态氮结合的阳离子价数对硝态氮的垂直运移没有影响。 在湿地土壤有关硝酸盐的研究上；研究方法仍使用室内模拟土柱法，通过分析硝态 氮穿透曲线，研究迁移过程，但并没有将迁移过程和净化能力结合起来。孙志高【2 7 】的三 江平原典型小叶章湿地土壤中硝态氮和铵态氮垂直运移规律，采用内径7 5c m 、高2 0 c m 的p v c 管进行室内模拟实验，对草甸沼泽土和腐殖质沼泽土两种湿地土壤类型为研究 对象，结果表明：在水分饱和条件下，两种土壤的硝态氮和铵态氮穿透曲线均符合g a u s s 单峰模型( r 2 卸1 8 5 ) ，其运移过程主要受粘粒含量的影响；草甸沼泽土和腐殖质沼泽土 表层土壤的硝态氮和铵态氮垂向迁移能力较强。白军红【2 8 】的二百方子沼泽湿地无机氮的 垂直运移规律，采用总长度为4 5 c m ，内径为7 0 c m 的圆柱体p v c 管进行模拟实验，选 取沼泽湿地和人工水稻土两种土壤类型为研究对象，结果表明：沼泽湿地土壤中硝态氮 的穿透曲线具有不对称的多峰结构，而铵态氮的穿透曲线均具有偏峰型结构，且有明显 的拖尾现象；各层土壤中硝态氮和铵态氮的穿透曲线最高峰出现的时间及其峰值高低均 存在显著差异。沼泽湿地土壤中硝态氮的淋失量比水稻土小得多，验证了水稻土中硝酸 盐的淋失量大的结论。以上对土壤中硝酸盐迁移的研究多采用室内模拟土柱方法，柱体 采用直径小于1 0 c m 的p v c 材料。而本实验柱体采用直径为1 8 c m 的有机玻璃材料，既 避免了直径小所造成的测流效应，同时透明柱体有利于观察和测定土壤渗透速率，从实 验装置上趋于完善。 在这些相关研究中，国内都集中于松嫩平原、三江平原( 别拉洪河流域、挠力河流 域) 、辽河三角洲盘锦湿地、黄河下游和长江中下游地区进行研究，而金川湿地这种类 型的湿地尚未见报道。金川湿地研究始于上世纪8 0 年代，几十年来，众多的科研工作 7 东北师范大学硕士学位论文 者分别对金川湿地表面界面c 0 2 通量与有机碳积累速度【2 9 】、湿地形成过程和环境关系 3 0 - 3 1 】、藓丘小生境植物群落结构与环境因子的关系【3 2 1 、水文动态与地形植被复合体的 空间耦合关系【3 3 】等进行了研究。但是对金川湿地硝态氮净化功能及相应机理研究报道很 少。 另外在硝酸盐净化方面，有关人工湿地的研究也很多，陈博谦瞰】的湿地土壤因素对 污水处理作用的室内模拟研究，结果表明：在排除了植物因子的前提下，人工湿地土壤 微生物系统对污水中的污染成分仍具有良好的去除作用。 从以上国内外研究看出，湿地不同土壤类型的净化比较研究还很少。同时对不同类 型土壤结构和性质的差异及其对硝态氮迁移和净化效率的影响研究更为少见。所以本研 究将金川湿地五种土壤类型的净化能力进行对比，从土壤结构角度出发，将不同类型土 壤的土壤性质与净化率曲线结合起来探讨对净化效率的影响。借助硝态氮净化率曲线的 坡度斜率研究硝态氮在土壤中的净化能力。 1 3 技术路线 8 东北师范大学硕士学位论文 第2 章实验材料与方法 2 1 研究区概况 金川泥炭地位于吉林省辉南县金川镇，地理坐标为4 2 。2 0 5 6 q , q - ，1 2 6 0 2 2 5 1 ”e ，是 值的湿地之一。总体轮廓旱近圆形，面积近1 0 0 公顷，海拔6 1 3 6 1 6 m 。金川湿地泥炭 层厚度一般为4 - 6 m ，虽厚近9 m 。深厚的泥炭层能涵蓄大量水分，具有涵养水源、调节 径流、水质净化等功能。泥炭地内有季节性移 水。地表径流汇入后洲，最终注入辉发河。 优势植物群落为臌囊苔草群落和油桦一臌囊苔草群落。 二- c 。， 毫菇- 一”。“ 旁 ： j 二 圈i 金川湿地研究区位置图 f i g u r e ll o e a t i c m a m a p o f j i n c h u a n w e t l a n db l - e , a 金川湿地区地处中温带，受气候、水文、地貌、植被等自然凼素和人文崩素的影响， 土壤具有不同的发展方向。该区地带性土壤为暗棕壤，其原始植被是红松鱼鳞云杉阔 叶混变林。非地带性土壤古白浆土( 白浆土的植被以喜湿性植物种类为多，主要足草甸 和沼泽化革匈的革本植物；在木本植物中，也以喜湿性的落叶松、白桦、水曲柳、油桦 等虽为多见) 、草甸土、淄泽士( 植被为水曲柳一修氏苔草群落、芦苇群落) 、泥炭土( 植 物残体组成主要足苔草和芦苇) 及水稻土等。 22 土壤样品的采集 2 2 1 土壤容重样品的采集 在采样点的上壤剖面处，先在采土处j j 铁铲铲平，将已称过质晕的环刀毒直压入土 9 东北师范大学硕士学位论文 内( 必须保持环刀内土壤结构不受破坏) ，然后取出带土的环刀，用锋利的小刀削去环 刀两端外露的土壤，擦去环刀外面的土，立耳p ；0 1 1 盖以免水分蒸发，采集三个重复样品。 将取回的环刀土样，去掉顶盖，先在电热板上烘到几乎风干状态，然后放入烘箱中， 在1 0 5 4 - 2 下烘干称至恒重。 结果计算： 7 n 2 一优! n 一弋厂一 这里班和堑分别指烘干之前和之后的重量( g ) ，v 表示环刀体积( e r a 3 ) 。 2 2 2 土柱土壤样品的采集与处理 在金川泥炭地及其周围以布点法分别挖取臌囊苔草、油桦、森林、旱田、水稻土的 0 - 2 0 c m ，2 0 - 4 0 c m 层土壤，运回实验室后，剔除植物残根，石块等，之后将其尽快风干。 将每份土壤样品分成两份，一份测定土壤的理化性质，一份用于室内模拟土柱实验。 2 3 实验方法 2 3 1 有机玻璃模拟土柱的装置设计 土柱设计：模拟土柱采用直径为1 8 c m ，高为1 0 0 c m 的有机玻璃柱，底部衬管箍， 起支撑土样的作用。在土柱底部装以5 e r a 厚的砾石层，以便于排水。在距管底2 c m 处 用电钻开一个直径为l e n a 的圆孔，圆孔在实验时用带孔的胶塞塞住，将一端连有胶皮导 管的玻璃管插入带孔胶塞用于导出液体。胶塞与圆孔之间用海绵封住，起到防止漏水以 及防止出水混浊的作用。将干燥的土样从柱顶部加入，稍稍压实，特别注意土柱边缘压 实，防止土柱水流的边缘效应。实验土柱采用原水由上部进入，底部出水口排出。将土 柱置于铁架上。扰动土按实际测得的容重填装土柱，每种土壤类型做两次重复。 2 3 2 室内模拟土柱实验 首先用去离子水充分淋洗土柱直至检测不到硝态氮为止。然后加入2 0 0 0 m l 含 2 0 0 m g l 的k n 0 3 溶液作为示踪剂进行示踪实验。以可调解流速的连续供水室供水，并使 土壤表层保持l c m 水层( 即饱和条件下) ，以确保水分的均匀下渗。采样时间段为1 5 m i n 次，为了更好的呈现净化率曲线的变化特征，连续接样6 0 次。试验后对各土柱中土 壤吸附的k n 0 3 含量进行测定。 l o 东北师范大学硕士学位论文 十样莱攘有机玻璃模拟十抖硝酸 k 冲化实骑 图2 室内模拟土枉实骑 f i g u r e2 i n d o o re x p “i m e n t o f i m u l a t i n gs o i lc o l u m n 2 3 3 数据处理 ( 1 ) 用酚磺酸法测定硝态氯浓度。各上牲处理f 、土壤对硝态氯的净化率r ，其 训算公式如r ： r = ( c o - c x ；c o r - 一净化率( 1 c o 一示踪剂硝态氮的初始浓度( m g l ) c x 冉水中硝忐氨的浓度( m g l ) ( 2 ) 数捌利川s p s s l 20 f o r w i n d o w s 统汁软什进行分析，所有数抛日先采用单样 奉k s 检验，确认为正态分析( p o0 5 ) ；方差的齐次| 生用l e v e n e 检验米验证：使川单闪 素方荠分析( o n e w a ya n o v a ) 和丁检验( t - t e s t ) 分析不上壤类型h 的土壤性质差 异性。显苦性水、r 设置为p - 0 0 5 ，数搬以平均值标准议差来表示。 东北师范大学硕士学位论文 第3 章结果与讨论 3 1 土壤基本性质的测定【3 5 - 3 6 】 为了探讨土壤对硝态氮净化能力的影响因子，分别对五种土壤的理化性质进行测 定，如表1 、表2 、表3 。 ( 1 ) 土壤有机质的测定 采用g b 7