滇池流域大棚不同种植年限土壤污染物含量及淋溶特征研究

滇池流域大棚不同种植年限土壤污染物含量及淋溶特征研究

高学宇

昆明市五华区环境保护监测站五华区昆明650031

摘要：通过滇池流域大棚不同种植年限和不同深度土壤污染物含量的统计分析以及污染物溶出模拟实验，研究大棚种植对土壤污染物含量的影响及污染物随地下水的溶出特征。结果表明土壤全氮含量与棚龄成正比与土层深度成反比，全磷含量变化不明显，土壤持水率与棚龄成反比与土层深度相关性不明显，有机质含量与棚龄和土层深度成反比。污染物易溶出区域为大棚种植5年和10年的0-30cm土层，其中总氮的最高溶出浓度和最高溶出率均出现在棚龄5年0-30cm土层，氨氮的最高溶出浓度和最高溶出率分别出现在棚龄5年的0-30cm土层和棚龄10年0-30cm土层，总磷的最高溶出浓度和最高溶出率均出现在棚龄10年的0-30cm土层，有机质的最高溶出浓度和最高溶出率分别出现在棚龄10年的0-30cm土层和棚龄10年的30-60cm土层。而总氮、氨氮、总磷、有机质4项指标相比较，其溶出率由大到小为：总氮>有机质>氨氮>总磷，单位体积溶出量由大到小为：有机质>总氮>氨氮>总磷。

关键词：滇池流域；面源污染；大棚种植；淋溶；溶出率；溶出量

1前言

滇池周围湖滨区农田耕地占很大比重，农业较为发达，农业区面源污染对滇池水环境治理及富营养化控制的影响也日趋突出。有研究表明施入农田的氮肥仅30%-50%被植物利用[1]，磷肥仅10%-25%[2-4]，大部分随农田排水进入附近湖泊等水体。

本研究对大棚种植年限为10年、5年和0年（露地），土层深度为0-30cm、30-60cm、60-90cm土壤总氮、总磷和有机物含量进行监测；采用人工制备土柱并模拟地下水的上升与下降过程，以不同种植年限和不同深度大棚土壤为装填材料，每种种植年限设置三个重复，监测水位上升与下降过程中土壤污染物的溶出浓度和水量，计算土壤中全氮、全磷以及有机质溶出量，根据土柱设计的相关数据，推算总氮、总磷和有机质的溶出率，从而为滇池面源污染的治理提供必要的数据基础。

2材料与方法

2.1研究区域概况

目前，滇池流域土壤全氮含量范围在0.4-4.18g/kg之间，平均值为1.79g/kg[5]；土壤全磷含量在0.124-2.935g/kg之间，平均为1.203g/kg[6]；土壤有机质含量分布在4.91-47.83g/kg之间，平均值为18.05g/kg[7]。根据第二次全国土壤普查资料中对全氮、全磷和有机质的分级标准，滇池流域范围内土壤全氮含量水平主要为一级和二级，整个滇池流域的土壤全氮的含量水平偏高；全磷含量也明显高于南方酸性土壤全磷含量的一般值（南方土壤全磷含量一般低于0.56g/kg）。

2.2实验方法

2.2.1样品采集和制备

（1）土样：采取土壤剖面0-30cm、30-60cm、60-90cm土壤，每层样品均匀混合，土样采集后装入帆布袋内，贴上标签带回实验室，除去植物的根茎叶等杂物，让其自然风干。样品自然风干后，首先采用静电除尘器去除植物较细小的根茎叶等影响测定的杂物，其次把土壤放入土壤制样器中进行人工制样，并全部过2mm筛，封装备用；根据需要取一定量已经过2mm筛土壤，放入土壤制样器中磨碎，并完全过0.25mm的筛，装自封袋密封备用。

（2）水样：当土柱内水位均上升至土柱表面时，自上而下用1L采样瓶分别采集各层渗滤出水，各层渗滤出水收集时间为12小时，记录收集水样体积，样品在4℃，pH<2下保存，次日测定。

2.2.2测量指标及方法

（1）土壤测定指标。全氮、全磷和有机质含量的测定分别采用LY/T1228-1999、GB7852-1987和GB9834-1988。其他指标如含水量、PH、土壤颗粒组成等则分别采用GB7833-1987、GB7859-1987、LYT1225-1999。

（2）水样测定指标。总氮、氨氮、总磷、COD的测定分别采用GB11894-89、HJ535-2009、GB11893-89和GB11914-89。

2.2.3土柱的设计

（1）土柱的尺寸没有硬性的规定，一般认为圆形土柱的长度大于其直径的2.5倍即可。本实验的土柱设计的数据：人工制作土柱，土壤分层装填，柱高1.45m，每节0.30m，分4节，通称直径0.20m，层与层之间用橡胶垫密封，用法兰螺纹连接。

（2）土柱实验中装土通常分为两种：非扰动的原状土柱和填装的土柱。原状土柱能够较好的代表研究对象的原土壤结构及理化性质，填装土柱是经过筛分的一种土壤，或是按一定比例混合的几种土壤。根据实验的要求和可操作性，论文的土柱选择填装土柱的方法，将过2mm筛的自然风干的土壤按层深的深浅先后进行分装。

（3）装填土柱

装填前，测量土壤容重γ，然后根据土柱的体积从而确定每节柱子大概需要的土的质量。根据不同的土柱的尺寸，每次装填的高度H须控制在5-10cm之间，而每次装填的重量为：

W=V*γ*k

式中：V——每次装入土体体积（cm3）；

γ——天然土体容重（g/cm3）；

k——转换系数；

在每次装入W（g）土壤后，利用压实器进行土壤压实，使其达到规定的土壤土柱高度H。如此试验土柱的干容重与天然情况下土壤干容重将相等或者接近，从而控制土柱筒内土壤的孔隙率与天然情况下的土壤孔隙率基本相符。

（4）进水水质

进水采用自来水，检测各项指标为：总氮浓度为0.808mg/L、氨氮浓度为0.283mg/L、总磷浓度为0.002mg/L、COD浓度为20.320mg/L。

2.2.4数据分析方法

本研究运用MicrosoftofficeExcel2007进行数据分析。

3实验结果

3.1大棚不同种植年限和不同深度土壤污染物溶出特征

养分的淋溶是一个严重的问题，不仅引起营养元素损失，降低肥料效益，而且造成地下水污染，给环境带来不良后果。因此，无论从农业角度，还是从环境观点，农田土壤养分淋溶已引起越来越多的关注[8]。

本研究分析了大棚不同种植年限和不同深度土壤总氮、氨氮、总磷和COD溶出特征（实验结果见表1，表2，表3），

4分析与讨论

4.1大棚种植对土壤污染物淋溶的影响

本研究以土壤单位质量污染物溶出比例（η）和纵向土壤单位体积溶出量（ω）定量研究大棚种植对土壤污染物淋溶的影响，导出以下公式：

η=V1*C1/（V2*γ*k*C2）（1）

ω=V1*C1/（πr2h）（2）

式中：η——溶出率（10-3）；

ω——单位体积溶出量（g/m3）；

V1——渗滤水量；

C1——水中污染物浓度（g/ml）；

V2——每层装入土体体积（cm3）；

γ——天然土体容重（g/cm3）；

k——转换系数；

C2——土壤污染物含量（g/Kg）；

r——土柱半径（cm）；

h——土层深度（cm）；

π——圆周率；

COD与DOC之间折算采用以下公式：

C/O2=0.375（3）

γ取1.45g/cm3，π取3.14，利用公式1、公式2和公式3求解大棚不同种植年限和深度污染物溶出率和溶出量（计算结果见图1，表4），

5结论

（1）总氮、氨氮和COD溶出浓度与土层深度成正比，总磷溶出浓度与土层深度相关性并不显著；0-30cm土层氨氮和COD溶出浓度与大棚种植年限成正比，而总氮和总磷与大棚种植年限无显著相关关系。其中大棚种植5年0-30cm土层总氮溶出浓度最高，为27.762mg/L；大棚种植5年0-30cm土层氨氮溶出浓度最高，为1.672mg/L；大棚种植10年0-30cm土层总磷溶出浓度最高，为1.161mg/L；大棚种植10年0-30cm土层COD溶出浓度最高，为85.173mg/L。

（2）氨氮和有机质溶出率随种植年限的增长而增大，总磷溶出率与种植年限相关关系不显著，总氮溶出率与种植年限呈先增加后略微降低趋势。溶出率：总氮>有机质>氨氮>总磷。总氮的最高溶出浓度和最高溶出率均出现在棚龄5年0-30cm土层，氨氮的最高溶出浓度和最高溶出率分别出现在棚龄5年0-30cm土层和棚龄10年0-30cm土层，总磷的最高溶出浓度和最高溶出率均出现在棚龄10年0-30cm土层，有机质的最高溶出浓度和最高溶出率分别出现在棚龄10年0-30cm土层和棚龄10年30-60cm土层，综合分析，棚龄5年和棚龄10年的0-30cm土层为污染物易溶出区域。

（3）总氮和有机质单位体积溶出量与种植年限呈先上升后下降趋势，而氨氮和总磷单位体积溶出量呈略微上升趋势。单位体积溶出量：有机质>总氮>氨氮>总磷。

参考文献：

[1]巨晓棠，张福锁.中国北方土壤硝态氮的累积及其对环境的影响[M]，生态环境2003，12（1）：24-28.

[2]张玉兰，王俊宇，马星竹等.提高磷肥有效性的活化技术研究进展[J]，土壤通报，2009，40（1）：194-202.

[3]鲁如坤，时正元，顾益初.土壤积累态磷研究Ⅱ.磷肥的表面积累利用率[J]，土壤，1995，27（6）：286-289.

[4]李国学，张福锁.固体废物堆肥化与有复混肥生产[M]，北京：化学工业出版社，2000，31（1）：47-55.

[5]王放.滇池流域不同类型土地土壤氨氮吸附特征及氮素流失特征研究：[D].云南：云南大学，2012.

[6]郑莲琴，和树庄.滇池流域不同土地利用方式土壤磷素解吸研究[J]，中国生态农业学报，2012（2）.

[7]王娅.滇池流域面源污染中溶解性有机碳的溶出特征及影响因素[D].云南：云南大学，2012.

[8]牛新湘，马兴旺.农田土壤养分淋溶的研究进展[J]。中国农学通报2011，27（3）：451-456.