氨氮等污染物在不同土壤翻耕处理下的去除效果及机理解析.pdf

第 1 期2024 年 2 月现代盐化工Modern Salt and Chemical IndustryNo.1Feb.,2024氨氮等污染物在不同土壤翻耕处理下的去除效果及机理解析孔倩茜1,孙浩然2(1.山东省烟台生态环境监测中心,山东烟台 264000;2.淄博文昌湖省级旅游度假区公共资源交易中心,山东淄博 255000)作者简介:孔倩茜,女,山东淄博人,工程师,硕士研究生,研究方向:环境监测。摘要:随着农业生产的不断发展和城市化进程的加速推进,土壤污染已成为制约农业可持续发展和人类健康的重要因素之一。氨氮作为农业生产中广泛使用的肥料,其过度施用和排放不当往往导致土壤中氨氮质量分数升高,从而引发土壤污染问题。目前,关于不同土壤翻耕处理对氨氮等污染物去除效果及机理的研究尚相对不足,为了更好地理解和解决土壤污染问题,通过系统的实验和分析,探讨不同土壤翻耕处理对氨氮等污染物的去除效果及机理。关键词:氨氮;土壤翻耕;污染物去除;机理解析 随着农业生产和城市化的迅速发展,土壤污染已成为全球面临的严峻环境问题之一。氨氮等污染物的积累和扩散不仅对土壤质量造成威胁,同时也对生态系统和人类健康产生潜在风险1。土壤翻耕作为一种常见的农田管理措施,被广泛用于提高土壤通透性、改良土壤结构等。然而,对于氨氮等污染物的去除效果却存在诸多不确定性。因此,有必要通过系统的实地研究,深入探讨不同土壤翻耕处理方式对氨氮的去除效果,为科学制定农田管理策略提供依据。1 材料与方法1.1 试验区域研究区位于中国南部的农业生产示范区,地理坐标为北纬3515,东经11250,总面积约为500 km2。该区域属于温带季风气候,年均降水量约 800 mm。该地区主要以红壤为主,占总土地面积的70%以上。此外,还有少量黄壤和黑土。土壤质地以壤土为主,富含有机质和矿物质,是典型的农业生产区。研究区是农业活动频繁的区域,主要种植水稻、小麦、玉米等农作物,养殖业也占有一定比重。大面积的耕地和农田土壤广泛使用化肥和农药,土壤污染问题逐渐凸显。特别是氨氮等农业排放物质的过度使用,导致土壤中氨氮质量分数升高,对农田生态系统和水源安全构成一定威胁。1.2 样地布置选择研究区内具有代表性的农田区域,包括不同土壤类型和不同的农业管理方式。不同翻耕处理的样地包括:(1)对照组。未进行任何翻耕处理的土地。(2)A 常规犁耕组。进行传统犁耕处理的土地。(3)B 深翻耕组。进行深度翻耕处理的土地。(4)C免耕组。保持未翻耕状态的土地。设置足够数量的样地,确保样本的代表性。每个样地的面积可根据实际情况确定,通常在 50 m2以上。样地之间要有足够的距离,以避免相互干扰。采取随机布点或均匀布点的方式确定样地位置。1.3 实验设计本实验选择了代表性的农田土壤作为研究对象,设置了不同的翻耕处理组和对照组。翻耕处理包括常规犁耕、深翻耕和免耕 3 种方式,对照组为未进行任何翻耕处理的土壤。在翻耕处理前,从每个组的相同位置采集表层土壤样品。在每个样地内,按照以下步骤采集土样,用铁锹或土壤钻头挖取表层土壤,深度约为020 cm,将采集的土壤样品放入干净的塑料袋中,并标明样地编号和采样深度,每个样地至少采集 3 个重复样品,以获得更准确的数据,选择翻耕后 1 个月、3个月和 6 个月作为时间节点进行采样,研究氨氮等污染物去除效果的动态变化。1.4 数据处理使用标准方法测定土壤中氨氮的质量分数,对各个组的土壤选择电极法测量土壤中的氨氮质量分数,包括存在的其他污染物,如硝酸盐、磷酸盐等,也进行相应的测定,选择离子色谱法进行分析。进一步使用扫描电子显微镜(SEM)观察土壤微观结构的变化。对采集的土壤样品进行适当的处理,通过冷冻干燥以保持土壤颗粒形态的原貌,在此基础上利用 SEM 图像,分析土壤微观结构的变化,特别是孔隙度和颗粒形态的差异。最后需要利用傅里叶变换红1第 1 期2024 年 2 月现代盐化工专论与综述No.1Feb.,2024外光谱(FTIR)分析土壤的化学组成变化。对土壤样品进行样品制备,获取红外光谱图谱,通过 FTIR 谱图,分析土壤中的有机质和矿物质成分的变化,以了解不同翻耕处理方式对土壤化学组成的影响,根据方差分析(ANOVA),比较各组之间的差异,确定翻耕处理对氨氮等污染物的去除效果。2 结果与分析2.1 结果调查各样地采集土壤样品中氨氮的质量分数如表1 所示。表 1 各样地采集土壤样品中氨氮的质量分数(mg/kg)分组翻耕处理方式1 个月2 个月3 个月对照组未翻耕25.522.220.1实验 A 组常规犁耕23.820.518.2实验 B 组深翻耕19.315.812.4实验 C 组免耕24.721.319.0(1)在对照组中,未翻耕的土壤氨氮质量分数从1 个月到 3 个月逐渐下降,显示了一定的去除效果。在实验 A 组(常规犁耕)中,氨氮质量分数也有所下降,但下降速度相对较慢。实验 B 组(深翻耕)显示出最显著的氨氮质量分数下降,表明深翻耕对于氨氮的去除效果明显。实验 C 组(免耕)的氨氮质量分数下降速度介于常规犁耕和深翻耕之间。(2)在整个实验周期内,所有处理组的氨氮质量分数都呈下降趋势,这与土壤中氨氮的自然转化和去除过程有关,不同翻耕处理方式对氨氮质量分数的影响在不同时间点上表现出差异,这表明时间因素在土壤治理效果中的重要性。(3)实验 B 组(深翻耕)在所有时间点上都显示出最低的氨氮质量分数,表明深翻耕在提高土壤通透性、增加气孔空间等方面有明显的优势,对照组中的未翻耕土壤也显示了一定的去除效果,这是由于受土壤中微生物活动、氧化还原过程等自然因素的影响。总体而言,对样地进行深翻耕在短时间内显示出较好的氨氮去除效果,而其他处理方式的效果相对较弱,表明深翻耕对于样地而言是一种有效的土壤治理方式。2.2 深翻耕处理下样地氨氮等污染物的去除效果最佳的机理 深翻耕处理作为一种有效的土壤治理手段,在样地氨氮等污染物的去除效果中表现出显著的优越性,其最佳去除效果的机理涵盖多个方面:(1)深翻耕能够显著改善土壤的物理结构,通过增加土壤孔隙度和改善土壤通气性,提高土壤对氨氮的吸附能力。这种改善有助于加速土壤中氨氮的迁移和转化过程,从而有效降低土壤氨氮质量分数。(2)深翻耕促进土壤微生物活性,增加土壤微生物群落的多样性和数量。土壤微生物在氨氮的氧化还原过程中发挥着关键作用,通过微生物的代谢活动,氨氮被转化为更为稳定和不易释放的形态,从而实现了对氨氮的高效去除。此外,深翻耕处理还导致土壤中有机质部分暴露于表层,促进土壤有机质的分解和氧化反应,同时进一步促使土壤中的氨氮被微生物迅速利用。综合来看,深翻耕处理在提高土壤通透性、增加土壤微生物活性以及促进土壤有机质分解等多方面作用下,达到了最佳的样地氨氮等污染物去除效果2。2.3 不同翻耕处理方式对氨氮质量分数的影响在不同时间点上表现出差异的机理 不同翻耕处理方式对氨氮质量分数的影响在不同时间点上的差异主要源于各处理方式对土壤微环境和土壤生物活性的影响,反映了复杂的动态过程。(1)在翻耕处理初期,深翻耕展现出其优越性,其机理主要包括对土壤通透性的改善和增加土壤气孔空间。深翻耕处理导致土壤结构疏松,提高了土壤孔隙度,有助于改善土壤通气性和渗透性,从而促使氨氮更为迅速地向下迁移,缩短其在土壤中的滞留时间,初步实现氨氮的去除。(2)在处理进入中期,各组的差异逐渐显现,深翻耕的优越性更为显著。深翻耕处理不仅改善了土壤的物理结构,还刺激了土壤微生物的活性。土壤微生物在氨氮的转化过程中发挥关键作用,深翻耕处理通过增加土壤微生物数量和多样性,提高土壤微生物对氨氮的代谢活性,促使氨氮更为迅速地被微生物吸附和降解。相较之下,常规犁耕和免耕处理在这一时期的效果相对较弱,其土壤通气性和微生物活性的提升不如深翻耕显著。(3)在实验的后期,深翻耕处理在氨氮去除效果上仍然占据主导地位。其机理不仅包括土壤物理结构和微生物活性的改善,还涉及土壤有机质的分解和氧化反应,深翻耕导致土壤有机质局部暴露于表层,促进有机质与氨氮的相互作用,从而进一步加速了氨氮的去除过程。3 建议3.1 合理选择翻耕时机(1)在选择翻耕时机时应充分考虑季节和气候因素。通常情况下,农田在农作物收获后的休耕期是进行翻耕的理想时机。这个时期土壤相对空闲,翻耕可2第 1 期2024 年 2 月现代盐化工Modern Salt and Chemical IndustryNo.1Feb.,2024以更好地避免对正在生长作物的不良影响。(2)需要关注土壤湿度状况。在土壤湿度适中的时候进行翻耕,有利于保持土壤的结构完整性,防止过度湿润或干燥对土壤造成不利影响。在一些地区,需要通过灌溉或排水来调整土壤湿度,确保适宜的翻耕条件。此外,还应考虑气温因素。适宜的气温能够激活土壤微生物活性,有助于土壤中的有机质分解,提高翻耕的效果。(3)翻耕时机的选择还需考虑农业生产系统中的具体情况。不同作物的生长周期和对土壤的要求各异,因此在考虑翻耕时机时需要结合具体作物的种植季节和生育习性,制定合理的翻耕计划。3.2 注意加强土壤有机质管理加强土壤有机质管理是维护土壤生态系统健康的至关重要环节,土壤有机质在土壤中具有重要的生物、物理和化学功能,不仅是土壤微生物的重要碳源和能量来源,而且可以改善土壤结构,提高土壤保水保肥能力,促进植物生长。因此,加强土壤有机质管理意味着更好地维护土壤的生态健康和生产力。(1)有机质的管理需要注意合理的施肥和植物残体还田。通过有机肥的施用,可以提供土壤所需的有机质和养分,促进土壤微生物的繁殖,改善土壤结构。同时,将植物残体还田,有助于覆盖土壤,减缓土壤侵蚀,促使残体中的有机物质逐渐分解,进一步丰富土壤有机质含量。(2)轮作制度则有助于避免单一作物对土壤养分的过度耗损,减少土壤压力,维护土壤有机质的平衡。此外,科学合理地利用农业废弃物,如秸秆、畜禽粪便等,也是有效提高土壤有机质的途径。3.3 合理运用深翻耕与植被覆盖深翻耕能够有效改善土壤的氨氮含量,通过改善土壤结构和增加土壤通气性,可以促进土壤中氨氮等污染物的去除。深翻耕有助于提高土壤孔隙度,增加土壤气孔空间,从而增强土壤对氨氮的吸附和迁移能力,降低氨氮在土壤中的滞留时间,减少土壤氨氮的积累。深翻耕对土壤微生物活性的刺激也对土壤生态系统有益。通过增加土壤微生物数量和多样性,深翻耕有助于加速氨氮的微生物降解过程,进一步促进氨氮的去除。然而,为了更好地平衡土壤结构的改善和生态系统的保护,合理运用植被覆盖是至关重要的。此外,植被覆盖能够减缓水分蒸发速率,降低土壤温度,防止土壤侵蚀和保护土壤结构,通过在耕地中保持适当的植被,不仅能够减轻深翻耕对土壤的负面影响,还能够维护土壤的生态平衡。与此同时,植被覆盖还有助于提高土壤的有机质含量,通过植物残体的还田,有机质的分解有助于土壤微生物的繁殖,进一步增强土壤的生态健康3。4 结语不同土壤翻耕处理方式在氨氮等污染物的去除效果上呈现显著差异。深翻耕表现出最佳的去除效果,其机理主要包括改善土壤通透性、增加土壤微生物活性以及促进土壤有机质分解。常规犁耕和免耕处理相对较弱,而未翻耕的对照组也呈现一定的去除效果,时间因素对去除效果产生影响,不同翻耕处理在不同时间点上展现出的差异显示了翻耕时机的重要性。因此,科学合理选择深翻耕作为土壤治理手段,结合适宜的翻耕时机和植被覆盖,可为提高土壤质量、促进农田可持续发展提供科学依据,进一步推动农业生产与环境保护的协同发展。参考文献:1 薛英文,吴铭轩,肖云龙,等.生物炭改良土壤对初期雨水径流污染物去除实验研究J.中国农村水利水电,2021(8):1 8.2 徐铁兵,刘思言,阎秀兰,等.某化肥厂污染场地土壤和地下水中氨氮分布特征及其非致癌风险评估J.环境污染与防治,2021,43(2):6 8.3 赵永红,张涛,成先雄.离子吸附型稀土矿区土壤与水环境氨氮污染及防治技术研究进展J.稀土,2020(1):9 11.3