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不同质量浓度铵态氮浇灌下城市森林土壤淋滤液无机氮及土壤氮素变化

段文靖 段文标 陈立新 沈海龙 牟宇 韩冬荟

段文靖, 段文标, 陈立新, 沈海龙, 牟宇, 韩冬荟. 不同质量浓度铵态氮浇灌下城市森林土壤淋滤液无机氮及土壤氮素变化[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 84-93. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193
引用本文: 段文靖, 段文标, 陈立新, 沈海龙, 牟宇, 韩冬荟. 不同质量浓度铵态氮浇灌下城市森林土壤淋滤液无机氮及土壤氮素变化[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 84-93. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193
Duan Wenjing, Duan Wenbiao, Chen Lixin, Shen Hailong, Mu Yu, Han Donghui. Changes of inorganic nitrogen in the leachates of urban forest soil and its soil nitrogen under the irrigation of different mass concentrations of ammonium nitrogen: taking Harbin City of northeastern China as an example[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 84-93. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193
Citation: Duan Wenjing, Duan Wenbiao, Chen Lixin, Shen Hailong, Mu Yu, Han Donghui. Changes of inorganic nitrogen in the leachates of urban forest soil and its soil nitrogen under the irrigation of different mass concentrations of ammonium nitrogen: taking Harbin City of northeastern China as an example[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 84-93. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193

不同质量浓度铵态氮浇灌下城市森林土壤淋滤液无机氮及土壤氮素变化

doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193
基金项目: 国家科技支撑计划(2015BAD07B06-5)
详细信息
    作者简介:

    段文靖。主要研究方向:水土保持。Email:duanwenjing92@163.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路51号东北林业大学林学院

    通讯作者:

    陈立新,教授。主要研究方向:森林土壤,植物营养,林地养分管理。Email:lxchen88@163.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院土壤研究室

Changes of inorganic nitrogen in the leachates of urban forest soil and its soil nitrogen under the irrigation of different mass concentrations of ammonium nitrogen: taking Harbin City of northeastern China as an example

  • 摘要: 目的探明不同质量浓度铵态氮浇灌下城市森林土壤淋滤液铵态氮与硝态氮及土壤氮素的变化。方法本文选择哈尔滨市城市林业示范基地内代表性的3种人工林(蒙古栎、黄檗、水曲柳)的土壤作为研究对象,以其邻近的裸地土壤作为对照,通过野外采集土柱和室内土柱模拟法,使用硫酸铵配制不同质量浓度铵态氮溶液(100、50、25、0 mg/L)进行室内模拟浇灌,对土柱淋滤液中铵态氮和硝态氮及处理后的土柱土壤氮素进行测定与分析。结果3个林型和对照原状土柱对铵态氮去除效果显著,去除率均达到95%以上;不同质量浓度铵态氮负荷下各林型土壤对其去除效果差异不显著;3个林型及对照原状土柱淋滤液硝态氮质量浓度较高,均为4.41 ~ 5.53 mg/L;进水铵态氮质量浓度为100 mg/L时,除对照外,3个林型土柱中铵态氮含量均增加;低于100 mg/L时,除蒙古栎人工林外,其他两个林型土柱土壤中铵态氮含量降低;各林型和对照的土柱土壤硝态氮含量显著增加,而全氮含量差异不显著;利用不同质量浓度铵态氮浇灌后,土柱淋滤液中铵态氮的变化受林型和进水铵态氮质量浓度及其两者的交互影响不显著,但对硝态氮的影响达到显著水平,以上3者对浇灌后土柱土壤中氮素的影响均达到显著水平。结论在3个林型及裸地原状土柱中,蒙古栎人工林土壤对铵态氮的去除效果及硝态氮淋失最显著,其次为黄檗人工林土壤、水曲柳人工林土壤和裸地土壤。
  • 图  1  自制木质支架示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of self-made wooden bracket

    图  2  不同铵态氮质量浓度溶液淋滤下土柱淋滤液中铵态氮质量浓度的变化

    FML. 水曲柳人工林土柱淋滤液;PAL. 黄檗人工林土柱淋滤液;QML. 蒙古栎人工林土柱淋滤液;CK. 无植被生长的裸地(对照);C0. 进水铵态氮质量浓度0 mg/L;C1. 进水铵态氮质量浓度25 mg/L;C2. 进水铵态氮质量浓度50 mg/L;C3. 进水铵态氮质量浓度100 mg/L。不同大写字母表示同一林型不同铵态氮质量浓度进水处理间差异显著(P < 0.05)。不同小写字母表示同一铵态氮质量浓度进水处理不同林型间差异显著(P < 0.05)。下同。FML, Fraxinus mandshurica plantation soil column leachate; PAL, Phellodendron amurense plantation soil column leachate; QML, Quercus mongolia plantation soil column leachate; CK, bare ground without vegetative growth(contrast); C0, the mass concentration of influent ammonium nitrogen is 0 mg/L; C1, the mass concentration of influent ammonium nitrogen is 25 mg/L; C2, the mass concentration of influent ammonium nitrogen is 50 mg/L; C3, the mass concentration of influent ammonium nitrogen is 100 mg/L. Different capital letters mean significant difference at P < 0.05 level in the same forest type with different influent ammonium nitrogen mass concentrations. Different lowercase letters mean significant difference at P < 0.05 level for the same influent ammonium nitrogen mass concentration with different forest types. The same below.

    Figure  2.  Changes in the mass concentration of ammonium nitrogen in the leaching solution of soil column leaching under different ammonium nitrogen mass concentrations

    图  3  不同铵态氮质量浓度溶液淋滤下土柱淋滤液中铵态氮质量的变化

    08-17. 8月17日;08-06. 8月6日;07-21. 7月21日;07-10. 7月10日;06-29. 6月29日。下同。08-17, August 17; 08-06, August 6; 07-21, July 21; 07-10, July 10; 06-29, June 29. Same as below.

    Figure  3.  Changes in the mass of ammonium nitrogen in the leaching solution of soil column under different ammonium nitrogen mass concentrations

    图  4  不同铵态氮质量浓度溶液淋滤下土柱淋滤液中硝态氮质量浓度的变化

    Figure  4.  Changes of nitrate nitrogen mass concentration in leaching solution of soil column with different ammonium nitrogen mass concentrations in solution

    图  5  不同铵态氮质量浓度溶液淋滤下土柱淋滤液中硝态氮质量的变化

    Figure  5.  Changes of nitrate nitrogen in leaching solution of soil column under different ammonium nitrogen mass concentrations

    图  6  进水前后各林型土柱土壤中铵态氮含量的变化

    不同小写字母表示同一处理不同林型间差异显著(P < 0.05);不同大写字母表示同一处理同一林型过滤前后铵态氮含量差异显著(P < 0.05)。下同。Different lowercase letters mean significant difference at P < 0.05 level in the same treatment among different forest types; different capital letters mean significant difference at P < 0.05 level in the same forest type and same treatment before and after filtration. The same below.

    Figure  6.  Changes in the content of ammonium nitrogen in soil columns of each forest type before and after leaching

    图  7  进水前后各林型土柱土壤中硝态氮含量的变化

    Figure  7.  Changes in nitrate nitrogen content in soil column of various forest types before and after leaching

    图  8  进水前后各林型土柱土壤中全氮含量的变化

    Figure  8.  Changes of total nitrogen content in soil column of each forest type before and after leaching

    表  1  哈尔滨市城市林业示范基地3种林型人工林基本特征和土壤理化性质

    Table  1.   Basic characteristics and soil physical and chemical properties of three forest types in the demonstration base of urban forest in Harbin City

    林型
    Forest type
    人工林基本特征 Basic characteristics of plantation土壤理化性质 Physical and chemical properties of soil
    面积/hm2
    Area/ha
    林龄/a
    Stand age/
    year
    平均树高
    Mean tree
    height/m
    平均胸径
    Mean
    DBH/m
    林分密度/
    (株·hm− 2
    Stand density/
    (tree·ha− 1)
    土壤密度
    Soil bulk density/
    (g·cm− 3)
    pH全氮含量
    Total nitrogen content/
    (g·kg− 1)
    铵态氮含量
    Ammonium nitrogen content/
    (mg·kg− 1)
    硝态氮含量
    Nitrate nitrogen content/
    (mg·kg− 1)
    FM5.55120.632.1 9601.03 ± 0.04a6.92 ± 0.29b8.72 ± 1.41ab2.36 ± 0.01d4.90 ± 0.02b
    PA0.85710.517.11 1751.05 ± 0.07a6.61 ± 0.10c13.03 ± 1.25a3.05 ± 0.04c1.55 ± 0.01c
    QM0.54814.419.11 4711.13 ± 0.01a5.19 ± 0.19d4.94 ± 0.88b3.99 ± 0.03a0.47 ± 0.02d
    CK1.20 ± 0.11a7.14 ± 0.13a8.88 ± 0.64ab3.35 ± 0.01b10.74 ± 0.31a
    注:FM. 水曲柳人工林;PA. 黄檗人工林;QM. 蒙古栎人工林;CK. 无植被生长的裸地(对照)。同列不同小写字母表示林型间差异显著(P < 0.05)。Notes: FM, Fraxinus mandshurica plantation; PA, Phellodendron amurense plantation; QM, Quercus mongolia plantation; CK, bare ground without vegetative growth (control). Different lowercase letters in the same column mean significant difference at P < 0.05 level among forest types.
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    表  2  进水前和进水后土柱土壤及淋滤液中氮素含量变化

    Table  2.   Changes of nitrogen content in soil and soil column leaching solution before and after leaching

    进水铵态氮
    质量浓度
    Mass concentration
    of influent ammonium nitrogen/(mg·L− 1)
    林型
    Forest
    type
    浇水前后土壤中铵
    态氮含量差异
    (浇水后−浇水前)
    Difference of ammonium nitrogen content in soil before and after watering (after watering-before watering)/(mg·kg− 1)
    浇水前后土壤中硝态氮含量差异(浇水后−浇水前)
    Difference of nitrate nitrogen content in soil before and after watering (after watering-before watering)/(mg·kg− 1)
    浇水前后土壤中全氮含量差异(浇水后−浇水前)
    Difference of total nitrogen content in soil before and after watering (after watering-before watering)/(g·kg− 1)
    淋出的
    铵态氮量
    Leaching
    amount of ammonium nitrogen/mg
    淋出的
    硝态氮量
    Leaching
    amount of
    nitrate nitrogen/mg
    100QM18.4413.132.100.1810.08
    FM12.7123.813.390.1710.87
    PA12.1428.752.040.2110.75
    CK− 0.003 3422.563.910.4810.38
    50QM4.8515.393.850.3010.18
    FM− 1.2427.80− 2.340.2810.24
    PA− 0.2321.85− 3.920.679.92
    CK− 1.807.46− 2.020.179.04
    25QM− 1.3111.79− 3.220.328.72
    FM− 1.537.61− 1.790.209.19
    PA− 2.7916.092.800.3110.02
    CK− 5.02− 4.407.350.378.94
    0QM− 0.352.053.670.3110.20
    FM− 1.10− 2.14− 2.490.131.94
    PA− 2.323.6413.610.1810.34
    CK− 1.94− 7.60− 1.910.3310.56
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    表  3  土柱淋滤液中及土柱土壤中各指标变异来源分析

    Table  3.   Analysis of variation sources of indicators in soil column leachate and the soil in soil column

    参数
    Parameter
    变异来源
    Source of variation
    离差平方和
    Sum of squares of
    deviations (SS)
    df均方
    Mean square (MS)
    FP
    淋滤液中铵态氮
    Ammonium nitrogen in the filtrate
    进水铵态氮质量浓度
    Mass concentration of influent ammonium nitrogen
    0.052 3 0.017 1.108 0.352
    林型
    Forest type
    0.032 3 0.011 0.674 0.571
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
    0.207 7 0.030 1.886 0.086
    误差
    Error
    1.037 66 0.016
    淋滤液中硝态氮
    Nitrate nitrogen in the filtrate
    进水铵态氮质量浓度
    Mass concentration of influent ammonium nitrogen
    10.333 3 3.444 4.239 0.008
    林型
    Forest type
    15.539 3 5.180 6.375 0.001
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
    35.641 7 5.092 6.267 < 0.01
    误差
    Error
    53.622 66 0.812
    土壤中铵态氮
    Ammonium nitrogen in soil
    进水铵态氮质量浓度
    Mass concentration of influent ammonium nitrogen
    1 391.262 3 463.754 640 768.202 < 0.01
    林型
    Forest type
    382.845 3 127.615 176 325.534 < 0.01
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
    399.528 9 44.392 61 336.302 < 0.01
    误差
    Error
    0.023 32 0.001
    土壤中硝态氮
    Nitrate nitrogen
    in soil
    进水铵态氮质量浓度
    Mass concentration of influent ammonium nitrogen
    2 948.446 3 982.815 9 828 153.351 < 0.01
    林型
    Forest type
    447.239 3 149.080 1 490 797.702 < 0.01
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
    564.270 9 62.697 626 966.941 < 0.01
    误差
    Error
    0.003 32 0.000
    土壤中全氮
    Total nitrogen
    in soil
    进水铵态氮质量浓度
    Mass concentration of influent ammonium nitrogen
    330.511 3 110.170 1 101 703.043 < 0.01
    林型
    Forest type
    724.195 3 241.398 2 413 984.597 < 0.01
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
    865.819 9 96.202 962 021.395 < 0.01
    误差
    Error
    0.003 32 0.000
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  • [1] 王诗乐, 张帅, 王贺, 等. 内河滨岸缓冲带不同植被配置对面源污水中NH4+-N的去除效果[J]. 森林工程, 2015, 31(5):7−10. doi:  10.3969/j.issn.1001-005X.2015.05.003

    Wang S L, Zhang S, Wang H, et al. Effects of NH4+- N removal for non-point source pollution by inland riparian buffer strips different plant combination[J]. Forest Engineering, 2015, 31(5): 7−10. doi:  10.3969/j.issn.1001-005X.2015.05.003
    [2] 王珊珊, 张帅, 王诗乐, 等. 河岸带乔木树种配置方式对面源污染物NH4+-N的去除效果[J]. 森林工程, 2014, 30(4):27−30. doi:  10.3969/j.issn.1001-005X.2014.04.005

    Wang S S, Zhang S, Wang S L, et al. Effects of nitrogen removal for non-point source pollution by riparian arbor plant arrangement[J]. Forest Engineering, 2014, 30(4): 27−30. doi:  10.3969/j.issn.1001-005X.2014.04.005
    [3] 刘宝. 土壤渗滤系统处理污染河水的试验研究[D]. 郑州: 郑州大学, 2011.

    Liu B. Soil infiltration experimental study on polluted river water[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2011.
    [4] 武轩韵, 孙向阳, 栾亚宁, 等. 5种基质对污水中氨氮的去除效果筛选及研究[J]. 水处理技术, 2015, 41(2):52−55.

    Wu X Y, Shun X Y, Luan Y N, et al. Screening and research on five substrates in removing ammonia nitrogen in polluted water[J]. Technology of Water Treatment, 2015, 41(2): 52−55.
    [5] 郑彦强, 卢会霞, 许伟, 等. 地下渗滤系统处理农村生活污水的研究[J]. 环境工程学报, 2010, 4(10):2235−2238.

    Zheng Y Q, Lu H X, Xu W, et al. Study on rural sewage treatment by subsurface in filtration system[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2010, 4(10): 2235−2238.
    [6] Lloyd A, Law B, Goldingay R. Bat activity on riparian zones and upper slopes in Australian timber production forests and the effectiveness of riparian buffers[J]. Biological Conservation, 2006, 129(2): 207−220. doi:  10.1016/j.biocon.2005.10.035
    [7] Zhao T, Xu H, He Y, et al. Agricultural non-point nitrogen pollution control function of different vegetation types in riparian wetlands: a case study in the Yellow River wetland in China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2009, 21(7): 933−939. doi:  10.1016/S1001-0742(08)62364-5
    [8] 黄沈发, 唐浩, 鄢忠纯, 等. 3种草皮缓冲带对农田径流污染物的净化效果及其最佳宽度研究[J]. 环境污染与防治, 2009, 31(6):53−57. doi:  10.3969/j.issn.1001-3865.2009.06.016

    Huang S F, Tang H, Yan Z C, et al. Sward riparian buffer zone for runoff clarification and nutrient removal[J]. Environmental Pollution and Control, 2009, 31(6): 53−57. doi:  10.3969/j.issn.1001-3865.2009.06.016
    [9] 茅超颖, 王云琦, 马瑞, 等. 植被过滤带水土保持和水质净化效益研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(11):65−74.

    Mao C Y, Wang Y Q, Ma R, et al. Effects of soil and water conservation and water purification by vegetative filter strips[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(11): 65−74.
    [10] 李振环. 污水灌溉下土壤氮素运移特征的研究[D]. 天津: 天津大学, 2014.

    Li Z H. Study on Transporting characteristics of soil nitrogen in wastewater irrigation condition[D]. Tianjin: Tianjin University, 2014.
    [11] 闫宝龙, 赵清格, 张波, 等. 不同植被类型对土壤理化性质和土壤呼吸的影响[J]. 生态环境学报, 2017, 26(2):189−195.

    Yan B L, Zhao Q G, Zhang B, et al. Effects of different vegetation types on soil physicochemical properties and soil respiration[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2017, 26(2): 189−195.
    [12] 王若舒. 北方雨源型城市内河整治技术方案与技术经济分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2017.

    Wang R S. Regulation scheme and technical and economic analysis of urban rainwater source river in Northern China[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2017.
    [13] 杨芹芹. 城市人工林土壤养分状况与微生物群落结构的研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2012.

    Yang Q Q. Nutrient status and microbial community structure of urban plantation soil[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2012.
    [14] 刘志伟. 流动注射仪测定地表水中氨氮[J]. 广州化工, 2012, 40(6):111−112, 160.

    Liu Z W. Determination of ammonia in surface water by flow injection analyzer[J]. Guangzhou Chemical Industry, 2012, 40(6): 111−112, 160.
    [15] 闵金海, 朱汉昌. 连续流动分析在水质监测中的应用[J]. 中国环境监测, 2003, 19(5):32−34.

    Min J H, Zhu H C. Application of continuous flow analysis in water monitoring[J]. Environmental Monitoring in China, 2003, 19(5): 32−34.
    [16] 郭振苗. 污水中氮素在无植物生长土壤中的迁移与去除试验研究[J]. 节水灌溉, 2014(4):35−38.

    Guo Z M. Experiment for wastewater nitrogen transportation in soil under non-plants conditions[J]. Water Saving Irrigation, 2014(4): 35−38.
    [17] 尹连庆, 谷瑞华. 人工湿地去除氨氮机理及影响因素研究[J]. 环境工程, 2008, 26(增刊 1):151−155.

    Yin L Q, Gu R H. Ammonia nitrogen removal mechanism and affecting factors of constructed wetland[J]. Environmental Engineering, 2008, 26(Suppl. 1): 151−155.
    [18] 兰翔, 王婷, 杨春玲, 等. 不同施磷量对蔬菜地土壤硝态氮淋失的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(4):958−964.

    Lan X, Wang T, Yang C L, et al. Effect of different phosphorus application rates on soil nitrate leaching in vegetable fields[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(4): 958−964.
    [19] Zhou J B, Chen J G, Zhu J, et al. Leaching and transformation of nitrogen fertilizers in soil after application of N with irrigation: a soil column method[J]. Pedosphere, 2006, 16(2): 245−252. doi:  10.1016/S1002-0160(06)60050-7
    [20] 李桐. 通辽污灌土壤氮素含量分析及迁移转化实验研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2010.

    Li T. The analyses towards the content of nitrogen in the polluted soil in Tong Liao and the study on the move as well as the transformation[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2010.
    [21] 祁丽荣, 郭振苗, 高江永. 不同处理等级污水中氮素对农田土壤环境的影响[J]. 农业工程, 2017, 7(1):44−47.

    Qi L R, Guo Z M, Gao J Y. Effects of nitrogen from sewage with different treatment levels on farmland soil environment[J]. Agricultural Engineering, 2017, 7(1): 44−47.
    [22] 黄冠华, 查贵锋, 冯绍元, 等. 冬小麦再生水灌溉时水分与氮素利用效率的研究[J]. 农业工程学报, 2004, 20(1):65−68.

    Huang G H, Zha G F, Feng S Y, et al. Water and nitrogen use efficiency for winter wheat under the condition of irrigation with treated sewage effluent[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(1): 65−68.
  • [1] 吕娇, MustaqShah, 崔义, 徐程扬.  土壤紧实度和凋落物覆盖对城市森林土壤持水、渗水能力的影响 . 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 102-111. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
    [2] 常笑超, 刘勇, 李进宇, 李世安, 孙明慧, 万芳芳, 张劲, 宋协海.  不同形态氮素配比对雄性毛白杨苗木生长的影响 . 北京林业大学学报, 2018, 40(9): 63-71. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180178
    [3] 许可, 王春梅, 张艺, 杨欣桐, 韩金锋, 桂蓉蓉.  氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响 . 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 74-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
    [4] 刘博奇, 牟长城, 邢亚娟, 韩士杰, 姜思领, 王庆贵.  小兴安岭典型温带森林土壤呼吸对强降雨的响应 . 北京林业大学学报, 2016, 38(4): 77-85. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150431
    [5] 佟富春, 肖以华, 岑亚美, 梁卓华, 唐祥佑, 秦文权.  广州长岗山森林土壤线虫群落的功能结构特征 . 北京林业大学学报, 2016, 38(1): 11-20. doi: 10.13332/j.1000--1522.20150233
    [6] 周志强, 彭英丽, 孙铭隆, 张玉红, 刘彤.  不同氮素水平对濒危植物黄檗幼苗光合荧光特性的影响 . 北京林业大学学报, 2015, 37(12): 17-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150281
    [7] 杨博文, 孙海龙, 吴楚.  低磷胁迫对水曲柳幼苗光合速率与氮素同化的影响 . 北京林业大学学报, 2015, 37(8): 18-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20140417
    [8] 吴俊文, 何茜, 李吉跃, 王军辉, 苏艳, 王力朋, 董菊兰, 白晶晶.  不同氮素指数施肥下楸树无性系叶片发育动态变化 . 北京林业大学学报, 2015, 37(7): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20140437
    [9] 郝龙飞, 刘婷岩, 张连飞, 贾斌英, 李宁, 李开隆.  氮素指数施肥对白桦播种苗养分承载和光合作用的影响 . 北京林业大学学报, 2014, 36(6): 17-23. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.06.006
    [10] 韩朝, 董慧, 常智慧.  污泥对干旱条件下高羊茅氮素利用的影响 . 北京林业大学学报, 2014, 36(4): 82-87. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.04.016
    [11] 杨腾, 段劼, 马履一, 贾黎明, 彭祚登, 陈闯, 陈婧, .  不同氮素用量对文冠果生长、养分积累及转运的影响 . 北京林业大学学报, 2014, 36(3): 57-62. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.03.008
    [12] 陈立新, 姜一, 步凡, 段文标, 马海娟.  有机酸对温带典型森林土壤有机磷含量与矿化的影响 . 北京林业大学学报, 2014, 36(3): 75-82. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.03.011
    [13] 唐夫凯, 周金星, 崔明, 刘玉国, 雷荣刚.  典型岩溶区不同退耕还林地对土壤有机碳和氮素积累的影响 . 北京林业大学学报, 2014, 36(2): 44-50.
    [14] 王力朋, 李吉跃, 王军辉, 何茜, 苏艳, .  指数施肥对楸树无性系幼苗生长和氮素吸收利用效率的影响 . 北京林业大学学报, 2012, 34(6): 55-62.
    [15] 王奥, 张健, 杨万勤, 吴福忠, 刘利, 谭波.  冻融末期亚高山/高山森林土壤有机层细菌多样性 . 北京林业大学学报, 2010, 32(4): 144-150.
    [16] 董雯怡, 聂立水, 李吉跃, 沈应柏, 张志毅, .  应用15N示踪研究毛白杨苗木对不同形态氮素的吸收及分配 . 北京林业大学学报, 2009, 31(4): 97-101.
    [17] 刘景双, 孙志高, 秦胜金.  湿地水分变化对小叶章根系分解及氮素动态的影响 . 北京林业大学学报, 2008, 30(6): 41-51.
    [18] 杨洁, 蔡体久, 汪群慧, 王琪.  直接与间接生物淋滤法去除城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属的研究 . 北京林业大学学报, 2008, 30(增刊1): 267-271.
    [19] 史军辉, 于占源, 马履一, 钟健, 王献溥, 何利娟, 张亚利, 林峰, 吕兆林, 李笑吟, 张春雨, 李秀芬, 许月卿, 赖巧玲, 何恒斌, 姜春宁, 于格, 王华, 贾彩凤, 李长洪, 赵广亮, 杨永福, 王勇, 曹金珍, 郭小平, 张力平, 邵晓梅, 郑彩霞, D.PascalKamdem, 王继兴, 李鸿琦, 赵秀海, 毕华兴, 黄忠良, 于顺利, 习宝田, 曾德慧, 孙长霞, 鲁春霞, 李悦, 尚晓倩, 赵博光, 杨明嘉, 王骏, 朱教君, 郭惠红, 杨培岭, 贾桂霞, 胥辉, 朱清科, 郝玉光, 王希群, 杨为民, 尚宇, 李黎, 张榕, 刘燕, 郑景明, 张志2, 甘敬, 姜凤岐, 费孛, 朱金兆, 丁琼, 崔小鹏, 包仁艳, 丁琼, 王秀珍, 谢高地, 陈宏伟, 任树梅, 欧阳学军, 周金池, 王庆礼, 沈应柏, 张池, , 刘足根, 蔡宝军, 贾桂霞, 刘鑫, 张中南, 何晓青, 范志平, 贾昆锋, , 沈应柏, 刘艳, 毛志宏, 纳磊, 唐小明, 张方秋, 陈伏生, 鹿振友, 李林, 李凤兰, 周金池, , 周小勇, 申世杰, 赵琼, 马玲, .  南亚热带森林土壤种子库与地上植被的组成特征及其关系 . 北京林业大学学报, 2006, 28(4): 22-27.
    [20] 谭炳香, 段爱国, 匡文慧, 吴斌, 张灿, 徐文铎, 李雪峰, 刘常富, 温俊宝, 刘金福, 李贤军, 郑凌凌, 王云琦, 李吉跃, 邹大林, 李雪萍, 齐春辉, 冯夏莲, 
    ZHAOGuang-jie, 赵燕东, 鲁绍伟, 程占红, 常德龙, 张求慧, 王玉涛, 吴庆利, 白陈祥, 韩烈保, 李吉跃, 赵广杰, LUOWen-sheng, 吴斌, 张路平, 余新晓, 何承忠, 朱天辉, 何兴元, 张树文, 温俊宝, 王玉杰, 宋湛谦, 韩士杰, 何正权, 何友均, 洪伟, 翟洪波, 李增元, 张建国, 李俊清, 陈尔学, 梁小红, ]魏晓霞, 骆有庆, 黄文豪, 陈发菊, 何静, ]陈玮, 张养贞, 张志毅, 林秦文, 郭忠玲, 匡秋明, FurunoTakeshi, 刘凤芹, 骆有庆, 姜伟, 童书振, 李颖, 张军, 曾会明, 胡伟华, 梁宏伟, 许志春, 郑兴波, 许志春, 张振明, RENQian, 张璧光, 庞勇, 安新民, 赵桂玲, 崔国发, 雷渊才, PaulWolfgang, 侯伟, 刘君, 李凤兰, 赵广亮, 杨凯, 宋国正, 郑杰, 李福海, 曹川健, 张全来, 李考学, 姚永刚, 张有慧, 董建生, 田桂芳, 李永波, 赫万成, 李长明, 张世玺.  缙云山典型林分森林土壤持水与入渗特性 . 北京林业大学学报, 2006, 28(3): 102-108.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-11
  • 修回日期:  2018-11-14
  • 网络出版日期:  2019-11-29
  • 刊出日期:  2020-01-14

不同质量浓度铵态氮浇灌下城市森林土壤淋滤液无机氮及土壤氮素变化

doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193
    基金项目:  国家科技支撑计划(2015BAD07B06-5)
    作者简介:

    段文靖。主要研究方向:水土保持。Email:duanwenjing92@163.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路51号东北林业大学林学院

    通讯作者: 陈立新,教授。主要研究方向:森林土壤,植物营养,林地养分管理。Email:lxchen88@163.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院土壤研究室

摘要: 目的探明不同质量浓度铵态氮浇灌下城市森林土壤淋滤液铵态氮与硝态氮及土壤氮素的变化。方法本文选择哈尔滨市城市林业示范基地内代表性的3种人工林(蒙古栎、黄檗、水曲柳)的土壤作为研究对象,以其邻近的裸地土壤作为对照,通过野外采集土柱和室内土柱模拟法,使用硫酸铵配制不同质量浓度铵态氮溶液(100、50、25、0 mg/L)进行室内模拟浇灌,对土柱淋滤液中铵态氮和硝态氮及处理后的土柱土壤氮素进行测定与分析。结果3个林型和对照原状土柱对铵态氮去除效果显著,去除率均达到95%以上;不同质量浓度铵态氮负荷下各林型土壤对其去除效果差异不显著;3个林型及对照原状土柱淋滤液硝态氮质量浓度较高,均为4.41 ~ 5.53 mg/L;进水铵态氮质量浓度为100 mg/L时,除对照外,3个林型土柱中铵态氮含量均增加;低于100 mg/L时,除蒙古栎人工林外,其他两个林型土柱土壤中铵态氮含量降低;各林型和对照的土柱土壤硝态氮含量显著增加,而全氮含量差异不显著;利用不同质量浓度铵态氮浇灌后,土柱淋滤液中铵态氮的变化受林型和进水铵态氮质量浓度及其两者的交互影响不显著,但对硝态氮的影响达到显著水平,以上3者对浇灌后土柱土壤中氮素的影响均达到显著水平。结论在3个林型及裸地原状土柱中,蒙古栎人工林土壤对铵态氮的去除效果及硝态氮淋失最显著,其次为黄檗人工林土壤、水曲柳人工林土壤和裸地土壤。

English Abstract

段文靖, 段文标, 陈立新, 沈海龙, 牟宇, 韩冬荟. 不同质量浓度铵态氮浇灌下城市森林土壤淋滤液无机氮及土壤氮素变化[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 84-93. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193
引用本文: 段文靖, 段文标, 陈立新, 沈海龙, 牟宇, 韩冬荟. 不同质量浓度铵态氮浇灌下城市森林土壤淋滤液无机氮及土壤氮素变化[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 84-93. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193
Duan Wenjing, Duan Wenbiao, Chen Lixin, Shen Hailong, Mu Yu, Han Donghui. Changes of inorganic nitrogen in the leachates of urban forest soil and its soil nitrogen under the irrigation of different mass concentrations of ammonium nitrogen: taking Harbin City of northeastern China as an example[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 84-93. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193
Citation: Duan Wenjing, Duan Wenbiao, Chen Lixin, Shen Hailong, Mu Yu, Han Donghui. Changes of inorganic nitrogen in the leachates of urban forest soil and its soil nitrogen under the irrigation of different mass concentrations of ammonium nitrogen: taking Harbin City of northeastern China as an example[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 84-93. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180193
  • 城市化发展使社会进步,但过度的资源消耗和废物排放已经使城市生态环境不堪重负,特别是水污染已经给城市居民的生活和健康带来了极大威胁。水污染问题通常可分为点源污染和面源污染,当前60%左右的水污染问题,是由于面源污染造成的,因此消除面源污染是当前改善水环境的重要任务[1-2]。一般来说,生活污水和地表径流中含有大量的铵态氮,主要来源于含氮有机物通过微生物作用分解的产物,当含量较高时会引发水体富营养化,也可能会对土壤性质产生不良影响,所以氮素的去除是污水治理的重要环节[3-5]。国内外相关研究表明,城市绿地通过一定宽度的水—土壤(沉积物)—植物系统的物理、化学和生物功能,对地面径流携带的氮磷养分、颗粒物、农药等污染物具有较高的截留、吸收作用,是控制面源污染和改善城市河道生态环境的有效途径[6-8]。同时,也带来了潜在的威胁,在长期污灌区,土壤氮素超标,过量氮素流失是造成浅层地下水硝酸盐超标和湖水富营养化的主要原因[9-10]。因此开展城市森林土壤对污水中铵态氮的去除效果以及土壤中氮素的变化等问题的研究,对于节约水资源、治理污染土壤、选择城市绿化植物种类、降低地下水污染风险等均有重要意义。

    我国关于植被带对面源污染物的去除效果方面的研究较多,但多集中于草本植物。关于乔木植物方面的研究较少。有研究认为,人工林植被有效改善了土壤理化性质[11],而土壤理化性质是影响土壤净化效果的主要因素。因此,本文选取哈尔滨市城市林业示范基地内代表性的3种人工林(蒙古栎Quercus mongolia、黄檗Phellodendron amurense、水曲柳Fraxinus mandshurica人工林)的土壤为研究对象,以其邻近的裸地土壤作为对照,通过野外采集土柱和室内土柱模拟法,对土柱淋滤液中铵态氮和硝态氮及浇灌后土柱土壤中氮素进行测定与分析,主要探究模拟不同质量浓度铵态氮溶液浇灌下哈尔滨市城市森林土壤淋滤液铵态氮与硝态氮及土壤氮素的变化。为了便于控制试验条件,使用自行配制的不同质量浓度铵态氮溶液进行室内模拟浇灌,哈尔滨市内河中的铵态氮质量浓度在冬季较高,且最高值能够达到25 mg/L[12],因此本试验以25 mg/L为基础,设置100、50、25 mg/L 3个质量浓度,并以蒸馏水(0 mg/L)浇灌作为对照。

    • 哈尔滨城市林业示范基地(45°43′11″N,126°37′15″E)位于哈尔滨市中心城区,主要包括马家沟河畔的南岗区和香坊区部分地区,海拔145 ~ 175 m,属中温带大陆性季风气候,冬长夏短,年平均降水量569.1 mm。土层深厚肥沃,面积约44 hm2。原始植被为河谷草甸草原,土壤类型为黑土,1949年以前为耕地,在20世纪50年代栽植水曲柳、黄檗、蒙古栎、白桦(Betula platyphylla)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、黑皮油松(Pinus tabuliformis var. mukdensis)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongholica)、兴安落叶松(Larix gmelinii)等纯林和混交林种植[13]

    • 2016年5月在哈尔滨城市林业示范基地,选取3种人工林土壤,即蒙古栎人工林(QM)、黄檗人工林(PA)、水曲柳人工林(FM)及与其邻近的裸地土壤(对照,CK)作为研究对象。各林型试验样地基本特征及土壤基本理化性质见表1。在每种人工林类型中,选择远离森林边缘、道路和人为干扰的地方,设置4块30 m × 30 m的样地。在每个样地中,沿对角线设置3个采样点,在每个采样点用直径为9 cm、高度为25 cm的PVC管采集1个20 cm高的原状土柱。根据样地号及采样顺序依次编号,然后用无菌塑料布包好,小心带回实验室。此外,在每个土柱附近10 cm深度处,分别采集1个环刀样和500 g左右的土样,将其装入无菌密封塑料袋中带回实验室备用。

      表 1  哈尔滨市城市林业示范基地3种林型人工林基本特征和土壤理化性质

      Table 1.  Basic characteristics and soil physical and chemical properties of three forest types in the demonstration base of urban forest in Harbin City

      林型
      Forest type
      人工林基本特征 Basic characteristics of plantation土壤理化性质 Physical and chemical properties of soil
      面积/hm2
      Area/ha
      林龄/a
      Stand age/
      year
      平均树高
      Mean tree
      height/m
      平均胸径
      Mean
      DBH/m
      林分密度/
      (株·hm− 2
      Stand density/
      (tree·ha− 1)
      土壤密度
      Soil bulk density/
      (g·cm− 3)
      pH全氮含量
      Total nitrogen content/
      (g·kg− 1)
      铵态氮含量
      Ammonium nitrogen content/
      (mg·kg− 1)
      硝态氮含量
      Nitrate nitrogen content/
      (mg·kg− 1)
      FM5.55120.632.1 9601.03 ± 0.04a6.92 ± 0.29b8.72 ± 1.41ab2.36 ± 0.01d4.90 ± 0.02b
      PA0.85710.517.11 1751.05 ± 0.07a6.61 ± 0.10c13.03 ± 1.25a3.05 ± 0.04c1.55 ± 0.01c
      QM0.54814.419.11 4711.13 ± 0.01a5.19 ± 0.19d4.94 ± 0.88b3.99 ± 0.03a0.47 ± 0.02d
      CK1.20 ± 0.11a7.14 ± 0.13a8.88 ± 0.64ab3.35 ± 0.01b10.74 ± 0.31a
      注:FM. 水曲柳人工林;PA. 黄檗人工林;QM. 蒙古栎人工林;CK. 无植被生长的裸地(对照)。同列不同小写字母表示林型间差异显著(P < 0.05)。Notes: FM, Fraxinus mandshurica plantation; PA, Phellodendron amurense plantation; QM, Quercus mongolia plantation; CK, bare ground without vegetative growth (control). Different lowercase letters in the same column mean significant difference at P < 0.05 level among forest types.
    • 把装有原状土柱的PVC管的底部放置一层粗滤纸和两层80目尼龙网,牢固地固定在自行设计和制作的木质支架(图1)的上层,在支架下层放置一个与PVC管直径相同的漏斗,漏斗下用500 mL广口瓶承接土柱过滤的淋滤液。

      图  1  自制木质支架示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of self-made wooden bracket

      用蒸馏水溶解硫酸铵制备试验用水。试验设置了4个处理,进水铵态氮质量浓度分别为100 mg/L(C3)、50 mg/L(C2)、25 mg/L(C1)、0 mg/L(蒸馏水,C0),每个处理3个重复。浇水1 d,阴干10 d,11 d为一个试验周期,共5个周期,试验共进行55 d。试验采用间歇式进水,以上进下出的方式,每天上午9点开始进水,每根原状土柱中分别加入50 mL污水,在浸出过程中不断加水,保持3 cm水头,共浇水500 mL。每24 h取一次出水样品,待土柱不再有溶液滤出时记录出水量,出水样品放在4 ℃冰箱内保存,并尽快测定其铵态氮和硝态氮含量,待浇灌结束后取出土柱中的土捣碎并过2 mm土壤筛,测其铵态氮、硝态氮、全氮含量。

    • 使用连续流动分析仪(Auto Analyzer 3,Bran+Luebbe公司,德国)测定淋滤液和淋滤后土柱土壤中的铵态氮、硝态氮和全氮[14-15]

      土柱淋滤液中铵态氮及硝态氮质量的计算公式为:M = CV。其中:M为质量;C为淋滤液中铵态氮或硝态氮的质量浓度;V为淋滤液的体积。利用Excel 2013软件对数据进行统计分析,用SPSS 22.0进行方差分析(在0.05水平上差异显著,在0.01水平上差异极显著),不同处理之间的多重比较采用LSD法,制图数据均“平均值 ± 标准差”(Mean ± SD)的形式表示。利用OriginPro 2016作图。

    • 图2可以看出,3个林型及对照原状土柱对铵态氮的去除效果显著,淋滤液中铵态氮质量浓度均在0.088 ~ 0.340 mg/L范围内。不同林型及对照土柱淋滤液中铵态氮质量浓度随不同铵态氮质量浓度进水处理的变化趋势不一致:QM中铵态氮质量浓度在C0、C1、C2一直维持在平稳状态,C3处理中降低但差异并不显著(P > 0.05);FML为C0到C1铵态氮质量浓度降低,C1到C2升高,C2到C3降低,但差异均不显著(P > 0.05);CK的变化趋势与FML相反,各处理间的差异也未达到显著水平(P > 0.05);PAL为C0到C2随进水铵态氮质量浓度升高,淋滤液中铵态氮质量浓度也显著升高(P < 0.05),随后淋滤液中铵态氮质量浓度显著降低(P < 0.05)。

      图  2  不同铵态氮质量浓度溶液淋滤下土柱淋滤液中铵态氮质量浓度的变化

      Figure 2.  Changes in the mass concentration of ammonium nitrogen in the leaching solution of soil column leaching under different ammonium nitrogen mass concentrations

      C0及C1处理中不同林型土柱淋滤液中铵态氮质量浓度差异不显著。C2处理中各林型土柱淋滤液中铵态氮质量浓度大小排序为PAL > QML > FML > CK,且PAL中铵态氮质量浓度显著高于CK。C3处理中各林型土柱淋滤液中铵态氮质量浓度大小排序为CK > PAL > QML > FML,且CK中铵态氮质量浓度显著高于其他3个林型。除C2处理外,CK土柱淋滤液中铵态氮质量浓度均最高,不同林型及对照土柱淋滤液中铵态氮质量浓度随进水铵态氮质量浓度的变化未表现出一定的规律,且不同处理间的差异不显著。

    • 图3可以看出,3个林型及对照土柱淋滤液中铵态氮质量随时间的变化未表现出一定的规律。整个试验期间,C0、C1、C2、C3加入每个土柱中的铵态氮质量分别为:0、62.5、125和250 mg,C0中3个林型及对照土柱淋滤液中铵态氮质量最大值为0.330 mg,最小值为0.126 mg,C1、C2及C3中3个林型及对照土柱淋滤液中铵态氮质量最大值为0.674 mg,最小值为0.168 mg。同一林型土柱淋滤液中铵态氮质量随不同铵态氮质量浓度进水处理的变化不一致:QML为C1 > C0 > C2 > C3,除C1和C0差异不显著外,其余各处理间差异显著(P < 0.05);FML和PAL皆为C2 > C1 > C3 > C0,CK为C3 > C1 > C0 > C2,且各处理间差异显著(P < 0.05)。除C2外,其他3个处理各林型及对照土柱淋滤液中铵态氮质量大小顺序一致,皆为CK > QML > PAL > FML,C2为PAL > QML > FML > CK。

      图  3  不同铵态氮质量浓度溶液淋滤下土柱淋滤液中铵态氮质量的变化

      Figure 3.  Changes in the mass of ammonium nitrogen in the leaching solution of soil column under different ammonium nitrogen mass concentrations

    • 图4可以看出,试验期间虽然没有加入硝态氮,但3个林型及对照原状土柱淋滤液中硝态氮质量浓度较高。FML中硝态氮质量浓度随加入的铵态氮质量浓度的增加呈增加趋势,且加入硫酸铵溶液后,增加趋势变缓。QML、PAL和CK中硝态氮质量浓度变化不显著(P > 0.05),均在4.41 ~ 5.53 mg/L范围内。同一处理不同林型土柱淋滤液硝态氮质量浓度间的差异也不显著。

      图  4  不同铵态氮质量浓度溶液淋滤下土柱淋滤液中硝态氮质量浓度的变化

      Figure 4.  Changes of nitrate nitrogen mass concentration in leaching solution of soil column with different ammonium nitrogen mass concentrations in solution

    • 图5可见,FML在C0处理中淋出的硝态氮总量较低,为1.93 mg,与其他处理中淋出的硝态氮差异较大,可能是因为FM土壤对硝态氮的吸附作用较强,土壤本身含有的硝态氮不易淋失。其他两个林型及对照原状土柱淋滤液中硝态氮量均在8.71 ~ 10.87 mg范围内,并且5次淋滤期淋出的硝态氮量差异不显著。不同林型土柱淋出硝态氮质量随处理的变化差异显著但大小顺序并不一致,同一处理不同林型间的差异显著但大小顺序也不一致。

      图  5  不同铵态氮质量浓度溶液淋滤下土柱淋滤液中硝态氮质量的变化

      Figure 5.  Changes of nitrate nitrogen in leaching solution of soil column under different ammonium nitrogen mass concentrations

    • 图6可知,进水前各林型土柱中铵态氮含量波动不大,均在1.95 ~ 5.69 mg/L范围内。利用铵态氮质量浓度为0、25、50及100 mg/L的溶液浇灌后,QM土壤中铵态氮含量分别降低了16.70%、36.37%、− 94.87%和− 383.63%;FM土壤中铵态氮含量分别降低了49.53%、78.44%、63.11%和− 608.62%;PA土壤中铵态氮含量分别降低了77.77%、90.59%、7.54%和− 445.29%;CK土壤中铵态氮含量分别降低了66.32%、88.16%、71.78%和0.10%。进水铵态氮质量浓度为0和25 mg/L时,各林型土柱土壤中铵态氮含量降低,进水铵态氮质量浓度为50 mg/L时,各林型土柱土壤中铵态氮含量虽降低但降低率减小,进水铵态氮质量浓度为100 mg/L时,除CK外,其他3个林型土柱中铵态氮含量均增加。总体上,QM土壤中铵态氮不易淋失,对铵态氮吸附作用较强,CK土壤铵态氮淋失量较大并且对铵态氮吸附作用较差。

      图  6  进水前后各林型土柱土壤中铵态氮含量的变化

      Figure 6.  Changes in the content of ammonium nitrogen in soil columns of each forest type before and after leaching

    • 图7可知,进水后C3、C2和C1处理中各林型土柱土壤中硝态氮含量显著升高(除CK外)。进水前各处理中不同林型土柱土壤中硝态氮含量大小排序均为CK > FM > PA > QM,且均在0.18 ~ 20.13 mg/L范围内。进水后,用不同质量浓度硫酸铵溶液淋滤的土柱土壤中硝态氮含量在11.73 ~ 30.09 mg/L,用蒸馏水淋滤的土柱土壤的硝态氮含量在2.23 ~ 5.30 mg/L范围内。利用铵态氮质量浓度为0、25、50及100 mg/L的溶液浇灌后,QM土壤中硝态氮含量分别增加了1 116.39%、2 175.68%、3 978.99%和2 747.20%;FM土壤中硝态氮含量分别增加了− 33.76%、184.85%、1 214.79%和913.34%;PA土壤中硝态氮含量分别增加了259.62%、1 040.01%、2 527.39%和4 571.55%;CK土壤中硝态氮含量分别增加了− 58.89%、− 21.96%、85.43%和319.60%。QM和PA土壤中硝态氮增加率最大,其次为FM,CK土壤中硝态氮增加率较低。

      图  7  进水前后各林型土柱土壤中硝态氮含量的变化

      Figure 7.  Changes in nitrate nitrogen content in soil column of various forest types before and after leaching

    • 图8可知,进水前和进水后各林型土柱土壤中全氮含量差异不显著,变化趋势也不一致,进水前土壤中全氮含量在3.20 ~ 20.11 g/kg范围内,进水后全氮含量最小值为4.27 g/kg,最大值为26.39 g/kg。C3中进水后各林型土柱全氮含量均升高;C2中FM、PA及CK中全氮含量降低,QM中铵态氮含量升高;C1中QM、FM全氮含量降低,PA和CK升高;C0中QM和PA中全氮含量升高,FM和CK降低。

      图  8  进水前后各林型土柱土壤中全氮含量的变化

      Figure 8.  Changes of total nitrogen content in soil column of each forest type before and after leaching

    • 表2可以看出,进水铵态氮质量浓度为100 mg/L时,QM、FM、PA 3个林型土壤中铵态氮、硝态氮、全氮含量均增加,淋滤液中的铵态氮显著降低,但硝态氮增加,说明土壤胶体的吸附能力及土壤中的硝化作用较强。CK土壤中铵态氮含量降低,硝态氮、全氮含量增加,淋滤液中铵态氮量较低,硝态氮量较高,可能是因为CK土壤中硝化作用显著,但土壤胶体的吸附能力不如其他3个林型。进水铵态氮质量浓度为50 mg/L时,QM土壤中铵态氮、硝态氮、全氮含量均增加,淋滤液中铵态氮量较低,硝态氮量较高,而FM、PA和CK土壤中铵态氮和全氮含量降低,硝态氮含量增加,说明各林型土柱土壤硝化作用显著,但随着污水质量浓度降低,只有QM保持着较好的吸附能力。进水铵态氮质量浓度为25 mg/L时,3个林型及对照土壤中铵态氮和全氮含量降低,QM、FM和PA土壤中硝态氮含量升高,CK土壤中硝态氮含量则降低,说明在污水中铵态氮质量浓度为25 mg/L时,土壤中吸附的氮素已经低于淋滤出的氮,土柱仍然保持着较高的硝化作用,所以淋滤液中铵态氮量显著降低,硝态氮量增加。在进水铵态氮质量浓度为0 mg/L时,虽然没有加入含铵态氮的污水,淋滤液中硝态氮量仍然保持在很高的水平,说明即使在没有污水浇灌的情况下,由于土壤活跃的硝化作用,土壤淋滤液中的硝态氮也有可能造成地下水污染。

      表 2  进水前和进水后土柱土壤及淋滤液中氮素含量变化

      Table 2.  Changes of nitrogen content in soil and soil column leaching solution before and after leaching

      进水铵态氮
      质量浓度
      Mass concentration
      of influent ammonium nitrogen/(mg·L− 1)
      林型
      Forest
      type
      浇水前后土壤中铵
      态氮含量差异
      (浇水后−浇水前)
      Difference of ammonium nitrogen content in soil before and after watering (after watering-before watering)/(mg·kg− 1)
      浇水前后土壤中硝态氮含量差异(浇水后−浇水前)
      Difference of nitrate nitrogen content in soil before and after watering (after watering-before watering)/(mg·kg− 1)
      浇水前后土壤中全氮含量差异(浇水后−浇水前)
      Difference of total nitrogen content in soil before and after watering (after watering-before watering)/(g·kg− 1)
      淋出的
      铵态氮量
      Leaching
      amount of ammonium nitrogen/mg
      淋出的
      硝态氮量
      Leaching
      amount of
      nitrate nitrogen/mg
      100QM18.4413.132.100.1810.08
      FM12.7123.813.390.1710.87
      PA12.1428.752.040.2110.75
      CK− 0.003 3422.563.910.4810.38
      50QM4.8515.393.850.3010.18
      FM− 1.2427.80− 2.340.2810.24
      PA− 0.2321.85− 3.920.679.92
      CK− 1.807.46− 2.020.179.04
      25QM− 1.3111.79− 3.220.328.72
      FM− 1.537.61− 1.790.209.19
      PA− 2.7916.092.800.3110.02
      CK− 5.02− 4.407.350.378.94
      0QM− 0.352.053.670.3110.20
      FM− 1.10− 2.14− 2.490.131.94
      PA− 2.323.6413.610.1810.34
      CK− 1.94− 7.60− 1.910.3310.56
    • 表3可知,利用不同质量浓度铵态氮溶液对不同林型原状土柱进行模拟浇灌后,各林型土柱淋滤液和土柱土壤中物理化学性质受不同进水铵态氮质量浓度和林型单因素及其双因素的交互影响,但影响程度各不相同,土柱淋滤液中铵态氮的变化受林型和进水铵态氮质量浓度及其两者的交互影响未达到显著水平。硝态氮的变化主要受林型和进水铵态氮质量浓度双因素的交互作用影响,其次为林型和进水铵态氮质量浓度,以上3者对土柱淋滤液中硝态氮质量浓度的影响均达到显著水平。

      表 3  土柱淋滤液中及土柱土壤中各指标变异来源分析

      Table 3.  Analysis of variation sources of indicators in soil column leachate and the soil in soil column

      参数
      Parameter
      变异来源
      Source of variation
      离差平方和
      Sum of squares of
      deviations (SS)
      df均方
      Mean square (MS)
      FP
      淋滤液中铵态氮
      Ammonium nitrogen in the filtrate
      进水铵态氮质量浓度
      Mass concentration of influent ammonium nitrogen
      0.052 3 0.017 1.108 0.352
      林型
      Forest type
      0.032 3 0.011 0.674 0.571
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
      0.207 7 0.030 1.886 0.086
      误差
      Error
      1.037 66 0.016
      淋滤液中硝态氮
      Nitrate nitrogen in the filtrate
      进水铵态氮质量浓度
      Mass concentration of influent ammonium nitrogen
      10.333 3 3.444 4.239 0.008
      林型
      Forest type
      15.539 3 5.180 6.375 0.001
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
      35.641 7 5.092 6.267 < 0.01
      误差
      Error
      53.622 66 0.812
      土壤中铵态氮
      Ammonium nitrogen in soil
      进水铵态氮质量浓度
      Mass concentration of influent ammonium nitrogen
      1 391.262 3 463.754 640 768.202 < 0.01
      林型
      Forest type
      382.845 3 127.615 176 325.534 < 0.01
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
      399.528 9 44.392 61 336.302 < 0.01
      误差
      Error
      0.023 32 0.001
      土壤中硝态氮
      Nitrate nitrogen
      in soil
      进水铵态氮质量浓度
      Mass concentration of influent ammonium nitrogen
      2 948.446 3 982.815 9 828 153.351 < 0.01
      林型
      Forest type
      447.239 3 149.080 1 490 797.702 < 0.01
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
      564.270 9 62.697 626 966.941 < 0.01
      误差
      Error
      0.003 32 0.000
      土壤中全氮
      Total nitrogen
      in soil
      进水铵态氮质量浓度
      Mass concentration of influent ammonium nitrogen
      330.511 3 110.170 1 101 703.043 < 0.01
      林型
      Forest type
      724.195 3 241.398 2 413 984.597 < 0.01
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest type × mass concentration of influent ammonium nitrogen
      865.819 9 96.202 962 021.395 < 0.01
      误差
      Error
      0.003 32 0.000

      浇灌后土柱土壤中氮素受进水铵态氮质量浓度、林型及这两者的交互影响均达到显著水平。硝态氮和铵态氮的变化主要受进水铵态氮质量浓度的影响,其离差平方和最大,分别为1 391.262和2 948.446,其次为林型和这两个处理的交互影响。土柱土壤中全氮的变化主要受林型和进水铵态氮质量浓度双因素的交互影响,其次为林型、进水铵态氮质量浓度对土柱土壤中全氮的影响最小,但以上3者对其影响均达到显著水平。

    • 本文采用硫酸铵配置铵态氮质量浓度为100、50、25、0 mg/L(蒸馏水)的溶液对不同林型及对照原状土柱进行模拟浇灌,研究结果表明蒙古栎人工林、黄檗人工林、水曲柳人工林和对照原状土柱对铵态氮去除效果显著,4种质量浓度负荷下淋滤液中铵态氮质量浓度均在0.088 ~ 0.340 mg/L范围内,并且在不同质量浓度负荷下对照土柱淋滤液中铵态氮质量浓度均最高(除C2处理外)。试验期间虽然没有加入硝态氮,但3个林型及对照原状土柱淋滤液中硝态氮质量浓度较高,均为4.41 ~ 5.53 mg/L。这一结果与郭振苗对污水中氮素在无植物生长土壤中的迁移与去除试验研究结果一致[16],在无植被生长的条件下,铵态氮由于土壤表层吸附和硝化作用,其去除效果良好,不易形成深层土壤污染和累积作用,硝态氮则会随着污水排放量的增加,向深层土壤运移和累积。硝化和反硝化作用是土壤淋滤去除铵态氮最主要的途径[4, 17]。影响硝化作用的因素很多,土壤质地、通气性、土壤微生物活动、有机质含量等均影响着硝化作用活性[18]。本文采用的是高度20 cm的土柱,在表层土壤中,由于空气中输送氧的能力较强,氧气充足,因此铵态氮很快被氧化,其中一部分被氧化为硝态氮或亚硝态氮,从而淋滤液硝态氮显著增加。Zhou等研究也表明在与黏壤土相比,通透性好的砂壤土中氮素更易发生淋溶损失[19]。在土壤淋滤系统中,基质对氮素的去除起着极其重要的作用,武轩韵等[16]将活性炭、沸石、无烟煤等基质与土壤进行不同比例混合,进行模拟土柱试验,结果表明,装有单一土壤装置对污水中铵态氮的去除效果最好,去除率可达90%以上。本文所设置的4个进水铵态氮质量浓度的溶液经土柱过滤后铵态氮质量浓度均显著降低,去除率均达到95%以上,但高质量浓度铵态氮污染对不同林型土壤去除效果影响较小,可能是因为虽然不同林型人工林土壤的理化性质有差异,但其差异毕竟较小,所以对污水中氮素的去除并没有表现出较大的差异。高质量浓度铵态氮污水浇灌后,各林型土柱硝态氮的淋溶性相对较好,有可能诱发灌区地下水污染。本文所选的3个林型及裸地土壤对铵态氮的去除表现出良好的稳定性,蒙古栎人工林土壤对铵态氮的去除效果及硝态氮淋失最显著,其次为黄檗人工林土壤和水曲柳人工林土壤,裸地土壤最差。

      污水中氮元素含量较高,可以增加土壤中的氮含量,提高土壤肥力,但如果土壤中氮素含量过高,会导致氮素随着土壤中的水分下渗,污染地下水[20]。本文通过对浇灌后土柱土壤中氮素的测定,得出在进水铵态氮质量浓度小于100 mg/L时,除蒙古栎人工林外,各林型土柱土壤中铵态氮含量降低,进水铵态氮质量浓度为100 mg/L时,除对照外,其他3个林型土柱中铵态氮含量均增加。这与祁丽荣和黄冠华的研究结果一致[21-22]。本文研究结果说明蒙古栎人工林土壤中铵态氮不易淋失,对铵态氮吸附作用较强,对照土壤铵态氮淋失量较大并且对铵态氮吸附作用较差。利用含铵态氮的溶液浇灌后,土壤中硝态氮含量显著增加,而蒙古栎人工林和黄檗人工林土壤中硝态氮增加率最大,其次为水曲柳人工林土壤,土柱土壤中全氮含量差异不显著。多因素方差分析表明,浇灌后土柱土壤中氮素受进水铵态氮质量浓度、林型及这两者的交互影响均达到显著水平,硝态氮和铵态氮的变化主要受进水铵态氮质量浓度的影响,其次为林型和这两个处理的交互影响。土柱土壤中全氮的变化主要受林型和进水铵态氮质量浓度双因素的交互影响,其次为林型,进水铵态氮质量浓度对土柱土壤中全氮的影响最小。通过以上讨论可知,利用含有高质量浓度铵态氮的污水灌溉虽可提高土壤中各类氮素的含量,但因氨挥发、硝化作用、反硝化作用的强烈进行,易造成氮素的损失,引起硝态氮对地下水的严重污染,多年累积亦会造成土壤污染。而污水中铵态氮含量低会使土壤中铵态氮和全氮降低,这样的灌溉方式也不利于可持续发展的模式,长此以往必然导致土壤板结、贫瘠。

    • 3个林型及对照原状土柱对铵态氮的去除效果显著,但不同质量浓度负荷下各林型土壤对铵态氮的去除效果差异不显著。试验期间虽然没有加入硝态氮,但3个林型及对照原状土柱淋溶液中硝态氮质量浓度较高。在高质量浓度负荷下,除对照外,3个林型土柱土壤中铵态氮含量均增加,铵态氮质量浓度较低时,除蒙古栎人工林外,其他两个林型土柱土壤中铵态氮含量降低;各林型和对照的土柱土壤硝态氮含量显著增加,而全氮含量变化不显著。

      土柱淋滤液中铵态氮的变化受林型和进水铵态氮质量浓度及其两者的交互影响未达到显著水平,而以上3者对土柱淋滤液中硝态氮的变化及浇灌后土柱土壤中氮素的影响显著。

      在3个林型及裸地原状土柱中,蒙古栎人工林土壤对铵态氮的去除效果及硝态氮淋失最显著,其次为黄檗人工林土壤和水曲柳人工林土壤,裸地土壤最差。

参考文献 (22)

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