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(环境工程专业论文)关中盆地典型土壤中“三氮”迁移转化规律的研究.pdf.pdf 免费下载
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关中盆地典型土壤中三氮迁移转化规律的研究 摘要 地下水中氮污染在世界范围内普遍存在,离子态的n h 。+ 、n 0 2 - 、n o 。一即常称 为三氮的污染和治理成为国内外环境专家研究的热点问题,而农田土壤中氮素的 淋失被认为是造成地下水中氮污染的主要原因之一。关中盆地是国家重点开发建 设地区和陕西省重要的工业基地和粮棉油产区,该区地处干旱半干旱地区,水资 源紧缺和地下水质污染已成为该地区面临的严峻问题。近年来,当地农民过量施 用农家肥和化肥特别是氮肥造成土壤中硝酸盐残留量较高,使得地下水污染程度 日益严重。 论文针对关中盆地特殊地理位鼍及农业生产的现状,选取典型地貌单元有代 表性的三个土壤剖面为研究对象,设置了野外调查和模拟种植相结合的实验方 案,通过查阅资料、野外调查和取样分析关中笳地农田土壤的氮污染现状。开展 农作物种植实验研究不同类型土壤中三氮随时间和空间的迁移转化规律,探讨农 作物生长与三氮迁移转化之间的联系,分析环境因素对三氮变化的影响,为该地 区农业生产提供科学借鉴,对该地区地下水资源环境保护和可持续发展有重要的 意义。 野外调查结果表明:近年来关中盆地浅层地下水及农田土壤中的氮污染状 况比较严重,通过对不同土壤剖面的背景分析得出:关中盆地三种地貌的土壤均 呈弱碱性,且土壤包气带岩性使土壤有利于硝化作用的进行,因此土壤中的硝酸 盐( n 0 。一) 含量相对较高,其值已经达到2 1 0 m g k g ( 以n 计4 7 4 2m g k g ) ,由于该区 域处于干旱半干旱地区,地面的蒸发量相对比较大,氮素容易随水份向上运移而 导致硝酸盐( n o 。一) 在表层土聚集,其中以漫滩一粉砂的表层土更甚。 模拟种植实验表明:1 ) 三氮在土壤中分别随时间变化的基本趋势是:铵( n h 。+ ) 含量随着时间的推移呈明显的下降趋势,在2 0 天之前就有约施氮量的8 0 左右被 植物吸收或发生转化;亚硝酸( n o :一) 的整体含量较低但随时间仍有较少的增加。 硝酸盐( n o 。一) 在三种土壤中基本呈现较平稳的变化;2 ) 无论是种植玉米、小麦 还是青菜,黄土中铵( n h 。+ ) 的残留量明显高于漫滩粉砂和一级阶地一粉质粘土; 3 ) 三氮在土壤垂向剖面都有不同程度的向下迁移,其中铵( n h 。+ ) 和亚硝酸( n o : 一) 都在土壤埋深1 0 c m 左右发现有少许的累积,硝酸盐( n 吼一) 向下迁移较快,在 1 8 a m 以下有累积;4 ) 农作物对氮素的吸收基本在6 0 天左右达到峰值,种植在黄 土台塬一黄土中的农作物铵( n h 。+ ) 的含量最高,但硝酸盐( n o 。一) 的含量最低;5 ) 土壤一植物体系中总氮的分布变化表明:农作物收获后的土层都不同程度的存在 三氮的残留,植物吸收氮素是随着时间的推移增加,而土壤中氮的含量是随着时 间的推移在减少,这种规律在种植青菜的体系比较明显。6 ) 农作物成熟后的土 壤残留量约占总氮量的1 5 6 8 4 1 7 4 ,而农作物对于氮素的吸收仅占施氮总量 的3 0 0 7 0 7 ,其中损失的氮素量占5 5 2 6 7 9 2 4 ,这可能与施用的氮肥量 ( 每公顷土地施用约1 8 0 k g 氮素) 较大有关,远远大于植物所需的氮素量,使得 大部分的氮素流失。 关键词: 关中盆地;土壤一植物体系;三氮;迁移转化; s t u d yo nt h et h r e en i t r o g e nt r a n s o o r ta n dt r a n s f o r m a t i o ni n ,t y o i c a l s o i l so fg u a n z h o n 2b a s i n , t h eg r o u n d w a t e rp o l l u t i o no ft h en i t r o g e ni sp o p u l a ra l lo v e rt h ew o r l d n h + 、 n o z 、n 0 3 - w a sc a l l e dt h r e en i t r o g e np o l l u t i o nb e c o m e st h eh o tt o p i co nw h i c ht h e d o m e s t i ca n df o r e i g ne x p e r t ss t u d i e d b u tn i t r o g e nl e a c h i n gi nt h ef a r m l a n ds o i lw a s c o n s i d e r e dt h em a i nr e a s o nt od e d u c et h eg r o u n d w a t e rp o l l u t i o n g u a n z h o n gb a s i ni s t h en a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o na r e a , i ta l s oi ss h a r m x ip r o v i n c ei m p o r t a n t i n d u s t r i a lb a s ea n dt h ef o o d 、c o t t o na n do i lp r o d u c t i o na r e a i tb e l o n g st ot h ea r i da n d h a l f a r i da r e a ,t h es h o r t a g eo f g r o u n d w a t e rr e s o u r c ea n dt h ep o l l u t i o no f g r o u n d w a t e r h a v eb e c o m et h es e r i o u sp r o b l e m si nt h i sa r e a i nr e c e n ty e a r s ,t h el o c a lp e a s a n t s i r r a t i o n a l ya p p l i e dt h ef a r m l a n dm a n l r ea n dt h ec h e m i c a lf e r t i l i z e r ,s p e c i a l l yt h e n i t r o g e nf e r t i l i z e r ,l e a dt ot h eh i g h e rn i t r a t er e s i d u ei nt h es o i l ,c a u s e st h eg r o u n d w a t e rt oe n c o u n t e rt h em o r ea n dm o r es e r i o u sp o l l u t i o n t h i sp a p e ra i m e da tt h es p e c i a lg e o g r a p h i c a lp o s i t i o na n dt h ee c o n o m i cs t a t u so f g u a n z h o n gb a s i n s e l e c tt h et h r e ek i n do ft y p i c a ls o i l s :l o e s sp l a t e a u - l o e s s ,s e c o n d b o t t o m s i l t yc l a y , f l o o dp l a i n - s i l t ys o i l ,m a k ep l a nw h i c hi n c l u d e st h ei n v e s t i g a t i o n a n dt h es i m u l a t i o np l a n t i n g e x p e r i m e n t a n a l y s i st h eg u a n z h o n gb a s i nn i t r o g e n p o l l u t i o ni nf a r m l a n d s o i la t p r e s e n ts i t u a t i o nt h r o u g hi n v e s t i g a t i o n ,s t u d yt h e e n i t r o g e nt r a n s p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o nr u l ei nt h ed i f f e r e n tt y p es o i lt h r o u g ht h ec r o p s p l a n t e rs t u d i e s d i s c u s st h er e l a t i o nb e t w e e ng r o w i n go ft h ec r o p sa n dt r a n s p o r ta n d t r a n s f o r m a t i o no fn i t r o g e ni ns o i l s r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a lf a c t o ro n t h r e e n i t r o g e nc h a n g i n g ,p r o v i d et h es c i e n c es i g n i f i c a n c ef o rl o c a la g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n i ti sv e r yi m p o r t a n tt op r o t e c tt h el o c a lg r o u n d w a t e rr e s o u r c e sa n d m a i n t a i nt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h ef i e l di n v e s t i g a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a t ,i nr e c e n ty e a r s ,g r o u n d w a t e ra n d t h ef a r m l a n ds o i ln i t r o g e np o l l u t i o nc o n d i t i o no fg u a n z h o n gb a s i nw a s q u i t es e r i o u s , t h en i t r o g e np o l l u t i o nw a st h er e s u l to f t h ea b u s i v eu s eo f f e r t i l i z e ra n di n c o r r e c tw a y s o fa g r i c u l t u r a l t h r e ek i n do ff a r m l a n ds o i l so fg u a n z h o n gb a s i na r ew e a ka l k a l i n e a n dt h e i rv a d o s ec h a r a t o rw h i c hl e a dt ob el i a b l et on i t r i f i c a t i o n ,t h e r e f o r et h en i t r a t e ( n 0 3 一) c o n t e n tr e l a t i v ei sh i g h e ri nt h es o i l b e c a u s et h i sr e g i o ni si nt h ea d da n d h a l fa r i da r e a ,t h eg r o u n dt r a n s p i r a t i o nr a t er e l a t i v ei sq u i t eb i g ,t h en i t r o g e nm o v e e a s i l ya l o n gw i t ht h em o i s t u r eu p w a r dt r a n s p o r t ,c a u s i n gt h en i t r a t e ( n 0 3 ) t og a t h e r o nt h es o i ll a y e r , s p e c i a l l yo nt h eu p p e rs o i ll a y e ro f f l o o dp l a i n s i l t ys o i l t h es i m u l a t i o np l a n t i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t ,1 ) t h r e en i t r o g e ni nt h es o i l r e s p e c t i v e l ya l o n gw i t ht h et i m ev a r i a t i o nb a s i ct e n d e n c ya r e :t h ea m m o n i u m ( n h 4 + ) t h ec o n t e n tp a s s e sa l o n gw i t ht h et i m ea p p e a rt h eo b v i o u sd r o pt e n d e n c y , b e f o r e2 0 d a y sh a sa p p r o x i m a t e l y8 0 n i t r o g e nf e r t i l i z e rt r a n s f o r m a t i o nb yp l a n ta b s o r p t i o no r t r a n s f o r m a t i o n ;n i t r i t ec o n t e n t ( n 0 2 _ ) i sl o wb u ts t i l lh a dt h ef e w i n c r e a s ea l o n gw i t h t h et i m e t h en i t r a t e ( n 0 3 一) b a s i c a l l yp r e s e n t st h es t e a d yc h a n g ei nt h r e ek i n do f s o i l s ;2 ) r e g a r d l e s st h ek i n do f c r o p s ,i nl o e s sp l a t e a u l o e s st h ea m m o n i u m ( n h 4 + ) c o n t e n to fs o i lo b v i o u s l yh i g h e rt h a ni n f l o o d p l a i n s i l t y s o i lo ri ns e c o n d b o t t o m s i l t yc l a y 3 ) t h r e en i t r o g e ni nt h es o i lh a v et h ev a r y i n gd e g r e et ot r a n s p o r tt o d e p t h ,a m m o n i u m ( n h 4 + ) a n dt h en i t r i t e ( n 0 2 - ) a c c u m u l a t ei n10 c md e e p ,t h e n i t r a t e ( n 0 3 一) t r a n s p o r tq u i c k l yt od e p t h ,a n da c c u m u l a t e sb e l o w18 c md e e p 4 ) t h ec r o p s b a s i c a l l ya c h i e v et h ea b s o r p t i o np e a ko fn i t r o g e n a f t e r6 0d a y s ,p l a n t e ri nl o e s s p l a t e a u l o e s s a m m o n i u m ( n h + ) c o n t e n ti sh i g h e r ,b u tn i t r a t e ( n 0 3 一) c o n t e n ti sl o w e r 5 ) i nt h ec r o p s s o i ls y s t e m ,t h et o t a ln i t r o g e nc o n t e n to fc r o p sa l w a y so b v i o u s l yi s h i g h e rt h a nt h ec o n t e n ti nt h es o i l ,t h i sr u l ei sm o r ep r o m i n e n ti nt h eg r e e nv e g e t a b l e s s o i ls y s t e m 6 ) i nt h r e ec r o p - s o i ls y s t e m s ,t h ep e r c e n t a g eo fp l a n ta b s o r p t i o ni s a b o u t3 0 0 7 0 7 ;t h et o t a ln i t r o g e nc o n t e n ti nt h es o i l ,1 5 6 8 4 1 7 4 ;t h el o s s e s o fn i t r o g e n ,5 5 2 6 7 9 2 4 t h i sc o n c l u t i o nm a y b er e s u l tf r o ma c c e s sn i t r o n g e n f e r t i l i z e rw h i c h1 e a d st ot h em a s sl o s s e s so f n i t r o g e n k e yw o r d s :g u a n z h o n gb a s i n ;s o i l c r o ps y s t e m ;t h r e en i t r o g e n ;t r a n s p o r ta n d t r a n s f o r m a t i o n ; 论文独创性声明 本人声明;本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名:妈身致 训厂年月,2 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时,署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名: 导师签名: 幻弘 删 w 年窍 l i e i 孺i 年月l 日 第一章绪论 1 选题依据 随着世界经济迅猛发展,工业化,城市化进程的加快带来了日益严重的环境 问题,其中水体的污染尤为突出l ”】。环境中的氮污染作为一种新的污染已经引 起人们的广泛关注,其对人体的危害仅次于农药【4 1 。氮的化合物尤其是离子态的 n h 。+ 、n o 厂、n 0 3 _ 即常称为三氮的污染和治理已经成为国内外专家研究的热点问 题【5 1 。目前,世界上许多国家和地区的浅层地下水都发现有不同程度的氮污染, 特别是近年来化肥农药在农业上的大量施用,对环境造成的污染尤其是地下水污 染日益严重【6 】。而农田土壤中氮素的淋失被认为是造成地下水中氮污染的主要原 因之- - 1 7 l 。 众所周知,氮素是当前农田生产力的主要限制因素之一,同时又是日益增长 的污染因子。中国已成为世界上化肥生产量和施用量最多的国家,农业使用化学 氮肥虽然使粮食产量几乎增加了近一半,但因为氮肥,水解、铵化、硝化耗时较 短,植物氮素利用率通常低,其余氮素通过铵挥发、硝化一反硝化等途径损失, 造成水体富营养化、地表水环境恶化,成为当今环境氮污染的主要来源1 8 】,造成 了对农业生态环境的污染,对人类健康构成了潜在威胁。 在氮污染物环境行为和毒性的研究中,土壤一直是一个最重要的研究对象, 它不仅是氮素的主要承载体,而且是最主要的降解、分解、矿化场所。一般施入 到土壤中的肥料氮,除农作物吸收及部分矿质氮残留在土壤中外,一部分以气态 形式逸向大气,一部分经淋失进入水域直接对地下水造成威胁。其中硝态氮的土 壤渗漏损失使土壤中氮素损失的主要途径之- - 1 9 。o 】。除( n o 。- - n ) 向深层淋失外, 土壤侵蚀和径流也是引起氮素损失的另一途径。而土壤的结构、厚度、有机物及 微生物含量以及分布规律等在很大程度上决定着地下水是否易受到污染及其污 染程度。近年来还有数据表明氮肥的种类、施用方式及植物的种类对于硝态氮的 淋失和地下水的污染也有明显的影响【“l ,因此将土壤植物体系和地下水有机的 联系起来研究,对氮污染问题的防治具有一定的意义。 关中盆地位于陕西省的中部,属干旱半干旱地区,包括西安、宝鸡、咸阳、 渭南四个行政级市,是亚欧大陆桥的枢纽地带和连接我国东西地区和南北方的交 通要道,同时也是国家重点开发建设地区和陕西省重要的工业基地和粮棉油产 区,但是近年来,长期耕作和农业施肥特别是施用氮肥造成土壤中硝酸盐残留量 较高,使得地下水遭到不同程度的污染,并日趋严重。鉴于本文研究区域关中盆 地一渭河中游的典型地貌类型上的土壤包气带大致以黄土、粉质粘土和粉砂三种 类型为主,在整理资料和野外调查基础上选取了关中盆地渭河附近这三种不同类 型的土质,了解关中盆地地下水中氮污染现状和土壤包气带中氮残留分布现状, 并通过种植实验进一步探讨三氮在不同土壤中的分布及其迁移转化与植物生长 之间的联系,以此为该地区农业生产提供科学借鉴,这对该地区地下水资源环境 保护和可持续发展着重要的意义。 2 国内外研究现状及其存在的问题 2 1 国内外研究现状 土壤氮素是土壤学中研究历史悠久而十分活跃的一个领域,肥料施用量和生 物固氮量的增加,使氮素损失引起的环境污染变得越来越严重。氮素的气态损失 和淋失严重影响生态环境,三氮中的n 0 3 一的淋失是造成地下水污染的主要原因。 近年来也有不少数据表明,土壤中n o 。和n h 。+ 的累积和污染程度也不容忽视1 1 2 1 。 由于化学肥料和农家肥料的使用面积非常之广,以致成为粮食增产过程中的一个 主要因素,同时也成为环境氮污染的主要来源之一。农用肥料中有许多是氮肥, 如碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵、尿素、铵水等,有机肥尤其是农家肥含有大量氮素。 由于氮肥施用量的不断增加及施用方式上的不当,导致了土壤中营养元素的不平 衡,不仅造成了氮肥肥效的降低和经济损失,而且也易引起环境污染,包括无机 氮淋滤对地下水的污染等。自6 0 年代以来,国内外学者对氮素在土壤和地下水 中迁移和转化及其防护治理进行了较为广泛的实验研究,取得了很多有益的认识 和科研成果。 2 1 1 三氮测定方法的研究 对于三氮的分析测定方法,国内外已有很多报道,如:紫外光度法、增敏光 度法、极谱法、离子色谱法、催化光度法、催化电位法、流动注射分析光度法、 漆酚树脂传感器直接电位法等;这些方法虽然各有一些优点,但也有其局限性和 缺点。近年来,许多学者在原有方法的基础上加以改进,取得了较为理想的效果。 徐建芬l l3 j 应用戴氏合金还原法同时测定废水中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮结果 表明:对标准样品所测硝酸盐氮和亚硝酸豁氮的相对标准差分别为2 8 和2 0 。废 水样的加标回收率,硝酸盐氮和亚硝酸盐氮分别为9 0 9 5 和9 6 1 0 0 ,但适用 于一些污染严重水样,尤其适合高浓度水样测定。水样中硝酸盐氮与亚硝酸盐氮 含量比不能超过1 0 :1 ,否则误差太大。 m i c a e l ab a d e a l l 4 】建立了一种新的电化学传感器测定硝酸盐和亚硝酸盐方 法,通过对铂电极增加一种纤维素乙酸膜或者l ,8 一二氨基萘膜的装置,利用流 动注射分析快速测定水中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮,并对参数如膜的渗透性、内 部干扰离子、及回收率的研究证实该方法的实用性。对照必须使用致癌试剂的传 统的比色法,这种方法简单、快速,不需要任何别的试剂,而且可用于测定食物、 土壤、蔬菜及化肥中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。 r e q u e la n d r a d e “5 1 建立了一种新的流动注射光谱法,能够同时测定食品中硝 酸盐和亚硝酸盐,该法是通过f e ( i i ) 和硫氰酸盐在酸性介质中形成的f e s c n n o + 能将硝酸盐和亚硝酸盐还原成n 0 ,该化合物在4 6 0 n m 处有最大吸收,且与硝酸盐 和亚硝酸盐含量成比例。n o 的形成分为两步;( 1 ) 先在镉铜还原柱上将硝酸盐还 原成亚硝酸盐;( 2 ) 在酸性介质中亚硝酸盐还原为n o ,该方法样品分析速率是5 0 9 的样3 0 4 0 h ,硝酸盐和亚硝酸盐测定范围分别是0 3 0 3 0 0 及1 0 0 1 0 0 0m g l , 测量界限分别是2 0 - 1 3 m g k g ,可用于测定蔬菜和肉制品。 杨伟科1 6 1 对试纸法一酶法检测食品硝酸盐含量的研究发现:传统的镉柱法检 测硝酸盐含量,操作时间长,且镉的挥发对人体产生毒性。而试纸法一酶法通过硝 酸盐还原酶将硝酸盐还原为亚硝酸盐,再利用已经研制出的亚硝酸盐检测试纸对 亚硝酸盐进行检测,从而得出硝酸盐含量。而且实验结果表明在一定范围内,硝酸 盐氮含量与电信号响应值呈现线性。其中r ( 相关系数) = o 9 9 2 8 ,s d ( 偏差) 为 0 4 8 1 2 6 ,p ( 显著偏差) 高产粮田 裸地 刺槐林地 荒草地 人工草地。苹 果园土壤剖面硝态氮在深层累积严重,累积层在8 0 1 6 0c m ,最高含量达2 0 1 9 m g k g 。高产农田也发生了硝态氮的淋溶累积,累积峰出现在1 2 0 1 4 0 c m 土层, 最高含量为4 4 1m g k g 。林草地因为没有氮肥投入,剖面硝态氮含量处于很低水 平。由于塬面土地大部分为高产农田与苹果园,土壤中累积的大量硝态氮既浪费 了资源又可能对环境造成潜在的威胁,建议降低氮肥用量,特别是果园,并建议 对大量施用化肥对区域生态环境与苹果品质的影响进行研究。 2 1 3 三氮污染预防的研究 由于土壤包气带是非饱和带,其环境条件复杂,清除污染难度大,目前国内 对包气带氮污染治理研究有一定的局限性,研究较薄弱口3 1 。国内外治理研究大 多数是直接针对被氮污染的地下水或地表水。而在治理和预防地下水中三氮的研 究方面,一般都采用物理化学法和反硝化法两大类:物理化学法包括离子交换法 和膜分离法;反硝化法包括化学反硝化和生物反硝化法。 离子交换法使预处理的水通过强碱性树脂床,水中的硝酸根与氯离子或重 碳酸根交换,直到树脂的交换容量耗尽。对使用过的树脂采用氯化钠或重碳酸钠 浓溶液再生后继续使用。刘玉林,何杰等d 4 】对常规的离子交换法进行了改进, 将用常规方法处理后的强碱型离子交换树脂,用再生剂处理成重碳酸型阴离子 交换树脂。这样饮用水中硝态氮与树脂中h c 0 3 - 发生交换反应,再生交换树腊上 的硝态氮与再生液中的重碳酸型发生交换反应。采用投加m g o 粉末至饱和c 0 2 水 溶液的方法,使之形成m g ( h c o 。) :溶液,克服了单独c o s 再生法再生效率不高的 缺点,从而大大提高了h c 0 3 的浓度和再生效率。 生物膜分离法包括反渗透和电渗析两种。反渗透膜对硝酸根无选择性,但 各种离子的脱除率与其化合价数成正比。常用的反渗透膜主要是醋酸酯膜,也 可使用聚胺酯膜和其它复合膜。范彬等【35 】研究了以无烟煤和以颗粒活性炭为介 质的复三维电极电化学一生物膜反应器脱除饮用水中硝酸盐的工艺,将复三维电 化学产氢与以氢气为电子供体的自养反硝化工艺结合起来。实验表明:两种介 质的反应器在不加任何有机基质时都能有效地脱除水中的硝酸盐,并且两种反 应器的最大电流效率分别达至1 j 2 0 4 $ 1 1 8 5 。在水力停留时间不小于2 1 2 5 h 时,反应器的脱硝率接近1 0 0 。在3 4 、槽压4 9 7 v 时处理2 1 4m g ( n 0 3 一- n ) l 的 进水,无烟煤介质反应器的反硝化负荷为0 2 4 7 m g ( n o 。- _ n ) ( c m 2 d ) ,活性炭介质 反应器的反硝化负荷为0 2 1 3m gn 0 3 - - n ( c m 2 d ) 。 化学和化学催化反硝化都可从水中脱除硝酸盐,是指利用一定的还原剂还原 水中的硝酸盐从而去除硝酸盐。1 9 9 3 年,h o o r o l d 等人开发了一种催化脱除硝酸 盐和亚硝酸盐的方法口“,氢气在钯铝催化剂和铅( 5 ) 铜( 1 2 5 ) a 1 2 0 3 催化剂的 作用下将硝酸豁氮还原成氮气( 9 8 ) 和铵。该方法可将初始浓度为l o o m g l 的 硝酸根完全脱除,反应经5 0 m i n 完成。催化剂去除硝酸根的活性为3 1 3 m g m i no g , 比微生物反硝化的活性要高3 0 倍。该工艺可在通常地下水的条件下进行( 1 0 ,p h 6 8 ) ,并且易于自动化和操作,适用于小型水处理。 生物反硝化方法在彻底消除地下水中硝酸盐污染和降低脱硝成本的两个方 面,是目前己投入实用的最好的方法。地下生物反硝化又称原位生物反硝化,是 向地下水体注入基质和营养物质,在地下水体中完成反硝化及二次处理的过程, 曹国民,赵庆祥掣3 刀研究了将硝化菌和反硝化菌混合包埋,利用载体对氧产生 的扩散阻力在颗粒内部形成好氧区、缺氧区和厌氧区,使硝化和反硝化有机的结 合在一起,在好氧条件下同时进行硝化和反硝化的新型生物脱氮技术。结果表明: 固化后细胞的活力回收率 7 0 ;混合固定的硝化菌和反硝化菌在好氧条件下进 行间歇生物脱氮时至少稳定操作2 2 天,其间脱氮速率约为0 1l k g m 3 d 。 2 2 国内外研究中存在的问题 查阅以往国内外资料发现,国内外学者对土壤氮素的迁移转化规律的研究很 多,但是也存在着一些问题或薄弱环节。主要涉及:1 、目前的研究目标大多只 是地下水或是单一的土壤剖面,没有将土壤和植物体系有机的联系起来进行研 究;2 、研究包气带中三氮转化规律时,方法也多采用室内土柱进行模拟,利用 野外进行现场试验研究的尚未多见;3 、模型的建立、“n 同位素技术等虽然都是 研究和预测土壤包气带中的氮素的迁移转化及硝酸盐淋失的理想工具,但由于目 前测试费用较大,在国内还处于研究起步阶段。 因为三氮的迁移转化是一个非常复杂的问题,影响因素很多,具体问题应具 体对待,所以本论文将针对国内外研究现状中存在的第一个问题进行初步探索。 利用模拟种植试验,将土壤和植物体系有机的联系起来,查明在具体的土壤中氮 污染的机理即不同土壤类型中氮的迁移转化规律及其与农作物生长之间的关系, 以期为农业生产和控制污染的继续发展提供科学依据。 3 论文的研究目标、研究内容、工作路线及创新点 3 1 研究的目的 论文主要以三氮在不同土壤剖面中的分布特征及其与农作物生长之间的联 系为研究目标,探讨三氮在关中笳地不同类型土壤中的迁移转化规律,分析农作 物生长及环境因素对氮肥的迁移转化过程的影响。 3 2 论文的研究内容 结合关中盆地当地的区域特点、土壤岩性、农田土壤的特性及农作物种植种 类等情况,使用铵盐( n h 4 + ) 、硝酸盐( n o 。一) 、亚硝酸盐( n o 。 - ) 作为示踪剂,进 行以下几个方面的研究: ( 1 ) 整理近年来的有关资料,对关中翁地浅层地下水及农田土壤中的氮污染 现状进行分析及整体简评。 ( 2 ) 针对关中盆地研究区域的土壤类型特点,选取渭河水系中游兴平段,设 置一垂向剖面,沿渭河北岸剖面自南向北依次在河漫滩、一级阶地、黄土台塬分 别设取样点,开展污染状况调查。 ( 3 ) 对所采集的样品进行室内可溶盐分析,如:c a ”、m g ”、n h 。+ n 、n 0 2 一n 、 n o 。一n 、s 0 4 2 。、c 1 - - p h 、电导率等项目,重点分析三氮在不同类型土壤剖面 中的分布特征。 ( 4 ) 在污染状况调查的基础上,依据关中盆地农作物种植情况和氮肥施用的 情况,选定的三种土质进行种植实验。 ( 5 ) 种植过程中定期采集土样和植物样品,分析测定n h 4 + 、n 0 2 、n 0 3 。等含 量的变化,并分析各种因素如p h 值、有机质、土壤类型及农作物种类等等对于 氮素迁移转化的影响。 3 3 论文工作计划安排及技术路线 3 3 1 工作计划安排 在广泛收集整理相关资料的基础上,试验从2 0 0 5 年2 月开始至2 0 0 6 年4 月结束,共历时1 5 个月,具体的工作计划安排如下: 2 0 0 5 年2 月一2 0 0 5 年3 月初,查阅整理与本次论文相关的国内外资料。 2 0 0 5 年3 月一2 0 0 5 年4 月,关中盆地渭河兴平段野外调查及采集土样阶段。 2 0 0 5 年4 月一2 0 0 5 年5 月初,野外土样室内分析测定阶段。 2 0 0 5 年5 月一2 0 0 5 年1 1 月,进行模拟种植实验及定期取样测定分析阶段。 2 0 0 5 年1 2 月一2 0 0 6 年4 月底,整理资料、实验完善及论文编写阶段。 3 3 2 技术路线 在充分收集、整理与论文相关的资料的基础上,总结分析国内外相关的研究 现状。分析关中盆地地下水中三氮污染的现状,选定研究区域三个典型剖面进行 采样,评价关中盆地不同土壤类型中三氮的残留量分布。随后开展预期半年左右 的室外模拟种植实验及大量的室内分析实验,来揭示三氮在不同土壤类型中的迁 移转化规律及其影响因素。具体的工作流程安排如下表: 3 4 论文的创新点 本论文的创新点主要有以下几个方面: 1 ) 尝试对关中盆地三种类型的土壤进行模拟种植对比试验,揭示三氮在不同类 型土壤中的迁移转化规律。 2 ) 铵盐( n h 4 + ) 在前2 0 天就有约8 0 发生转化,黄土台塬一黄土中铵( n h ) 残 留量明显高于漫滩一粉砂和一级阶地一粉质粘土;亚硝酸( n o 。一) 的整体含量较低 但随时间仍有较少的增加;硝酸盐( n 0 3 一) 在三种土壤中基本呈现较平稳的变 化。 3 ) 三氮都随时间推移都向下迁移,其中铵( n h 。+ ) 和亚硝酸( n o 。一) 都在土壤埋深 1 0 c m 左右发现累积,硝酸盐( n o ,一) 向下迁移较快,在1 8 c m 以下有出现较大的 累积。 4 ) 研究发现,农作物对于氮素的吸收仅占施氮总量的3 0 0 7 0 7 ,损失的氮素 量占5 5 2 6 7 9 2 4 。研究区氮肥施用量( 5 0 斤亩) 远远大于作物所需的氮 素量,使得大部分的氮素流失,可能会对地下水造成威胁。 第三章关中盆地水、土中三氮污染状况 1 关中盆地的自然概况及地质水文条件【3 8 1 , 1 1 关中盆地的自然概况 1 1 1 地理位置 关中盐地位于陕西省中部,西起宝鸡,东至潼关,南依秦岭,北抵北山,在 东经1 0 7 。3 0 1 1 0 。3 77 ,北纬3 3 。3 9 3 5 。5 0 之间。东西长3 6 0 公里, 南北宽约3 0 8 0 公里,总面积近2 0 万平方公里。行政区划上包括四个地市。 区内自然条件优越,土地肥沃,交通便利,文化教育事业发达,水资源条件良好, 工业城镇密集,全区集中了全省6 0 的人口和8 0 的工业,以及5 2 的耕地, 是陕西省政治、经济、文化的中心地带,素有“八百里秦川”之称,也是我国重要 的粮棉产区和国家建设的重点地区。 1 1 2 地势 区内是一个三面环山,向东敞开的新生代断陷盆地,南北两侧山脉由东向西 到宝鸡逐渐闭合而成峡谷。南面是峰峦迭嶂、山势陡峭的秦岭中高山,海拔 1 0 0 0 2 3 2 0 m ,主峰太白山3 8 0 0 m ,著名的西岳华山,海拔2 4 3 7 m ,山势陡峻, 雄伟壮观。北面是舒缓起伏的低山丘陵,统称为“北山”,海拔7 0 0 1 2 5 0 m 。在 北山与秦岭之间为一西窄东宽的平原地形,地势上西高东低,渭河纵贯其中。自 南北两侧向渭河依次为山前洪积扇、黄土台塬、冲积平原,构成呈阶梯状下降的 地貌景观。 1 1 3 气候条件 区内属温带半干旱、半湿润气候,多年平均降水量5 3 0 7 0 0 m m ,西部多于 东部,南部多于北部;而蒸发量西部为9 0 0 m m ,东部达1 0 0 0 1 2 0 0 m m 。降水量年 际与年内分配不均,年内降水量主要集中在七、八、九三个月,其降水量占全年 4 5 左右,年际间有三年一中早、十年一大旱、五十年特大旱的变化规律。由于 蒸发量大,降水少、且降雨年变率大,年内分配不均,在农作物极需水时往往无 雨,所以干旱对农业生产构成严重的威胁。 i 1 4 水文 关中盆地河流主要是渭河水系,渭河出宝鸡峡后,河谷突然宽阔,河床蜿蜒 曲折,其多年平均径流量为1 0 1 6 亿m 3 ( 包括泾、洛河) ,最大2 0 4 亿m 3 ( 1 9 6 4 年) ,最小4 9 9 3 亿m a ( 1 9 9 5 年) 。渭河入境后接纳了由南、北而来的近百条大 小支流,尤其源于秦岭的支流平行密布,习有“秦岭七十二峪”之称,这些支流 径流较短,水流湍急,受降水影响河水位和流量变化很大,它们在流经山前砂、 砾河床时,河水大量渗漏,甚至断流,转化为地下水。渭河北岸的支流主要有金 陵河、千阳河、漆水河、泾河、石川河、洛河等,这些河流大多源远流长,河水 具暴涨暴落、含砂量大的特点。 1 2 区域地质、地貌条件 1 2 1 地质条件 关中盆地位于汾渭断陷盆地的西段,是喜马拉雅山运动形成的一个新生代断 陷盆地。晚始新世盆地开始凹陷,中新世至上新世继续沉降,堆积了巨厚的第三 系河湖相碎屑岩建造。进入第四系后继续沉降,堆积了较厚的第四系河湖相松软 土层。盆地周边局部地区因受次一级断块影响而抬升,第三系岩层遭受剥蚀夷平 成为平原地形,此后又接受黄土堆积形成了黄土台塬。盆地内第四系发育且分布 广泛。从下更新统至全新统为一套完整的陆相沉积。盆地中部早期以湖积、冲湖 积为主,晚期则以冲湖积、冲积为主;盆地边缘以冲湖积、洪积与黄土相互交替 覆盖,构成多次沉积旋回。概括起来关中盆地比较明显特点的是:多数地层下部 都下伏有河湖相沉积物;受新构造运动的影响,近代冲积层形成多级阶地,洪积 层形成洪积物与黄土交互覆盖的洪积扇群;除现代河漫滩、一级阶地、洪积堆积 区外,均覆盖了不同厚度的黄土。 1 2 2 地貌条件 关中笳地是一个三面环山,南北高中部低,西高东低,西窄东宽的盆地,渭 河自西向东穿过盆地中部,从南北山前到贫地中心,呈阶梯状依次分布有山前洪 积扇、黄土台塬、冲积平原等地貌类型在渭河和洛河之间的阶地上,还分布有一 狭长沙丘地形。地貌如图2 1 所示: 囵基 囵蠢 图羹 娟 圆l 量 广 鹫囤 目嚣 “继 霹 函1 匝搽嗣霜 1 3 区域水文地质概况 秦岭与北山之间的关中盆地,地势低平,第四纪松散堆积物厚度大,分布广, 富水性好,加之降水较多,又有出山口河流渗漏,补给条件良好,因此总的看地 下水较为丰富。盆地中部的渭河沿岸及各支流阶地、山前洪积扇前缘等区域和局 部地下水排泄区为主要的富水地段。盆地内广大地区地下水以水平运动为主,主 要由南北两侧向盆地中部渭河径流、排泄。含水介质以第四系松散覆盖层孑l 隙、 隙裂隙水含水岩类为主,并常常组合成上部潜水与下部承压水双层含水结构。其 它含水岩类出露与分布面积较小,仅于骊山地区有少量块状基岩裂隙水含水岩类 存在。 区内地下水主要接受大气降水的补给,其入渗系数在洪积扇、黄土台塬及高 阶地区,一般为0 1 o 3 ,漫滩及低阶地可达0 3 0 4 。盆地边缘地带也可接 受山区基岩裂隙水的侧向补给。山区河流进入平原地段时地表水大量渗入补给地 下水,如秦岭基岩峡谷中伸展出来的溪峪进入低洪积扇与河谷阶地后,水流绝大 部分入渗补给地下水。渭河低阶地在洪水期也接受地表水的暂时补给。 地下水流向与地形基本一致,即由盆地两侧向盆地中心、由河谷上游向下游 运动,最后排泄于河流与沟谷之中。在渭河北岸泾河以东和南岸二华夹槽等地, 地形低洼,地下水运动缓慢,以垂直蒸发排泄为主,造成大片土地盐渍化,局部 地段潜水溢出地表形成沼泽。渠灌区的管道渗漏和灌水入渗对地下水的补给也十 分显著。 2 关中盆地浅层地下水中三氮污染现状 水是生命之源,是人类赖以生存不可替代的最为重要的资源,是实现经济、 社会可持续发展战略的重要物质基础。自然条件下,地下水虽不像地表水那样容 易被污染,但地下水系统也是一个脆弱的生态系统,且一旦污染很难在短期内恢 复。在我国北方省区,地下水资源在经济、社会的发展中发挥着十分重要的作用。 但随着社会和经济发展,受人口增长、环境污染、持续干旱等因素的影响,水资 源危机已成为2 1 世纪人类面i 临的三大问题f 人v 1 、资源与环境) 之一。 关中盆地,集中了全省人口5 9 7 、工农业
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