利用极浅型潜流人工湿地修复沙漠化土地的可行性研究

[目的]探讨以城市污水作为植物生长的水源和肥源,以期同步实现沙漠化土地的快速修复和污水净化的可行性。[方法]利用极浅型潜流人工湿地,湿地填料为细沙,栽培植物为高羊茅、黑麦草、狗牙根、芦苇和香蒲进行试验设置。[结果]试验仅4个月,细沙容重减小了20%~23%,有机质至少增加了3.9倍,有效磷、pH值、电导率和孔隙率分别增加了16%~103%,3%~5%,1.7~2.6倍和16%~25%,与原细沙差异性显著(p0.05),而碱解氮、全磷和各湿地细沙理化性质无显著性差异(p0.05)。[结论]极浅型潜流人工湿地能够迅速增加细沙养分含量,改善细沙理化性质,以极浅型潜流人工湿地修复沙漠化土地可行。高羊茅和黑麦草可作为修复沙漠化土地的优选植物。     

不同生态修复技术长期应用对风沙土土壤养分的影响

通过田间试验,对比分析了不同沙地生态修复技术长期应用对风沙土土壤pH值和有机质、氮、磷、钾等土壤养分的影响,结果表明,在长期生态修复作用下,风沙土土壤pH值和全钾含量变化较小,土壤有机质、氮、磷和速效钾含量均有不同程度的增加。人工种植作物的修复方式有利于有机质、氮、磷和速效钾含量的增加,其中:人工种植甘草土壤有机质、全氮和速效磷含量增长最多,10年后分别可达到11.42 g/kg、0.110 9 g/kg和25.46 mg/kg;人工种植花生土壤碱解氮、全磷和速效钾含量最高,10年后分别可达到55.04 mg/kg、0.127 2 g/kg和145.80 mg/kg;生物网方格固沙、林草复合培育和草场培育等主要依靠自然修复的修复技术,土壤养分含量增长缓慢。     

有机碳土壤改良剂对风沙土改土效应的影响

[目的]合成有机碳土壤改良剂,为河西内陆灌区制种玉米产业可持续发展提供技术支撑。[方法]选择甘肃省张掖市甘州区的风沙土,采用田间试验方法,进行有机碳土壤改良剂对风沙土改土效应研究。[结果]有机碳土壤改良剂施用量与风沙土孔隙度、团聚体、持水量、有机质、速效养分、微生物数量、酶活性和玉米产量呈正相关关系;与体积质量、pH值呈负相关关系。施用有机碳土壤改良剂与传统化肥比较,风沙土体积质量、pH值、Hg,Cd,Cr和Pb分别降低8.46%,4.87%,17.95%,27.78%,15.75%和18.03%;总孔隙度、团聚体、持水量、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾分别增加8.15%,23.98%,8.15%,3.16%,0.10%,2.13%和1.18%;真菌、细菌、放线菌、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和玉米施肥利润分别增加59.18%,41.75%,23.28%,57.09%,13.54%,10.71%和2 180.40元/hm2。[结论]施用有机碳土壤改良剂,能有效地改善风沙土理化性质和生物学性质,提高玉米产量。     

微生物固化风沙土的保水性能试验研究

[目的]研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化风沙土的性能,为MICP技术在固化风沙土以及恢复生态等方面提供理论依据。[方法]采用MICP技术对风沙土进行不同次数的固化处理,通过扫描电镜和光学显微镜对固化风沙土的微观结构进行分析,并测试分析固化试样的基本物理性质和保水性。[结果]通过MICP处理的风沙土,在风沙土颗粒之间有碳酸钙晶体生成,将沙土颗粒胶结在一起,使松散的风积沙固化成具有一定强度的整体;随着固化次数的增加,固化风沙土的厚度、干密度、碳酸钙含量逐渐增大,渗透系数逐渐减小,固化厚度由3.38 mm增加至11.28 mm,干密度由原沙的1.61 g/cm³增加至2.05 g/cm³,碳酸钙含量由8.99%增加至13.08%,渗透系数由原沙的1.06×10^-3 cm/s减少至2.35×10^-4 cm/s;当固化处理次数不大于5次时,保水率随固化处理次数的增加而增大,固化试样的保水性能有所改善,固化处理超过5次后,保水性能则有所下降。[结论]采用MICP技术固化的风沙土,可明显改善风沙土的干密度...     

砒砂岩改良风沙土对2种引进植物生长和氮磷营养的影响

通过室内盆栽模拟试验,设计风沙土、砒砂岩、黄绵土、覆土砒砂岩、覆沙砒砂岩和砒砂岩改良风沙土6个土壤处理,种植鲁冰花和墨西哥玉米草2种引进植物,研究2种植物在砒砂岩改良风沙土和晋陕蒙接壤区原有土壤类型中的生长和氮磷营养差异,为该区域植被恢复提供理论依据。结果表明:(1)植物在砒砂岩改良风沙土中根系生长好,总体生物量大,鲁冰花地上生物量相较于黄绵土增幅达到242%,地下生物量相较于风沙土增幅达到186%,根长和根体积相较于风沙土增幅达到388%和290%;(2)2种引进植物根系在不同的土壤环境中表现出不同的适应特征,鲁冰花比根长在砒砂岩改良风沙土中最大,风沙土中最小,墨西哥玉米草比根长在黄绵土中最大,砒砂岩改良风沙土中最小;鲁冰花和墨西哥玉米草根系中直径d≤0.45 mm的细根体积占总根体积的百分比在砒砂岩改良风沙土中均较小,分别为9.99%和13.94%;(3)所有处理中植物的氮和磷含量均低于植物在正常生长条件下的氮和磷含量,植物生长受到氮和磷养分限制,并且植物氮磷比小于14,植物生长受氮素限制更严重。与几种原有土壤类型相比,砒砂岩改良风沙土土壤理化性质更好,土壤生产力高,更适宜植物生长,可以应用于晋陕蒙接壤区的植被恢复,但在种植过程中应考虑适当施用氮肥和磷肥,以加快植被恢复进程。     

气化渣改良风沙土对土壤水分物理性质的影响

为了探讨气化渣对毛乌素沙漠风沙土的改良效果,利用气化渣作为一种风沙土改良材料,与风沙土按不同掺入量混合,通过对土壤粒径组成、保水性能以及土壤水分特征曲线的变化情况分析,探讨了气化渣对风沙土土壤水分物理性质的影响。结果表明:添加气化渣使风沙土的粒径组成得到明显改善,砂粒含量降低5.89%～35.8%,黏粒、粉粒含量分别提高0.89%～2.92%,7.94%～32.88%,风沙土土壤容重显著降低(p<0.05),降低幅度为7.75%～55.5%; 风沙土土壤质地也由砂土转向砂质壤土,保水性能也随之呈现上升的趋势,显著影响了土壤饱和含水量、毛管持水量和田间持水量(p<0.05),增长幅度分别为13.53%～158.93%,7.12%～126.95%,23.19%～252.47%; Van Genuchten模型可以很好地拟合气化渣添加后风沙土的土壤水分特征曲线,表明气化渣的添加明显提高了土壤保水性,并且风沙土土壤保水性能的主成分分析结果表明气化渣添加量越高土壤保水性提高越明显。由此可以得出,水煤浆气化渣能够有效地改善风沙土的水分物理性质,显著提高风沙土的保水性能,对风沙土改良效果明显。     

莫莫格湿地土壤氮磷空间分布规律研究

以莫莫格湿地为研究对象 ,研究了氮磷在湿地土壤中的空间分布。结果表明 ,表层土壤全氮、全磷含量显著高于下层土壤 ,土壤全氮的水平变异性较全磷强 ;全氮和全磷的垂直分布总体变化趋势均为由上到下依次减少 ,且都以 5 0 cm处为其变化转折点 ,但全氮的变化较全磷快 ;全磷、全氮含量与土壤有机质、N/ P比极显著相关 ,但p H值对其影响十分微弱。     

不同风沙土壤颗粒的分形特征

应用土壤颗粒的重量与粒径分布原理来描述了古尔班通古特沙漠地风沙土壤颗粒的分形特征。通过对10种样品颗粒的机械组成进行分析,分别计算出了它们的分形维数(D=2.3237～2.9347),并分析了其与流动风沙土、半固定风沙土和固定风沙土之间的关系。分析结果表明,风沙土壤结构具有明显的分形特征,其粒径分布分形维数为2～3。土粒表面分形维数与2～0.2mm间的土粒含量存在显著的负相关;而与0.02～0.002mm和<0.002mm的颗粒含量存在显著的正相关,表现为随着土壤质地从流动风沙土、半固定风沙土到固定风沙土的变化,其土粒表面的平均分形维数呈依次增高。土粒表面分形维数与三种典型风沙土壤有机质含量为极显著正相关,而与其硬度为显著负相关。     

陕北沙区不同利用方式风沙土的养分特征

通过分析陕北沙区榆林市不同利用方式形成的流动风沙土、半固定风沙土、固定风沙土(紧沙土)和由人类生产活动形成的耕种固定风沙土、耕灌固定风沙土的养分特征,发现随着植被的增加,流动沙丘逐渐被固定,流动风沙土、半固定风沙土、固定风沙土含有较多养分的细颗粒增多使表层养分逐渐增加。耕种固定风沙土由于生产活动,加速了土壤有机质的矿化,使土壤有机质、氮素含量降低;而磷肥的使用,使土壤有效磷增加。耕灌固定风沙土作为当地的基本农田受人类活动影响,引水拉沙,增加土壤细颗粒含量,且大量施肥,使这种土壤的肥力有了较大地提高。     

适量砒砂岩改良风沙土的吸水和保水特性

该文研究了不同砒砂岩改良风沙土模式下的土壤入渗特征、饱和导水率和水分特征曲线,分析了不同模型对砒砂岩改良风沙土水分特征曲线的适用性和不同改良模式的土壤水力学特征,以期为评价砒砂岩改良风沙土水力学特性以及筛选合理改良模式提供科学依据。结果表明:砒砂岩可以有效降低风沙土的入渗率和饱和导水率,增加风沙土的饱和含水量和滞留含水量,增强风沙土的持水能力。VGM(m,n)模型可以拟合砒砂岩改良风沙土土壤水分特征曲线。同一改良模式下,土壤的入渗率、饱和导水率和饱和含水量随容重增大呈减小趋势;容积含水量在低吸力段随容重增大逐渐减小,在中高吸力段逐渐增大。砒砂岩和风沙土以25∶75比例混合的复配模式,可以有效改良风沙土的吸水和保水特性,可在实践中推广。     

利用有机覆盖物处理的人工湿地外排焦化废水研究

[目的]为进一步降低污染物浓度,提高钢铁企业水资源循环利用率。[方法]采用水平潜流人工湿地处理外排焦化废水,通过监测分析进出水中浊度、化学需氧量(COD),总氮(TN)和总磷(TP)含量,探讨冬季人工湿地植物层不添加及添加有机覆盖物对钢铁企业外排焦化废水净化水平的影响。[结果]在低温季节,水力停留时间为5d时,不添加有机覆盖物人工湿地对外排焦化废水浊度,COD,TN和TP的平均去除率分别为68.55%,14.94%,14.20%和71.26%;添加有机覆盖物人工湿地对外排焦化废水浊度、COD,TN和TP的平均去除率分别为72.54%,21.62%,20.50%和71.88%;有机覆盖膜的保温作用使得COD去除率升幅达44.68%,TN去除率升幅达44.45%。[结论]在植物层添加有机覆盖物作为保温材料,可以提高人工湿地在低温条件下的净化效率。     

潜流人工湿地对畜禽养殖废水的净化效果

为了提高潜流人工湿地对畜禽养殖废水中污染物的去除效果,该试验通过改变湿地内部结构构建了4个潜流人工湿地单元,选用灰砖块和碎石做湿地填料,冬夏季轮作栽培齿果酸模和大狼把草,考察湿地运行期间对厌氧消化后猪场废水的净化效果。结果表明：湿地单元经过80 d的启动,运行稳定,有植物湿地比无植物对照湿地提前10 d左右进入稳定期。运行期间,各湿地单元对废水中氨氮（ammonia nitrogen,NH4+-N）、总氮（total nitrogen, TN）、总磷（total phosphorus,TP）和化学需氧量（chemical oxygen demand,CODCr）的去除率与气温变化均呈现显著线性正相关。在水力停留时间（hydraulic retention time,HRT）为4 d,进水中CODCr、NH4+-N、TN、TP浓度分别为520、110、120、10 mg/L左右时,4个湿地单元对CODCr、TP的去除率分别在60%和70%以上,对NH4+-N和TN的去除率分别为28%～67%和32%～58%,植物对CODCr及TP去除的贡献分别稳定在10%和4%左右,植物对氮的去除效果受气温影响较大,夏季对NH4+-N和TN去除的贡献分别可达13%和12%。与一般潜流人工湿地比较,改进的波形潜流人工湿地对NH4+-N、TN和CODCr的平均去除率提高均在3%以上,对TP去除效果差异不显著（P＞0.05）。该研究可为构建大规模的潜流人工湿地处理畜禽养殖废水提供理论依据和技术支持。     

浸润线高度对垂直潜流湿地处理效果的影响研究

针对污染物浓度较高的猪场沼液,开展了不同浸润线高度下垂直潜流湿地处理效果的对比研究。试验结果表明：湿地浸润线可改变湿地填料层中的溶解氧分布和水力流态,从而造成了3种类型湿地系统对猪场沼液处理效果的差异;在不同水力负荷下,中浸润线垂直潜流湿地（VSSF-M）对猪场沼液中各项污染物的去除效果均好于低浸润线垂直潜流湿地（VSSF-L）和高浸润线垂直潜流湿地（VSSF-H）;中浸润线垂直潜流湿地利用溶解氧梯度在填料层内实现了好氧区、缺氧区和厌氧区的共存,从而使硝化作用与反硝化作用在同一系统内完成,提高了系统的脱氮能力;中浸润线垂直潜流湿地系统还可适当增大系统的水力停留时间（HRT）,并可优化水力流态,从而进一步改善湿地系统的净化效果。因此,结合处理效果和出水水质的稳定性,中浸润线垂直潜流湿地对浓度较高的猪场沼液具有较高的去除效率。     

Spatial distribution characteristics of organic matter and total nitrogen of marsh soils in river marginal wetlands

Contents of soil organic matter (SOM) and total nitrogen (TN) in the surface soils and subsurface soils were measured in five types of floodplains classified with different flood frequencies in river marginal wetlands of Erbaifangzi, China, in 1999. Contour maps and profile maps were constructed to describe the spatial distribution of SOM and TN in order to identify the influences of flood frequency on them. Results showed that spatial distributions of both SOM and TN were very similar in soil profiles (0–120 cm) of the five areas, decreasing gradually with depth except an accumulation peak in the flooded floodplain (B area). Also, the accumulation peak in the soil profile of B area was relevant to water table, nitrogen leaching, denitrification and mineralization. However, their horizontal distributions in surface soils (0–10 cm) were different in the five areas. Although the flood could bring the deposit of nutrients and sands, the highest content of SOM or TN did not appear in B area but in the floodplain with certain flood frequency. For example, SOM content (6.76%) in 5-year floodplain wetland was highest, and the highest content of TN (3666.4 mg/kg) appeared in 1-year floodplain wetland. However, SOM and TN contents in soils of B area were 4.08% and 2605.4 mg/kg, respectively. Soil clay content, wetland plant (Phragmites australis) litter inputs, soil moisture and water table greatly affected the spatial distribution of SOM and TN in floodplain wetlands. The ratios of carbon to nitrogen of wetland soils in this region were relatively lower than those in paddy soils. SOM and TN contents were significantly correlated with total phosphorus (TP) contents in floodplain wetlands except the 100-year floodplain wetland, but they were significantly influenced by soil pH values only in B area. Denitrification and ammonia volatilization were the main mechanisms resulting in nitrogen loss of surface soils in B area. Flood frequency significantly influenced the ecological functions such as nutrient retention and water quality maintenance of floodplains.     

Nutrient Removal in Pilot-Scale Constructed Wetlands Treating Eutrophic River Water: Assessment of Plants, Intermittent Artificial Aeration and Polyhedron Hollow Polypropylene Balls

Seven experimental pilot-scale subsurface vertical-flow constructed wetlands were designed to assess the effect of plants [Typha latifolia L. (cattail)], intermittent artificial aeration and the use of polyhedron hollow polypropylene balls (PHPB) as part of the wetland substrate on nutrient removal from eutrophic Jinhe River water in Tianjin, China. During the entire running period, observations indicated that plants played a negligible role in chemical oxygen demand (COD) removal but significantly enhanced ammonia–nitrogen (NH₄–N), nitrate–nitrogen (NO₃–N) total nitrogen (TN), soluble reactive phosphorus (SRP) and total phosphorus (TP) removal. The introduction of intermittent artificial aeration and the presence of PHPB could both improve COD, NH₄–N, TN, SRP and TP removal. Furthermore, aerated wetlands containing PHPB performed best; the following improvements were noted: 10.38 g COD/m² day, 1.34 g NH₄–N/m² day, 1.04 g TN/m² day, 0.07 g SRP/m² day and 0.07 g TP/m² day removal, if compared to non-aerated wetlands without PHPB being presented.     

基于水流模型的串联式水平潜流湿地除磷效果分析

为了探究串联式水平潜流湿地内部水流规律及其对水禽污水的处理效果,对三级串联式水平潜流湿地运行效果进行了连续监测,分析了单位面积总磷(total phosphorus,TP)去除率月变化,进水流量和水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)对出水TP质量浓度的影响,并通过推流式反应器模型(plug-flow,PF)、扩散流模型(dispersed-flow,DF)和串联反应器模型(tanks-in-series,TIS)对水流形态进行了描述。结果表明:单位面积磷去除率随处理单元(P1,P2,P3)增加而降低(P1:(0.11±0.09)g/(m2·d)、P2:(0.08±0.03)g/(m2·d)、P3:(0.05±0.01)g/(m2·d));进水流量小于55 m3/d时,增加进水流量可提高P1单位面积去除率,但会降低P2和P3单位面积去除率,P2和P3在HRT85 d时对HRT具有较强敏感性,各处理单元最佳进水流量和HRT分别为P1:55 m3/d,166 d;P2:3.4 m3/d,151 d;P3:9.5 m3/d,176 d;P1在6月单位面积TP去除量大于释放量,P2和P3在7月-9月均存在TP净释放过程;P1(k:0.663~0.751 cm/d)理化环境较P2(k:0.641~0.722 cm/d)和P3(k:0.429~0.458 cm/d)更有利于除磷;TIS模型(R2:0.567~0.883,P0.05)对出水质量浓度的拟合大于DF(R2:0.510~0.723,P0.05)和PF模型(R2:0.465~0.626,P0.05),表明实际水流形态更接近混合流。该研究对于深化水平潜流湿地内部水流规律认识,全面了解不同运作下磷迁移转化机制提供参考。     

Wetland-type conversion drives the C,N and P stoichiometry change of soil in river plain of lower of the Yellow River

Land use conversion on river plain has profound impacts on soil characteristics and elemental stoichiometry. Four wetland types (Riparian lower-beach wetland [RLW], Riparian higher-beach wetland [RHW], Cultivated wetland [CW] and Mesophytic wetland [MW]) were selected in the lower Yellow River area to investigate the consequence of wetland type conversion on soil carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) stoichiometry. The results demonstrated that wetland conversion induced significant spatio-temporal variations in soil C, N and P stoichiometry and physicochemical characteristics in soil. Frequent agricultural activities (fertilizer input) raised the nutrient content of natural wetland, particularly in surface soil (0–30 cm). Soil volumetric water content (VWC), soil bulk density (SBD), pH and soil enzyme activity varied significantly in different wetlands. Total carbon (TC) and total nitrogen (TN) contents in MW decreased with increasing soil depth (<40 cm layers), as did TN and total phosphorus (TP) contents in CW. On the other hand, TC, TN and TP contents in RLW and RHW did not change significantly with soil depth. However, the contents of TOC, ${\mathrm{NO}}_3^{-}–\mathrm{N}$ and Fe/Al-P, etc., varied among soil layers and among wetland types. Furthermore, the stoichiometric characteristics changed significantly in some soil layers, with mean values being less than the Chinese average. Statistically, significant positive correlations were determined between TC and TN (r = .56), TDC and TP (r = .62), N:P and pH (r = .57) (p < .05) and ${\mathrm{NO}}_3^{-}–\mathrm{N}$ and pH (r = .66, p < .01). VWC was negatively correlated with pH (r = −.56, p < .05), while C/P was negatively associated with soil temperature (ST) and SBD (r = −.55, r = −.64, p < .05). TDC, IP, TN, Fe/Al-P and ST were identified as the dominant factors, with the percentage of variance 41%, 20%, 12%, 9% and 6% respectively. These findings have a great scientific significance for the ecological conservation of wetlands in the lower Yellow River area.     

自动增氧型垂直流人工湿地处理农村生活污水试验研究

针对人工湿地中溶解氧浓度不足的问题,采用自动增氧型垂直流人工湿地处理系统进行了农村生活污水脱氮除磷对比试验研究。结果表明,自动增氧型湿地内的DO浓度比非增氧型人工湿地高0.3 mg.L-1左右,TN、NH4＋-N去除率分别达到了67.41%、69.04%,比非增氧型湿地高14.57%、19.79%,但TP去除率与非增氧型湿地差异不显著。说明自动增氧措施对于增加人工湿地中的DO浓度,提高脱氮效率是有效的,但对于除磷效率无显著影响。     

秸秆还田地不同水氮条件对水稻产量及土壤肥力的影响

[目的]研究秸秆还田地不同水氮管理对水稻产量、土壤养分以及土壤酶活性的影响,为发展优质、高效生态农业提供理论支持。[方法]通过田间小区试验,设计了3种灌溉方式共9个处理,并设置3个麦秆不还田处理为对照。[结果]施氮量为225kg/hm2时,浅湿调控灌溉模式有利于控制水稻茎蘖量,降低水稻株高,形成合理的群体结构;不同水氮管理对水稻产量构成因素中的每穗总粒数、结实率无显著影响,水稻有效穗数受灌溉措施及施氮量的影响较大,浅湿调控灌溉可以显著提高水稻有效穗数和千粒重,从而提高水稻产量;施氮量为225kg/hm2时,浅湿调控灌溉可以有效提高土壤有机质、全氮、有效磷、有效钾的含量。秸秆还田可以显著提高土壤蔗糖酶活性,降低土壤脲酶活性,而对土壤过氧化氢酶活性无显著影响。秸秆还田地施氮量为225kg/hm2时,浅湿调控灌溉对土壤蔗糖酶活性的提高最为显著,而不同水氮条件对土壤脲酶活性的影响并不显著。[结论]在秸秆还田地,当施氮量为225kg/hm2时,浅湿调控灌溉可以有效提高水稻产量及土壤肥力。