污染红壤重金属随地表径流迁移特征及影响因子研究

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南方红壤区土壤重金属污染问题日渐严重,污染土壤中的重金属可随降雨产流过程进入地表水或食物链,进而直接或间接危害人类健康。本论文采用室内模拟降雨试验,研究了不同降雨强度(55,90,120mm/h)、地面坡度(5。,10°15°)、稻草覆盖度(0%,40%,100%)及石灰添加量(0%,0.25%,0.50%)等处理下,污染土壤(非人为添加)重金属随地表径流的迁移特征,并探讨其迁移机理,旨在为红壤地区重金属面源污染防控和重金属污染土壤的农业安全利用提供理论依据。主要研究结果如下:(1)地表径流量随雨强的减弱、稻草覆盖度的提高和石灰添加量的增大显著降低,降低幅度分别达45.5%-77.6%、30.8%-50.1%和14.9%-18.3%;地面坡度对径流量的影响较小。径流泥沙流失量随雨强和地面坡度的增大显著提高,提高幅度分别达812.5%~1623.4%和44.7%~73.0%。稻草覆盖和添加石灰可显著降低径流泥沙流失量,降低幅度分别达92.8%-97.4%和44.4%-59.2%。(2)90mm/h、120mm/h雨强处理及陡坡(15°)处理下溶解态Cd、Cu和Ni起始浓度均较高(产流后10min内),随降雨产流时间的延长快速下降,溶解态Zn浓度呈波动变化特征;55mm/h雨强处理下四种重金属元素起始浓度相对较低,随降雨产流时间的延长其浓度逐渐升高;缓坡(5°)、中坡(10°)处理下溶解态Cu浓度随降雨产流时间的延长快速下降,溶解态Cd、Ni和Zn呈波动变化特征;高稻草覆盖度(100%)处理下四种重金属溶解态浓度呈波动下降趋势,而裸地(稻草覆盖度0%)和低稻草覆盖度(40%)处理下的浓度变化相对稳定;不同石灰添加量处理下四种重金属溶解态浓度随降雨产流时间的延长均呈波动下降的变化特征。(3)溶解态Cd、Cu、Ni和Zn累积流失量随雨强的增大和稻草覆盖度的提高显著增加,增加幅度分别达52.6%-277.8%和40.0%%~153.7%,其中,溶解态Cd和Zn的增幅最大,分别达122.2%-277.8%和96.2%~153.7%。随石灰添加量增加,溶解态Cd累积流失量显著降低,降低幅度达69.40%~86.1%,溶解态Cu累积流失量显著增加,增加幅度达14.3%-57.1%,溶解态Ni和Zn累积流失量先降低后增加。地面坡度对四种重金属溶解态累积流失量没有显著影响。(4)120mm/h雨强处理及陡坡(15°)处理下,总Cd、Cu、Ni和Zn的初始浓度均较高(产流后10mmin内),随降雨产流时间延长,浓度迅速下降,但陡坡(15°)处理下浓度在产流中后期(产流20~30min后)又呈现上升的趋势,而120mm/h雨强处理下浓度全程下降;90mm/h雨强处理及缓坡(5°)、中坡(10°)处理下,初始阶段浓度相对较低,随降雨产流时间的延长(产流后10~20min内)逐渐达到峰值,然后趋于平缓变化,到产流后期(产流40mmin后)又快速下降;55mm/h雨强处理和有稻草覆盖(40%和100%)处理下,总Cd、Cu、Ni和Zn浓度在整个产流过程中变化较平缓;不同石灰添加量处理下总Cd、Cu、Ni和Zn浓度在整个产流过程中均呈先急剧下降(产流后20min内)后趋于稳定下降的变化特征。(5)总Cd、Cu、Ni和Zn的累积流失量随雨强的增大、地面坡度的提高和稻草覆盖度的降低显著增加,增加幅度分别达454.8%~1225.0%、41.2%~68.7%和40.0%~1735.9%%,其中总Cu、Cd和Zn的增幅最大,分别达734.8%~1225.0%、41.2%~68.7%和112.0%~1735.9%。石灰添加对重金属总量累积流失量没有显著影响。裸地(稻草覆盖度0%)、120mm/h雨强处理及陡坡(15°)处理下四种重金属更易随地表径流迁移流失,且流失主要发生在降雨初期(产流后20min内)。四种重金属元素在径流中累积流失量表现为:Zn>Ni>Cu>Cd。(6)不同雨强、地面坡度及石灰添加量下,Cd、Cu、Ni和Zn在整个产流过程中均主要以泥沙颗粒态形式迁移流失,泥沙颗粒态累积流失量占总量累积流失量比例均大于89%。Cd、Cu和Zn在不同稻草覆盖度处理下均主要以泥沙颗粒态形式迁移流失(占总量累积流失量比例大于50%);对于Ni,在裸地(稻草覆盖度0%)和低稻草覆盖度(40%)处理下以泥沙颗粒态迁移为主,而在高稻草覆盖度(100%)处理下以溶解态形式迁移为主。(7)Cd、Cu、Ni和Zn的泥沙颗粒态富集系数(ER)随雨强的增大、地面坡度的提高和稻草覆盖度的下降显著增大。四种重金属在不同石灰添加量处理下的ER显著高于不同降雨强度、地面坡度和稻草覆盖度处理下的ER。各处理下,四种重金属ER随降雨产流时间的变化特征与其总量随时间的变化特征具有高度一致性。
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