坡度对入渗河岸带表土层氮素截留效果的影响

钱 进,王 超,王沛芳,侯 俊,高越超

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学环境学院,江苏 南京 210098)

河岸带对地表径流以及入渗表土层壤中流中的非点源污染物有显著的截留净化作用[1-5].可溶态非点源污染物的去除主要发生在河岸带表土层.渗透到河岸带表土层土壤中的氮磷,可通过植物吸收、微生物固定、反硝化作用以及土壤吸附等过程实现截留与转化[6].坡度作为影响河岸带对径流及壤中流中氮磷截留效果的重要变量备受关注.近年来,国内外众多学者通过野外试验研究了坡度与河岸带氮磷截留效果之间的相互关系,并取得了大量的研究成果[7-14].但这些研究野外试验较多而室内模拟较少,针对地表径流较多而壤中流较少,探索不同坡度条件下截留效果差异性的较多而寻求坡度与截留效果之间响应关系的较少.

为了减少野外试验不可预见因素的影响,笔者自制土槽装置,室内模拟河岸带“土壤-植物-微生物”系统,在分析水分非饱和入渗运移特性的基础上,剖析坡度对入渗河岸带表土层氮素截留效果的影响,寻求坡度与入渗河岸带表土层氮素截留效果之间的响应关系,为河岸带适宜宽度的确定以及河岸带综合治理、修复与设计提供理论依据.

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

图1 单个土槽及排水断面示意图(单位:m)Fig.1 Sketch of a soil tank and drainage section(units:m)

本文试验由4个土槽并联组成,每个土槽尺寸均为120cm×40 cm×30 cm(图1),且种植不同的植物.土槽由聚乙烯焊接而成,土槽前端的进水箱与主体土槽连成一体,后端边壁上开排水孔,侧端边壁上开取样孔.试验时人工配置污水在流量计和蠕动泵的控制下,通过进水箱漫流进入土槽中.根据试验需要,抬高土槽进水端,可形成试验要求的不同坡度.

1.2 试验材料

1.2.1 土壤

土槽中填置的土壤为人工扰动土,采自长江江心洲河滩的细砂和河海大学花房里用于花卉栽培的壤土.两者分别晒干筛分后,以1∶10的比例混合均匀,分层填入土槽,每填10 cm压实1次,使得土壤均匀分布.填土时特别注意边壁上土壤的压实程度,不留孔隙,避免污水从大孔隙直接流出.试验土壤为均质砂壤土,土粒相对密度为2.63,有机质含量较高.装填土壤颗粒组成为:粒径2～5mm的质量分数为4.18%,粒径1～2mm为2.20%,粒径0.5～1mm为 17.07%,粒径0.25～0.5mm 为14.25%,粒径0.1～0.25mm 为 29.21%,粒径0.075～0.1mm为7.06%,粒径0.005～0.075mm为23.22%,粒径小于0.005mm为2.81%.

1.2.2 植物的选择及生长情况

选择种植狗牙根、黑麦草、高羊茅3种河岸带常见植物进行对比试验.狗牙根播种量为15g/m2,黑麦草播种量为25g/m2,高羊茅播种量为35g/m2.试验时,三者长势良好,种植狗牙根的土槽植被覆盖度约75%,种植黑麦草和高羊茅的土槽植被覆盖度达到95%以上.试验时3种植物的根系平均长均约10 cm.

1.3 试验方法

试验正式开始前,向土槽中连续以小负荷进自来水渗流14 d,使土壤充分饱水,以改善土壤的孔隙结构,同时使得土槽中土壤各部分氮的本底浓度接近.然后停止进水7 d后开始试验.试验前土壤初始含水率约为10%.试验时室温22～27℃.

设置土槽坡度分别为1∶10,1∶5,1∶3,1∶2 进行试验.试验开始时,调节流量计,保持每个土槽进水流量为7.5L/h;在试验过程中,将每个取样点的活动夹打开,记录每个取样点水样首次流出水体的时间.当2号点开始流出水体时停止进水,试验11h时将每个土槽1号、2号取样点的活动夹打开放水2min,然后取水样化验.水样检测指标为氨氮(NH+4-N)、总氮(TN),分析方法参照《水和废水监测分析方法》[15].实测进水水质见表1.

表1 试验污水主要污染物质量浓度Tab le 1 Main pollutant concentrations of experimental water

2 试验结果与分析

2.1 不同坡度土壤水分运移特性

种植高羊茅的土槽在不同坡度条件下1号、2号取样点初始出流时间见图2.从图2可以看出,距土壤表面不同深度的1号、2号取样点,其初始出流时间均表现为坡度越小,出流时间越长.如1号点,坡度1∶10条件下初始出流时间约为坡度1∶2条件下的3倍.该现象表明,在入渗流量、植被等其他因素不变的情况下,坡度影响入渗水流在土槽中的停留时间,进而影响了各取样点的初始出流时间.

图2 高羊茅土槽不同坡度取样点初始出流时间Fig.2 Initial outflow time of sampling points in tall fescue soil tank under different slopes

2.2 不同坡度条件下氮素的截留效果

不同坡度条件下,NH+4-N,TN的截留效果如图3所示.

从图3可以看出,无植被裸地以及种植狗牙根、黑麦草、高羊茅的4个土槽-N,TN的截留率均随坡度的增大而降低.如种植黑麦草的土槽,在坡度1∶10条件下,1号取样点-N,TN的截留率分别高达72.12%,76.37%,而坡度1∶2条件下则分别为18.77%,19.79%.而且,-N,TN截留率的变化与坡度的变化不呈线性关系,表现为-N,TN截留率降低的幅度随坡度的变大而增加.

该试验结果与吴建强[12]在上海野外进行的试验结果一致,这种现象的产生主要是由不同坡度条件下入渗水流在土槽中停留时间的不同引起的.入渗水流在土槽中的停留时间影响污染物的截留效果,坡度越小,停留时间越长,截留效果越好.

图3 不同坡度对氮素的截留效果Fig.3 Nitrogen retention rates under different slopes

2.3 坡度对不同深度氮素截留效果的影响

从表2可以看出,坡度越小,氮素的截留效果越好,但不同土层深度的截留效果差别较大;坡度越大,氮素的截留效果较差,但不同土层深度的净化效果差别却较小.

该结果可以进一步说明坡度是影响入渗氮素在河岸带表土层中截留效果的重要因素;同时也表明,在表土层,坡度对氮素截留效果的影响远远大于土层深度对氮素截留的影响.

表2 不同土槽取样点氮素平均截留率Table 2 Average nitrogen retention rates of sampling points in different soil tanks

2.4 坡度与氮素截留率的响应关系

图4 坡度与氮素截留率的响应关系Fig.4 Response relationship between slope and nitrogen retention rate

1号取样点TN净化率(y)与坡度(x)的相关关系为

2号取样点TN净化率(y)与坡度(x)的相关关系为

3 结 论

a.坡度影响入渗水流在土壤表土层中的停留时间,坡度越小,入渗水流在表土层中的停留时间越长.

b.坡度越小,河岸带表土层对氮素的截留效果越好,但不同土层深度的截留效果差别较大;坡度越大,河岸带表土层对氮素的截留效果越差,但不同土层深度的净化效果差别不大.

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