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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

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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

    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 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,以上三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 stand

    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 concentration

    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 concentration

    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 concentration 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 concentration

    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 soil column 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 columns of various forest type soil columns 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.  The change of total nitrogen content in soil columns of each forest type soil column 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

    林型
    Forest type
    人工林基本特征 The basic characteristics of plantation土壤理化性质 Physical and chemical properties of soil
    面积/hm2
    Area/ha
    林龄/a
    Age /year
    平均树高
    Mean
    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
    Bulk density/
    (g.cm− 3)
    pH全氮含量
    Total nitrogen/
    (g.kg− 1)
    铵态氮含量
    Ammonium nitrogen/
    (mg.kg− 1)
    硝态氮含量
    Nitrate nitrogen/
    (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 (contrlo). Different lowercase letters in the same column meant significant difference at P < 0.05 level among forest type.
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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
    The mass concentration
    of influent ammonium nitrogen/(mg.L− 1)
    林型
    Forest
    types
    浇水前后土壤中铵
    态氮含量差异
    (浇水后−浇水前)
    The 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)
    The 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)
    The 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
    The amount of ammonium nitrogen drenched/mg
    淋出的
    硝态氮量
    The amount of nitrate nitrogen drenched/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(SS)
    Sum of squares of deviations
    df均方(MS)
    Mean square
    FP
    淋滤液中铵态氮
    Ammonium nitrogen in the filtrate
    进水铵态氮质量浓度
    The mass concentration of influent ammonium nitrogen
    0.052 3 0.017 1.108 0.352
    林型
    Forest types
    0.032 3 0.011 0.674 0.571
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest types × The 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
    The mass concentration of influent ammonium nitrogen
    10.333 3 3.444 4.239 0.008
    林型
    Forest types
    15.539 3 5.180 6.375 0.001
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest types × The 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
    The mass concentration of influent ammonium nitrogen
    1 391.262 3 463.754 640 768.202 < 0.01
    林型
    Forest types
    382.845 3 127.615 176 325.534 < 0.01
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest types × The 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
    The mass concentration of influent ammonium nitrogen
    2 948.446 3 982.815 9 828 153.351 < 0.01
    林型
    Forest types
    447.239 3 149.080 1 490 797.702 < 0.01
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest types × The 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
    The mass concentration of influent ammonium nitrogen
    330.511 3 110.170 1 101 703.043 < 0.01
    林型
    Forest types
    724.195 3 241.398 2 413 984.597 < 0.01
    林型 × 进水铵态氮质量浓度
    Forest types × The 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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    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,
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    [20] 刘文飞樊后保 , . 马尾松阔叶树混交林生态系统的氮素循环特征. 北京林业大学学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-11
  • 录用日期:  2018-11-14
  • 网络出版日期:  2019-11-29

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

    通讯作者: 陈立新, lxchen88@163.com
    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
  • 1. 东北林业大学林学院,黑龙江 哈尔滨 150040
  • 2. 内蒙古自治区第二林业监测规划院,内蒙古 乌兰浩特 137400

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,以上三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

  • 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

      林型
      Forest type
      人工林基本特征 The basic characteristics of plantation土壤理化性质 Physical and chemical properties of soil
      面积/hm2
      Area/ha
      林龄/a
      Age /year
      平均树高
      Mean
      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
      Bulk density/
      (g.cm− 3)
      pH全氮含量
      Total nitrogen/
      (g.kg− 1)
      铵态氮含量
      Ammonium nitrogen/
      (mg.kg− 1)
      硝态氮含量
      Nitrate nitrogen/
      (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 (contrlo). Different lowercase letters in the same column meant significant difference at P < 0.05 level among forest type.
    • 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广口瓶承接收土柱过滤的淋滤液。

      图  1  自制木质支架示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of self-made wooden stand

      用蒸馏水溶解硫酸铵制备试验用水。试验设置了进水铵态氮质量浓度分别为100、50、25、0 mg/L(蒸馏水)4个处理,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 = C × V。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,三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 concentration

      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 concentration

    • 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 concentration 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,并且五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 concentration

    • 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 soil column 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均显著升高,C0处理各林型土柱土壤中硝态氮含量降低。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 columns of various forest type soil columns 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.  The change of total nitrogen content in soil columns of each forest type soil column 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三个林型。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,三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
      The mass concentration
      of influent ammonium nitrogen/(mg.L− 1)
      林型
      Forest
      types
      浇水前后土壤中铵
      态氮含量差异
      (浇水后−浇水前)
      The 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)
      The 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)
      The 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
      The amount of ammonium nitrogen drenched/mg
      淋出的
      硝态氮量
      The amount of nitrate nitrogen drenched/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,以上三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(SS)
      Sum of squares of deviations
      df均方(MS)
      Mean square
      FP
      淋滤液中铵态氮
      Ammonium nitrogen in the filtrate
      进水铵态氮质量浓度
      The mass concentration of influent ammonium nitrogen
      0.052 3 0.017 1.108 0.352
      林型
      Forest types
      0.032 3 0.011 0.674 0.571
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest types × The 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
      The mass concentration of influent ammonium nitrogen
      10.333 3 3.444 4.239 0.008
      林型
      Forest types
      15.539 3 5.180 6.375 0.001
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest types × The 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
      The mass concentration of influent ammonium nitrogen
      1 391.262 3 463.754 640 768.202 < 0.01
      林型
      Forest types
      382.845 3 127.615 176 325.534 < 0.01
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest types × The 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
      The mass concentration of influent ammonium nitrogen
      2 948.446 3 982.815 9 828 153.351 < 0.01
      林型
      Forest types
      447.239 3 149.080 1 490 797.702 < 0.01
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest types × The 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
      The mass concentration of influent ammonium nitrogen
      330.511 3 110.170 1 101 703.043 < 0.01
      林型
      Forest types
      724.195 3 241.398 2 413 984.597 < 0.01
      林型 × 进水铵态氮质量浓度
      Forest types × The 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,但以上三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,而以上三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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