再生水灌溉条件下氮磷运移转化实验与数值模拟

利用二维饱和-非饱和土壤氮磷运移转化模型nitrogen-2D对污水灌溉试验的实测数据进行了分析, 结果证明所提出的模型可以较好的描述土壤中的水分运动和氮的转化运移过程, 土壤含水量及铵态氮剖面模拟值与实测数据吻合程度较好.用检验过的数学模型模拟了不同污水灌溉方案下土壤及地下水中不同形态氮及磷的变化情况, 分析了不同灌溉方案下土壤的氮磷平衡和农田养分平衡状况, 结果表明: 适度的污水灌溉, 硝态氮和无机磷不会淋溶出1.5m土层, 不会对地下水造成氮磷污染; 施入土壤的铵态氮, 由于有较强的吸附性, 不易被作物直接吸收, 49%转化成硝态氮, 作物根系吸收以硝态氮为主, 氮肥当季利用率为23.3%;反硝化是进行污水灌溉时旱地土壤氮素的主要损失形式, 约占施入氮量的12.6%.      

兴隆水利枢纽对汉江河岸带氮素分布特征的影响

河岸带作为地表水和地下水的连接枢纽,主要通过反硝化等作用控制着二者之间的氮循环。水利工程会显著改变河流区域水文环境,进而影响河岸带氮素的分布和循环,探明水利工程对河岸带氮循环的影响机制对了解区域氮素的控制及利用具有重要意义。以兴隆水利枢纽为对象,在枢纽上、下游沉积物样品进行了总氮、“三氮”（铵态氮、亚硝态氮、硝态氮）及相关土壤理化性质的分析。结果表明:（1）水利枢纽上游河岸带沉积物氮素含量显著高于下游,上游A剖面总氮、“三氮”平均含量是下游B、C剖面的1.12～3.27倍;（2）水平方向上,3个剖面的河岸带的总氮、“三氮”含量变化具有相似性,即同一剖面上总氮含量在堤内较高,且“三氮”含量均会在堤内靠近堤防的采样点发生突变（剧增或锐减）;（3）垂向上总氮、“三氮”分布规律相似,即0～60 cm氮素含量迅速减少,60 cm以下呈不规则变化,总体上氮素含量呈自上而下减少的趋势。兴隆大坝主要影响其上游,通过蓄水抬升了上游河岸带地下水位,沉积物长期处于被淹没状态导致其脱氮能力下降。此外,同一剖面由于堤防导致的微地貌差异,堤内的地下水埋深较堤外的浅,堤内沉积物脱氮能力弱于堤外。     

太湖流域雪堰镇氮素流失规律及形态特性

以太湖流域雪堰镇为例,通过2009年3月~2010年2月连续12个月及两场次降雨事件的水质监测进行分析,研究不同河流、月份、区域、汛情、土地利用类型下氮素流失规律及形态特性,分析降雨过程中不同尺度3个流域(上涧村、龙泉河、雪堰镇)氮流失特征和不同河段氮流失规律。研究结果表明,雪堰镇氮素为劣Ⅴ类,非汛期污染比汛期严重,变化幅度大,不稳定,氮以溶解态为主,溶解态氮以硝氮为主;镇区硝氮浓度较非镇区低,氨氮比非镇区高,坑塘水面氮流失最严重,有林地(乔木较多)氮流失最少,茶园硝氮占溶解态氮百分比最高,果园氨氮占溶解态氮百分比最高;降雨前期未产流前氮素流失稳定,产流后流失越来越大,不同河段氮沿程变化基本稳定。     

云南滇池流域西芹种植区不同施肥条件下的地下水环境氮素污染

通过野外田间实验,研究了高量施肥处理、低量施肥处理、不施肥处理以及空白对照裸地等不同施肥处理条件下土壤水中各种形态氮的时空分布情况,探讨了地下水环境中氮素在不同施肥处理条件下的迁移转化特征.结果表明,在各种处理条件下,土壤水中硝态氮质量浓度随深度的增大而减小,而亚硝态氮与铵态氮质量浓度在剖面上的变化幅度较大,这种变化主要受土壤水氧化还原电位的影响.硝态氮随时间的变化趋势在4个处理区表现各异:在高量施肥处理区,各层位的土壤水中硝态氮质量浓度总体上呈增大趋势;在低量施肥处理区,硝态氮受作物生长和灌溉的影响呈拍岸浪式向下迁移;在不施肥处理区和空白对照裸地处理区,由于表层土壤中硝态氮背景值较高(0～30 cm处土壤硝态氮平均质量分数达到15.59 g/kg),灌溉水的下渗也导致硝态氮向下迁移.高量施肥处理区和空白对照裸地处理区土壤水的对比表明,施肥可促进0.6～1.5 m深处土壤的反硝化作用,从而增大这些层位土壤水中亚硝态氮和铵态氮的质量浓度.     

贵州喀斯特山区植被演替对土壤有效性氮磷含量及酶活性的影响

对贵州南部茂兰喀斯特山区不同植被类型的土壤进行调查与采样分析,探讨植被演替过程中土壤生物有效性氮磷含量及酶活性的变化。结果表明:喀斯特植被从阔叶林向灌木林及灌草丛的演变过程中,土壤全氮、活性有机磷含量出现下降;而速效氮、硝态氮、速效磷及水溶性磷的含量出现显著的降低,灌草丛土壤中速效氮、硝态氮、速效磷及水溶性磷的平均含量分别比原生阔叶林土壤减少28.09%、65.44%、69.42%和81.71%;同时,土壤脲酶、蛋白质酶、磷酸酶活性分别比原生阔叶林土壤减少74.72%、63.08%和50.32%。在喀斯特山区土壤生物有效性氮磷含量的变化明显地受到植被群落演变的影响,森林退化主要导致土壤硝态氮及水溶性磷数量的明显减少。      

基于DRAINMOD的农田地表径流氮素流失动态模拟

为了解水旱农田地表径流氮素流失机理及过程,于2008年6～9月在湖北省漳河灌区开展了田间试验,并利用DRAINMOD模型对其进行模拟。研究结果表明:水田地表径流铵态氮和硝态氮的流失率均高于旱地,水田地表径流以铵态氮为主,而旱地以硝态氮为主。水旱农田地表径流氮素流失模拟值与实测值都非常接近,水田地表径流硝态氮和铵态氮模拟的相对误差分别为8.35%和10.99%,旱地分别为5.45%和14.11%;水田硝态氮和铵态氮模拟的效率系数分别为0.961和0.974,旱地的分别为0.993和0.938,效果都很好。因此,利用DRAINMOD模型进行该地区农田氮素流失动态模拟是可行而有效的。     

关中盆地浅层地下水氮污染的健康风险评价

为了研究关中盆地浅层地下水氮污染对人体产生的潜在健康危害风险,在研究区采集和测试了232个水样,采用单因子污染指数法和健康风险评价模型对浅层地下水氮污染进行了评价。结果表明,在浅层地下水中硝态氮污染程度相对较重,呈面状分布;而铵态氮和亚硝态氮污染程度较轻,以点状存在。浅层地下水中硝态氮对人体健康的慢性毒害指数较高,高风险区占研究区面积的78.2%,主要分布在农业活动强烈的灌区和人口居住密集、工业相对发达的城镇区;硝态氮含量大于12.6mg/L的三类地下水对人体健康也是高风险的,即传统意义上可以饮用的三类水对人体健康并不都是安全的。上述成果对地下水资源管理和保护具有重要的参考价值。     

节水条件下土壤氮素的环境影响效应研究

土壤无机氮素的损失主要是铵氮的挥发损失和硝氮的反硝化和淋失.土壤水分和氮素含量的增加,都将增加氮肥淋失的潜在威胁,如处置不当,获得高产可能需要以环境的污染为代价.节水条件下土壤无机氮素的损失量有所减少,但是氮素利用效率也同时受到了土壤水分状况的限制.探讨了作物产量、氮素损失和农业生产要素(水分、氮素)实际投入量之间的关系,建立了节水条件下土壤氮素损失和环境评价概念型模型,通过在北京水利科学研究所永乐店灌溉试验站3年的试验资料对模型进行了参数求解及校验.     

灌水定额对玉米膜孔灌土壤水氮运移特性影响试验研究

通过玉米膜孔灌测坑试验,分析了灌水定额条件下的膜孔灌农田土壤垂直剖面水氮分布规律。经研究表明：灌水定额越大,土壤含水量越大,分布范围越广,土壤80~100 cm层的含水量越高;灌水定额越大,土壤表层（0~20.0 cm）含水量变化越大,硝态氮含量越小,变化越大,对深层80~100 cm硝态氮含量影响越大;随灌水定额的增加,硝态氮累积峰越靠下,低、中、高灌水定额的硝态氮累积峰分别出现在30 cm4、0 cm5、0 cm左右,高灌水定额时,增加了硝态氮的淋失,不利于作物对水氮的吸收。     

气相分子吸收光谱法测定土壤中铵态氮和硝态氮的含量

通过测定土壤中铵态氮和硝态氮的含量,能够为农业领域土壤精准施肥和土壤的环境保护提供重要参考。目前基于分光光度法的土壤中铵态氮和硝态氮的分析方法容易受到提取试液颜色、浑浊度、其他共存离子等干扰不能直接测定,必须进行脱色等前处理操作,费时耗力。因此,本文建立了一次性同时浸提,不经脱色处理,采用气相分子吸收光谱法测定农田土壤中铵态氮和硝态氮含量的方法。利用该方法测定农田土壤中铵态氮和硝态氮,避免了繁琐的显色反应过程,一个批次样品(50个)的分析流程仅需5h。在0.10~2.00mg/L(铵态氮)和0.20~4.00mg/L(硝态氮)浓度范围内,工作曲线线性良好;方法检出限分别为0.013mg/kg及0.002mg/kg;相对标准偏差(RSD)<1%;加标回收率为96.3%~100.7%。较之基于传统分光光度法的国家标准方法,本方法在检出限、精密度和回收率等指标方面均有显著改善,能够满足农田土壤中铵态氮和硝态氮的批量精准分析需求。     

河套平原盐渍化地区非饱和带氮的分布特征及影响因素

土壤氮在植物生长、土壤理化性质和微生物活动中扮演着重要的角色.为了识别盐渍化地区非饱和带氮的迁移过程,以河套灌区典型盐渍化耕地为例,通过非饱和带监测和水化学统计分析,探究了土壤剖面中氮素分布的差异性及主要影响因素.结果表明,研究区0～100 cm土层深度土壤氮含量处于较低水平,NO3-N、NH4-N和NO2-N含量平均...     

三沙湾亚硝酸氮、氨氮、磷酸盐的异常、机制及影响

闽东三沙湾是最典型的多河流汇入的封闭型海湾,是世界上最大的大黄鱼网箱养殖基地和全国最主要的渔业养殖基地之一,多次调查却发现该湾藻类生产量远低于其他海湾,呈现"营养多藻类少"独特的生态特征,但都没有深入讨论其机制.本研究2018-2020年采用定点和大面走航方式,调查了5项营养盐(活性硅酸盐(SiO₃-Si)、硝酸氮(NO₃-N)、亚硝酸氮(NO₂-N)、氨氮(NH₄-N)、活性磷酸盐(PO₄-P))的潮汐运动及空间分布,结果发现:(1)流域输入导致SiO₃-Si、NO₃-N落憩浓度大于涨憩浓度,并从岸向湾内随盐度增加而线性减少.(2)湾内养殖和自然生态系统输出导致NO₂-N、NH₄-N、PO₄-P涨憩浓度大于落憩浓度,洪季浓度大于枯季浓度,从岸向湾NO₂-N随盐度增加而非线性增加,NH₄-N、PO₄-P随盐度增加而平均分布等异常现象,但沿岸排污口附近NH₄-N、PO₄-P呈落憩浓度大于涨憩浓度.(3)湾内养殖和沿岸排污输入的高浓度NH₄-N、PO₄-P,是三沙湾水质严重污染和富营养化的主要原因,湾内养殖引起的高浓度NO₂-N是引起三沙湾"营养多藻类少灾害多"这一独特的生态特征的主要因素.      

土壤含水层处理系统对再生水入渗过程中"三氮"去除的柱试验模拟

土壤含水层处理系统(soil aquifer treatment,SAT)是一种重要的人工回灌地下水方式。以再生水为回灌水源时,水中含有的“三氮”可能会对回灌区地下水造成污染风险。研究各种因素对在SAT中去除再生水中“三氮”的影响具有重要意义。本研究中,通过高200 cm、内径50 cm土柱试验,研究了SAT系统中粒径、干湿比(落干期与淹水期的比值)、在系统表层增加生物炭及渗透流速对实际再生水“三氮”去除效果的影响。结果表明,在干湿比1∶1条件下,实际河道细砂和中细砂柱底部出水中NH₄-N平均去除率分别为73%和66%,去除机理主要为吸附和硝化作用,NO₂-N基本被去除。系统中硝化作用导致NO₃-N浓度升高,出水中NO₃-N浓度平均增长了3.0%4.1%。在深度115 cm以上, 中细砂柱内比细砂柱内的硝化作用更强,这导致了更高的NH₄-N去除率和更低的NO₃-N去除率。延长落干期后(干湿比3∶1),系统具有了更强的复氧能力,促进了硝化作用,使得NH₄-N的平均去除率提高了20%,而NO₃-N的降低了3%4%,增加了NO₃-N污染风险。在中细砂层添加5%重量生物炭后,吸附性能增强,使其对NH₄-N平均去除率增加了20%32%,但对NO₃-N影响不明显。渗透流速与NH₄-N的去除和NO₃-N的增加均呈负相关。综合分析可得出,影响SAT系统去除“三氮”的最主要因素是干湿比和渗透流速,在回补水源中NH₄-N浓度较高时,可考虑在SAT系统表层添加生物炭以增强其去除效果。     

江汉平原典型地区季节性水文条件影响下氮的动态变化规律

江汉平原东部地区地下水硝态氮和氨氮污染严重,地表水-地下水相互作用强烈,季节性水文条件变化极其显著.选取典型试验场地,对试验场内沉积物(0~25 m)氮形态进行测定,并对地下水氮含量及其他水化学指标进行连续性监测.研究表明:沉积物NO₃--N含量较高(25.8~119.48 mg/kg),是可交换态氮的主要组成部分,NH₃-N含量与TOC和TN均呈一定的正相关性,表明NH₃-N含量主要受沉积物中埋藏有机质的控制.试验场深度较深(≥2 m)地下水氮的含量和形态对地下水位波动有明显响应:雨季开始,地下水位抬升,含水介质还原性增强,NO₃--N生成受抑制且通过反应消耗,矿化作用加强,导致NH₃-N成为氮的主要赋存形态;雨季结束,地下水水位下降,含水介质的氧化性增强,NO₃--N的生成受到促进,硝化作用增强而反硝化作用减弱,导致NO₃--N的浓度增加.近地表人类活动(外源输入)对试验场浅表地层(＜2 m)地下水氮形态有明显的影响.自然或者人为因素引起的水文条件变化导致地下水流场的变化,从而改变含水介质固有的氧化还原环境,是导致试验场氮季节性变化的主要原因.      

冯家江流域水体中氮的空间分布特征

冯家江是北海市区重要的生态廊道.研究冯家江流域水体中氮的空间分布特征、污染来源、影响因素,对掌握冯家江流域氮污染现状及污染防控等具有重要的现实意义.本研究应用地统计学方法分析了冯家江流域地表水及沿岸地下水中氮污染物的空间分布特征.结果表明,地表水中氮污染物呈现出"高氨氮、低硝氮"的特征,NH3-N 质量浓度平均值高达5...     

不同淹水深度对香蒲生长状况、水质及底泥理化性质的影响

为了研究湿地香蒲种群对不同水深环境的生态响应规律和特征，分别于2018-06-30，2018-07-30，2018-08-29，2018-09-28进行野外采样，通过调查和室内化学分析，探讨了7个不同淹水深度下香蒲种群生长指标、水质因子和底泥因子的变化情况。结果表明：在不同淹水深度下，香蒲的生长指标差异显著，当淹水深度为50 cm时，香蒲的生长状态最优；4个采样日石佛寺水库水样大体呈弱碱性，底泥类型为中性偏酸性；随着淹水深度的增加，水样中的溶解氧（DO）、硝态氮（NO₃^-）和亚硝态氮（NO₂^-）质量浓度逐渐减小，总氮（TN）和氨氮（NH₄⁺）质量浓度增大，底泥中氨氮（NH₄⁺）和有机碳（SOC）质量分数总体增大，总氮（TN）、硝态氮（NO₃^-）和亚硝态氮（NO₂^-）质量分数逐渐减小，电导率总体逐渐降低，总磷（TP）和速效磷（AP）的质量分数基本呈波动状态。底泥和水体中氮元素的含有量对香蒲的生长影响较大。     

污灌区地下水硝酸盐污染来源的氮同位素示踪

为了识别石家庄市南部污灌区地下水硝酸盐污染来源, 采集5种潜在污染源和19组地下水样用于化学和氮同位素分析.灌溉污水NH₄+的δ15N值较低(4.0‰), 施化肥土壤和粪堆下土壤NO₃-的δ15N值分别为1.4‰和12.4‰; 仅施厩肥的蔬菜种植区下伏近30 m厚包气带沉积物NO₃-的δ15N分布显示, 来自动物粪便的NO₃-已运移到11.5 m以下包气带, 均值10.9‰; 污水灌溉农田下伏厚层包气带沉积物样品分析结果指示, 土壤层下伏包气带沉积物δ15N值变幅较小, 均值5.7‰.污灌区内除一深井外, 其他水井地下水硝酸盐浓度变化在52.6~124.5 mg/L之间, 均值79.72 mg/L, δ15N值变化在5.3‰~8.3‰之间, 均值7.0‰.污灌区地下水的δ15N值较污灌区土壤层下伏包气带沉积物的δ15N值高, 表明地下水NO₃-除了来自灌溉的污水外, 还有δ15N值更高的其他来源, 这些来源主要是人和动物粪便.利用线性混合模型计算, 污灌区地下水NO₃-来自灌溉的污水, 约占76%, 而来自人和动物粪便的NO₃-约占24%.为控制污灌区地下水NO₃-浓度进一步增长, 不仅要加强污水灌溉管理, 还要加强人和动物粪便的管理.      

地下水与地表水相互作用下硝态氮的迁移转化实验

全球水体氮污染形势严峻,且以硝态氮(NO₃--N)污染为主,研究地下水与地表水(G-S)相互作用模式对NO₃--N在“潜流带”(HZ)中迁移转化的影响是开展水体氮污染综合防控的关键.开展地表水(S)补给地下水(G)(下降流)、地下水(G)补给地表水(S)(上升流)以及交替作用3种模式的NO₃--N迁移转化实验,研究表明:3种模式下,出水NO₃--N浓度可降低95%以上;上升流中反硝化强度大于下降流;异化还原作用(DNRA)对下降流与上升流出水氨氮(NH₄+-N)浓度的贡献分别约为71%和11%;上升流实验后水-土界面有机氮含量是下降流实验后水-土界面的2.3倍.结果表明,G-S相互作用下NO₃--N的衰减途径主要包括:合成有机氮、反硝化及DNRA;相互作用模式对各衰减途径的强度存在影响;HZ介质通过吸附NH₄+-N和微生物作用合成有机氮的方式截留氮素.      

雨水花园集中入渗对地下水水位与水质的影响

作为低影响开发（Low Impact Developmet, LID）措施之一,城市雨水花园集中入渗雨水径流可增加对城区地下水的补给。根据一现场监测试验,研究了长期（监测期3年）及短期（降雨3天内）雨水花园入渗点及对照点地下水位与水质的变化,分析了集中入渗的效果和影响范围。结果表明:① 雨水花园对入渗区地下水位产生了显著影响（α=0.01）;② 氨氮（NH₄-N）在3年及雨后3日的观测值均显著小于对照值;总氮（TN）指标在短期增加显著,长期均值增加不显著。③ 硝态氮（NO₃-N）浓度在降雨后有所升高,但不显著,几个观测点浓度有增有减;总磷（TP）浓度的短期值和长期均值有增有减。对于类似研究区地下水位在2~3 m的情况,集中入渗雨水径流可有效补给地下水,对氮素影响明显,对磷影响有限。     

Electrokinetic retention, migration and remediation of nitrates in silty loam soil under hydraulic gradients

Contamination of groundwater by nitrates leaching from intensive agricultural and livestock operations have become a major concern for surrounding communities that use groundwater as their water supply. High levels of nitrate in drinking water poses a significant risk to human health, i.e., methaemoglobinaemia (“blue baby” syndrome).

The traditional pump-and-treat method is ineffective in medium to fine-textured agricultural soils due to the low hydraulic conductivity. This paper presents the results of a laboratory experiment investigating the feasibility of using electrokinetic treatment in retaining, accumulating, moving and remediating nitrates in a silty loam soil under hydraulic gradients.

A hydraulic gradient of 1.25 was applied to the horizontal soil columns to simulate a groundwater movement system. The study was performed in two stages. During the first stage of the experiment, the anode located at the inflow end of the columns was able to retard the movement of nitrates even under a hydraulic gradient of 1.25. After 15 days of flow, the effluent nitrate concentration in the control column rose to 90 mg l⁻¹ while no nitrates were detected in the effluent from columns subjected to the electrokinetic treatment.

After 15 days, the polarity of the electrodes was switched and this second stage lasted another 20 days. The cathode near the inflow end promoted the conversion of nitrates entering the column to other forms. The anode near the outflow end promoted the migration and accumulation of negatively charged nitrate ions towards the outflow end. By the 12th day, the nitrate concentrations in the electrokinetically treated columns were brought down to <5 mg NO₃-N l⁻¹. Electrokinetic treatment retarded nitrate movement against a hydraulic gradient of 1.25 and effectively restored a medium-textured soil contaminated with NO₃-N.

The NO₂-N level remained below 1 mg l⁻¹ throughout the experiment. The hydraulic conductivity varied between 1.0E–7 and 3.6E–7 m s⁻¹. The current requirement varied between 3 and 6 mA.