溫春輝　徐春燕　劉祖文　張念

(1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院　江西贛州 341000；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院　江西贛州 341000)

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土壤修復(fù)

內(nèi)源性稀土元素對(duì)土壤中氮素分布特征的影響*

溫春輝1徐春燕2劉祖文1張念2

(1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院江西贛州 341000；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院江西贛州 341000)

摘要在離子型稀土開采過程中，由于部分防滲層滲漏、收集系統(tǒng)不完善等原因，有大量的氮化合物進(jìn)入礦區(qū)周邊土壤及地下水中，給當(dāng)?shù)鼐用裆瞽h(huán)境帶來了嚴(yán)重威脅。應(yīng)用土柱實(shí)驗(yàn)，研究內(nèi)源性稀土元素對(duì)礦區(qū)土壤氮化物吸附與解吸作用的影響。

關(guān)鍵詞離子型稀土氮化物淋溶遷移轉(zhuǎn)化

0引言

近年來國內(nèi)外學(xué)者就稀土元素對(duì)土壤氮形態(tài)轉(zhuǎn)化和有效性的影響開展了初步研究，并取得了一定的研究成果，但大部分研究都集中在添加外源性稀土元素方面，對(duì)贛南離子型稀土礦土壤中氮化物遷移轉(zhuǎn)化研究不夠完善。贛南含離子型稀土元素土壤是一種特質(zhì)土壤，該土壤含有諸如La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd等稀土元素，這些稀土元素主要以可交換態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)為主，其中有機(jī)結(jié)合態(tài)主要是松結(jié)有機(jī)態(tài)[1]。在土壤中具有很強(qiáng)的活性和生物有效性，并與進(jìn)入稀土土壤的氮化物發(fā)生一定的影響和交互作用，從而影響氮化物在含稀土元素土壤中的遷移規(guī)律及轉(zhuǎn)化機(jī)理[2]。為進(jìn)一步揭示這種內(nèi)源性稀土元素對(duì)礦區(qū)土壤氮化物吸附與解吸作用的影響，本文采用土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M降雨對(duì)氮化物的影響。

1材料與方法

1.1待試土壤的采集與處理

土壤選取龍南縣足洞東江試驗(yàn)礦基地未開采原礦土、周邊一般土，將采集的新鮮土風(fēng)干剔去雜質(zhì)后置于塑料袋中備用。土壤氨氮、硝態(tài)氮、總氮的測(cè)定方法選用分光光度法。測(cè)得原礦土pH值為6.48，有機(jī)質(zhì)含量12.27g/kg；一般土壤pH值7.58，有機(jī)質(zhì)含量102.78g/kg。

1.2動(dòng)態(tài)柱式淋濾實(shí)驗(yàn)

土柱采用透明的亞克力管材，總高1 860mm，內(nèi)徑150mm，管壁設(shè)置7個(gè)取樣孔，兩種土壤填充高度均為1 635mm。實(shí)驗(yàn)前，先用質(zhì)量濃度為1.5%的硫酸銨溶液對(duì)土壤柱淋濾36d，以保證待試土壤的氮素含量足夠充分。本實(shí)驗(yàn)所需的淋濾液為蒸餾水，參照贛南地區(qū)近年年均降雨量1 587mm來模擬降雨，設(shè)置水泵間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)90min，停歇30min。每隔6d從各取樣孔取樣測(cè)量。

2結(jié)果與分析

2.1原礦土和一般土中氨氮的分布特征

(a) 原礦土(土柱1　降去離子水)

(b) 一般土壤(土柱2　降去離子水)

從氨氮含量隨淋洗時(shí)間的變化來看，淋洗結(jié)束時(shí)，原礦土中上層土壤仍有向下層土壤遷移的趨勢(shì)，下層土壤氨氮略有積累。其中表層土壤中氨氮含量隨淋洗液的增加逐漸減小，到實(shí)驗(yàn)中后期時(shí)，其含量基本穩(wěn)定在450～500mg/kg。25cm和50cm土層處氨氮含量在實(shí)驗(yàn)前期有所增加，實(shí)驗(yàn)中后期逐步減小至720mg/kg左右。75cm處土壤中氨氮含量在淋洗前期逐漸減小，后期其遷移速率逐漸增大。下層土壤中的氨氮含量在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的前、中期均逐漸減小，并維持在750mg/kg左右。而一般土壤中各土層氨氮量則呈逐漸減小趨勢(shì)，前期減小速率較大，后期逐漸變緩。

2.2原礦土和一般土中硝態(tài)氮的分布特征

(a)原礦土(土柱1　降去離子水)

(b)一般土壤(土柱2　降去離子水)

由圖2可知，淋濾初期，原礦各土壤層中硝態(tài)氮含量為14～22mg/kg，上層土壤中硝氮含量高于下層土壤。一般土壤硝氮初始含量在8～14mg/kg之間，除表層土壤中硝氮含量在14mg/kg外，其余土層中硝氮均值在8mg/kg左右，分布較為集中，淋洗結(jié)束時(shí)，原礦土和一般土的上層土壤中硝酸鹽有所淋失，下層土壤則稍有累積?？偟膩碚f，原礦土中硝態(tài)氮的淋失量遠(yuǎn)大于一般土壤。原礦土的表層25cm、75cm及一般土的表層淋溶損失量要大于其他土層。兩種土壤中，各層土壤硝氮隨淋洗天數(shù)的變化其變化規(guī)律一致，均是前12d快速減小，后6d有所增加，第18d到24d淋洗中期其含量下降較快，實(shí)驗(yàn)后期稍有增長，呈“W”型變化趨勢(shì)。

原因主要是土壤膠體和黏土顆粒表面帶負(fù)電荷，對(duì)硝酸根產(chǎn)生負(fù)吸附。表層土壤因其通風(fēng)好，在土壤微生物作用下發(fā)生硝化反應(yīng)，使表層土壤中硝態(tài)氮含量較高，在淋洗作用下，表層土壤中的硝酸鹽不斷向下層土壤遷移，當(dāng)下層土壤中硝酸鹽在土壤溶液中溶解速率大于其析出速率時(shí)，其含量會(huì)逐漸降低，隨著淋濾量的增加，土壤不斷被壓實(shí)，其孔隙率降低，土壤對(duì)硝氮的截留量大大超過其淋失量，使得本土壤層的硝氮含量短期內(nèi)增加，隨著取樣造成土壤層內(nèi)部中空，淋濾水流會(huì)在此短暫的滯留，使得周圍土壤中硝酸根溶解在土壤液中并逐漸向下滲透直至排出柱體外。原礦土因其含礦物石多，且土壤粒徑分布較大，砂性強(qiáng)，且孔隙率要大于一般土壤，故硝態(tài)氮在原礦土中的遷移速率和遷移量要大于一般土壤。

2.3原礦土和一般土其浸出液氨氮含量變化特征

圖3　原礦土和一般土浸出液中氨氮含量分布特征

由圖3可知，一般土壤其浸出液中氨氮含量總體水平高于原礦土，淋濾前期一般土浸出液中氨氮減幅較大，前一周內(nèi)，其含量從5 148mg/kg減小至1 090mg/kg, 中期其含量雖有所下降，但減幅趨于平緩，實(shí)驗(yàn)后期其浸出液中銨鹽的平均水平維持在700mg/kg左右。而原礦土其浸出液中的氨氮量變化則相對(duì)穩(wěn)定，除淋洗前期其含量從680mg/kg逐漸減小至360mg/kg后，在中后期時(shí)，其含量基本在340mg/kg左右，并保持穩(wěn)定。待淋洗結(jié)束，原礦土和一般土浸出液的氨氮水平均低于初始含量。兩類土壤浸出液的這一變化規(guī)律再次說明氨氮在一般土壤中的淋溶損失量遠(yuǎn)大于在原礦土壤中，與圖1原礦土和一般土中氨氮在土壤剖面的垂向分布特征的分析結(jié)論一致。這是因?yàn)檫M(jìn)入土壤的銨根離子將原礦土壤中的內(nèi)源性稀土元素解析下來，且這些結(jié)合態(tài)的氨氮化合物并不易隨淋濾液向下遷移流失。

2.4原礦土和一般土其浸出液硝態(tài)氮含量變化特征

由圖4可知，硝態(tài)氮在一般土壤浸出液中的變化趨勢(shì)與在原礦土壤浸出液基本一致，均是隨著淋洗時(shí)間的增加呈先增后減再增再減的“M”型的變化趨勢(shì)。淋濾至第6d時(shí)，兩類土壤浸出液中的硝態(tài)氮含量均達(dá)到峰值，原礦土浸出液是145mg/kg，而一般土則是79mg/kg。到第9d時(shí)，原礦土的硝氮量降至最低水平為70mg/kg，而一般土浸出液中出現(xiàn)這一特征則是在12d，達(dá)到淋洗中期的最低含量為12mg/kg。待淋濾至15d時(shí)，原礦土浸出液中的硝酸鹽水平增至最高值174mg/kg,后期便快速減小，待淋洗結(jié)束時(shí)，測(cè)得其浸出液的硝氮總量為18mg/kg，遠(yuǎn)小于淋洗初期含量。而一般土浸出液的硝氮量在淋洗后期則相對(duì)穩(wěn)定，待21d時(shí)，其浸出液中硝氮含量達(dá)到29mg/kg,與實(shí)驗(yàn)初期浸出液中的硝氮含量一致。硝態(tài)氮在原礦土浸出液中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在一般土壤中，這說明硝酸鹽氮在原礦土壤中更易淋失，與圖2原礦土和一般土中硝態(tài)氮在土壤剖面的垂向分布特征的分析結(jié)論一致。這是因?yàn)樵V土含礦物石多，且土壤粒徑分布較大，砂性較強(qiáng)，其土壤粘性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般土壤。

圖4原礦土和一般土浸出液中硝態(tài)氮含量分布特征

3結(jié)論

(1)在淋洗水流的沖刷下，氨氮在一般土壤中的淋失量明顯大于原礦土。這是因?yàn)橄⊥镣寥乐械膬?nèi)源性稀土元素與入滲流中的銨根離子發(fā)生置換反應(yīng)并將氨氮固存在土壤中，稀土元素的存在加強(qiáng)了土壤的固氮能力。

(2)兩類土壤中硝氮含量均有所降低，但硝酸鹽在原礦土中的遷移速率和遷移量要大于一般土。因?yàn)樵V土含礦物石多，且土壤粒徑分布較大，砂性強(qiáng)，孔隙率要大于一般土壤。pH值介于7～8之間，土壤透氣性較差時(shí)，其反硝化最為活躍，土壤中硝氮減少量亦越大。

(3)稀土土壤中氮素的主要存在形式是氨氮，因而稀土土壤中氮素的流失以氨鹽的流失為主。

參考文獻(xiàn)

[1]王玉琦,孫景信,陳紅民,等.土壤中稀土元素賦存狀態(tài)的研究[J].核化學(xué)與放射化學(xué),1996,18(3):146-151.

[2]彭安，朱建國.稀土元素的環(huán)境化學(xué)及生態(tài)效應(yīng)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2003.

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51464014)，2015研究生省級(jí)創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(YC2015-S298)。

作者簡介溫春輝,男,碩士，研究方向：水污染控制技術(shù)。

(收稿日期：2015-12-30)

EffectofEndogenousRareEarthElementsontheDistributionofNitrogeninSoil

WENChunhui1XUChunyan2LIUZuwen1ZHANGNian2

(1.Institute of Building and Surveying and Mapping, Jiangxi University of Science and TechnologyGanzhou, Jiangxi 341000)

AbstractIn the process of ion type rare earth mining, due to waterproof layer leakage, collection system deficiency and illegal poaching, large amounts of nitrogen compounds permeats into the surrounding mining area soil and underground water, which has threatened the safety of living environments of local residents. In order to study the effects of rare-earth elements of soils in the mining area on nitrogen adsorption and desorption processes, soil column experimental are conducted to simulate mine leaching.

Key Wordslonic rare earthnitrogenleachingtransformation