城市河岸带土壤磷的迁移转化行为及其机制

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磷是地表水环境中典型的营养元素,但各种点源和非点源磷污染负荷的急剧增加,导致了河流和湖泊水体严重富营养化,该问题成为我国面临的突出环境问题之一,特别是在我国经济最为发达的东部沿海平原河网地区。河岸带作为降雨径流进入河流的最后屏障,能显著降低陆地地表水和地下水中进入水生生态系统的污染物数量,减缓陆地系统污染物输入对水生生态系统的直接影响,保护河流水质。本文依托以下项目:“十一五”国家科技重大专项“城市黑臭河道外源阻断、工程修复与原位多级生态净化关键技术研究及示范”(2009ZX07317-006);国家自然科学基金项目“沿海城市河岸氮素截留效率和转化机制研究”(40971259);上海市优秀学科带头人计划“城市河岸带对面源营养盐的生态阻控机理研究”(10XD1401600),选取上海与温州市内典型河岸带为研究对象,通过实地调研、现场监测以及室内模拟、分析等方法,研究和揭示类型城市河岸带土壤磷的空间分布特征、土壤中磷的吸附-解吸及渗滤等关键生物地球化学过程的时空变化规律,探讨和阐明城市化背景下河岸带的护岸结构、土壤结构和组成、地表径流污染负荷等自然条件对河岸带土壤磷迁移转化行为的影响机制。通过对所获资料和数据的分析整理,得到以下几方面的结论:(1)温州蒲州河岸土壤TP平均含量大约在1600mg·kg-1,上海各岸带土壤TP平均含量为580~735mg·kg-1,温州河岸土壤TP含量明显高于上海河岸土壤;并且不同类型城市河岸带土壤磷含量存在明显差异性,即同一河岸带不同深度、不同河岸宽度上土壤P含量均有所不同;在自然河岸带土壤理化性质空间变化规律明显,其中樱桃河自然岸带土壤的TP和AP空间分布规律明显,即在近岸带含量较高,高于远岸带的土壤,并且土壤TP含量与土壤pH值、平均粒径、有机质存在极其显著负相关关系,与粘粒存在极其显著正相关关系,AP与TP只存在显著的正相关关系。(2)河岸带土壤对P的吸附存在快速吸附和慢速吸附两个阶段,所有土样在前0.5h内的对P的吸附速度最快,在12h之后土壤样品对P的吸附基本达到平衡;上海各种类型河岸带土壤表现出不同的吸附特征,自然型近水岸带土壤对P的吸附性较差,最大吸附量集中在300~700mg·kg-1;而直立型河岸带土壤对P表现出较好的吸附性,吸附量均高于600mg·kg-1;樱桃河岸带对P的吸附性最好,最大吸附量可高达1000mg.kg1。(3)河岸带土壤对P的最大吸附量与土壤自身的理化性质(TP、有机质、粘粒含量等)存在非常显著地相关关系,其中河岸带土壤对P的最大吸附量与土壤TP含量呈显著的正相关关系(r=0.978,p<0.01),与土壤pH值呈显著的负相关关系(r--0.942,p<0.01),与粘粒含量则呈现显著的正相关关系(r=0.900,p<0.01);另外,河岸带土壤的环境因子如pH值、温度、竞争离子对土壤P的吸附能力也具有一定的影响,在一定范围内,提高温度可以促进上海樱桃河岸带土壤对P的吸附能力;而随着pH值的升高,土壤对P的吸附能力逐渐减弱;当P初始浓度较低时,SO42-和CO32-均表现出较强的竞争性,随着P初始浓度升高,其竞争能力减弱。(4)河岸带土壤对降雨径流中DP含量具有削减作用,但由于TSS的增加,河岸带对径流TP无明显截留作用,降雨径流流经河岸带后,在距河3-5m的范围内土壤中TP增加相对较多,即3m的河岸带宽度可以达到对径流输入P的较好的去除削减效果:河岸带土壤P的主要赋存形态以Ca-P结合态为主,其次是Fe-P和Al-P,而产生径流作用后,土壤P的赋存形态发生变化,其中Fe-P含量减少,Al-P和Ca-P含量明显增加,说明灌水时存在Fe-P的释放。(5)实验室模拟土壤渗滤试验发现入水P浓度、pH值以及所加HCO3-浓度均对土壤对P的去除效率有影响,入水P浓度越高,去除效率P也会偏高;pH值为7时土壤对于P的去除效率相对较高;在一定范围内增大HCO3-的浓度可以促进土壤对P的吸附,从而提高土壤对于P的去除效率;并且渗滤作用导致土壤各种P的赋存形态含量增加,其中Ca-P含量增加明显,pH值为7时有利于土壤中的P转化为Al-P,pH值越小土壤中Fe-P的含量增加越多。
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