土壤Cr(VI)在非线性Langmuir吸附条件下的径流流失试验与模拟

针对重金属铬(Cr)污染严重的现象,基于简单的二层非完全混合模型,将降雨时农田土壤与积水整个系统分为混合区及混合区以下两个部分,根据水量平衡原理和溶质质量守恒定律,研究土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。试验模拟的田间地表径流是由降雨引起的,根据降雨期间土壤与雨水相互作用情况,将降雨过程分为4个阶段分别求解进行研究。利用室内模拟降雨-径流试验所得数据进行模拟计算,并通过敏感性分析和模型参数对径流流失量的影响分析,阐明模型参数对土壤中吸附性溶质径流流失规律的影响。研究结果表明:此二层非完全混合模型能预测土壤在非线性Langmuir吸附条件下,吸附性溶质Cr(VI)的径流流失规律。该模型对入渗水溶质与土壤混合层溶质之间的非完全混合系数γ非常敏感,对土壤混合层溶质与地表积水-径流水溶质之间的非完全混合系数α不敏感,对Langmuir吸附方程中的参数B、C也不敏感。其中γ和α对模拟径流流失过程的影响主要作用于降雨前期,而Langmuir吸附方程中的参数B对模拟过程的影响作用于降雨前期,C也主要作用于降雨前期,但对后期的影响比其他参数更大。试验数据显示地表径流中溶质含量很低,说明该次试验中混合层溶质进入地表积水-径流层量很少,而模拟α值很小,与实际情况吻合,同时也说明,土壤中流失的污染物重金属Cr(VI)大多存在于地下排水中。     

腐植酸吸附土壤Cr(Ⅵ)条件优化

在单因素试验基础上,采用二次回归正交旋转组合设计对腐植酸去除土壤中Cr(Ⅵ)进行了优化,建立了土壤Cr(Ⅵ)潜在去除率与HA浓度(x1)、pH(x2)、反应接触时间(x3)和反应温度(x4)四个因素间的正交回归模型:Y=60.27012-2.22158X1+2.92002X3-4.29138X21-2.53068X22-2.00566X24-2.35375X1X2+3.68250X1X3-1.99875X1X4-1.99875X2X3+3.68250X2X4-2.35375X3X4。从模型推知,当HA浓度为1.86 g/L、pH值5.5、振荡时间为8.6h和反应温度25.2℃时,土壤中Cr(Ⅵ)潜在去除率最大,达80.0%。验证结果与模型值相符。     

施肥条件下坡面菜地径流携氮流失模拟降雨试验

借助室内人工模拟降雨试验研究手段,以强降雨过程中红壤丘陵区坡菜地随径流、泥沙迁移的氮流失状况和规律为研究目的,分别在不同坡长(2 m,4 m)、不同植被覆盖度(0,30%,60%)和不同施肥处理(空白(CK),无机复合肥(CF))条件下进行有效模拟降雨试验共计12场次,每场次降雨试验的产流历时设计为30min,固定雨强为120mm/h。试验结果表明:(1)径流中全氮(TN)流失以硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)为主要形式,两者(NO3--N、NH4+-N)之和占TN流失量及流失浓度的54.16%~91.41%,其中又以NO3--N流失为主要流失形态。坡长对径流中NO3--N和NH4+-N流失量的影响大于植被覆盖度。(2)通过比较CK和CF两施肥处理条件下全氮(TN)流失量,CF为CK的2.29~2.32倍,说明施肥可明显增加坡面径流和泥沙中各形式氮的流失量,其中径流中坡长的增加可降低氮流失强度。(3)侵蚀泥沙中氮流失主要受到植被覆盖度的影响,土壤侵蚀模数(Ms)与全氮在泥沙富集值(ERTN)可建立对数方程。(4)坡面TN流失主要以径流携带为主,径流是坡面TN流失的主要途径。     

模拟降雨条件下农田地表径流与壤中流氮素流失比较

选择太湖流域平原河网地区为试验地点,采用3次重复人工暴雨试验方法,研究暴雨径流过程中地表径流与壤中流氮素流失特征。结果表明:地表径流与壤中流氮素流失特征具有较大差异,地表径流水相TN平均浓度为12.41 mg/L,壤中流水相TN平均浓度低于地表径流约50.65%。地表径流氮素流失以PN为主,DN和PN的流失量比为1∶2.65,壤中流氮素流失以DN为主,DN和PN流失量比为2∶1。整个暴雨径流过程中氮素流失以地表径流为主,占总流失量的81.66%,壤中流氮素流失量相对较少,仅占氮素总流失量的18.34%。地表径流与壤中流氮素流失量比较分析结果证实,土壤的水分下渗滤过机制对氮素具有较强的削减作用,对PN的削减作用尤为明显,可达70%以上。在流域产汇流过程中,充分发挥洼地和高透水地段对地表径流的蓄渗功能,对面源营养盐污染控制具有重要的作用。     

模拟降雨条件下农田径流中氮的流失过程

在室内降雨模拟试验条件下，研究暴雨径流中农田氮素养分流失及施肥处理的影响。结果表明，农田暴雨径流氮养分的流失量与累积径流量成正相关；施用NH4HCO3显著地增大了农田径流中溶解态氮浓度及流失量（P＝0．01），而对颗粒态氮浓度及流失量没有显著影响（P＝0．1）在大暴雨和裸露地试验条件下，颗粒态氮是农田暴雨径流氮养分流失的主要形态；在44min降雨径流中，以颗粒态流失的氮达476．3－488．7mg/m^2；侵蚀泥沙有富集氮养分的特点，其富集系数与侵蚀泥沙累积量存在对数线性关系；LOG（ER）＝0．770－0．300LOG（SED）；减少地表径流和土壤侵蚀，降低表土中速效氮养分含量是减少农田地表径流氮流失的关键。     

水培条件下重金属Cr(Ⅵ)对作物种子萌发影响的试验研究

为保证再生水安全灌溉利用,通过试验研究了重金属Cr(Ⅵ)对4种典型作物种子发芽的影响。结果表明,Cr(Ⅵ)在低浓度（＜1 mg/L）时4种作物种子的各项发芽指标与对照均无显著性差异,随着浓度的增高则逐渐转变为抑制作用,浓度越高抑制作用越强。Cr(Ⅵ)对种子芽、根生长的影响远大于对发芽率的影响。对Cr(Ⅵ)浓度与芽长、根长及鲜重的抑制率进行相关分析,呈极显著正相关。通过计算EC25并比较发现,Cr(Ⅵ)对根生长的抑制作用大于对芽生长的抑制作用,4种作物根对Cr(Ⅵ)的敏感性强弱顺序为：西红柿＞小麦＞黄瓜＞玉米。     

模拟降雨条件下聚丙烯酰胺应用对径流、侵蚀和土壤养分流失的影响

Soil erosion affects soil productivity and environmental quality.A laboratory research experiment under simulated heavy rainfall with tap water was conducted to investigate the effects of anionic polyacrylamide(PAM) application rates(0,0.5,1.0,and 2.0 g m-2) and molecular weights(12 and 18 Mg mol-1) on runoff,soil erosion,and soil nutrient loss at a slope of 5°.The results showed the two lower rates of PAM application decreased runoff while the highest rate increased runoff as compared with the control.Sediment concentration and soil mass loss increased significantly with the increasing PAM application rate.Compared with the control,PAM application decreased K+,NH4+,and NO3-concentrations in sediment and K+ and NH+4 concentrations in runoff,but significantly increased the mass losses of K+,NH4+,and NO-3 over soil surface except for the NH4+ at PAM application rate lower than 1.0 g m-2.PAM application decreased the proportion of K+ loss with runoff to its total mass loss over soil surface from 60.1% to 16.4%.However,it did not affect the NH4+ and NO3-losses with runoff,and more than 86% of them were lost with runoff.A higher PAM molecular weight resulted in less soil erosion and K+ mass loss but had little effect on runoff and NH+4 and NO3-losses.PAM application did not prevent soil erosion and the mass losses of K+ and NO3-under experimental conditions.     

降雨-径流条件下混合层深度模拟试验

混合层深度是非点源污染模型中一个重要参变量,在模拟土壤溶质随地表径流迁移流失过程中,它决定了参与径流迁移的土壤溶质的范围及其具体流失量,为现有模型参数校正提供一定的数据支持。通过设计3种水文条件即自由排水状态（-5?cm）、土壤水分饱和状态和土壤渗流状态（5?cm）,采用人工模拟3种降雨强度（3,6和9?cm/h）,及同时分别外加模拟相对于降雨量的0,2,4和10倍径流量,研究土壤溶质迁移到地表径流过程中混合层深度。试验结果表明混合层深度与降雨强度呈线性增加关系;自由排水条件下,与地表径流量呈复杂正比例增加关系;土壤饱和条件和土壤渗流条件下,混合层深度与地表径流量均呈线性增加关系。研究结果发现混合层深度的实质是一个多向、复杂的动态溶质迁移变化量。     

溶液培养条件下腐殖酸对Cr(Ⅵ)微生物还原的影响

探明铬(Cr)的氧化还原作用机制对于深入认识其污染过程特征进而制订科学的防控措施有重要意义。本研究采用从山西大同风化煤、河南巩县褐煤和云南昆明滇池底泥中提取的腐殖酸(分别记为HAs、HAh、HAk),通过分别添加,以及共同添加葡萄糖和不同制备来源或不同浓度的腐殖酸,并接种水稻土悬液,研究了溶液培养条件下腐殖酸对Cr(Ⅵ)的微生物还原过程的影响。结果表明:在有充足碳源存在条件下腐殖酸能够发挥其电子传递作用促进Cr(Ⅵ)的微生物还原过程。腐殖酸促进Cr(Ⅵ)还原的作用随其添加浓度的升高而增强,腐殖酸浓度为0.02 g/L时其促进作用较微弱,而2.00 g/L时培养期间Cr(Ⅵ)的还原率达到95%以上。腐殖酸的结构组成差异对其作用于Cr(Ⅵ)的微生物还原过程有重要的影响,腐殖化程度相对较高的HAk和HAs对Cr(Ⅵ)的微生物还原的促进作用明显,HAk更因含有一定量的多糖或类多糖物质而加快了Cr(Ⅵ)微生物还原过程的发生时间,而HAh则对Cr(Ⅵ)的微生物还原的影响较小。     

降雨-径流条件下土壤溶质迁移过程模拟

通过雨滴的打击加速土壤表面溶质迁移至地表径流过程。通过设计3种水文条件即控制排水状态（-5 cm）、土壤水分饱和状态和土壤渗流状态（5 cm）,采用人工模拟3种降雨强度（30、60和90 mm/h）,及同时外加模拟相对于降雨量的0、2、4和10倍径流量,研究土壤溶质迁移到地表径流过程中扩散过程的规律。试验结果表明降雨强度、或地表径流总量、或地表水位线的增加,均加速土壤溶质的扩散过程。渗流作用下,对流-扩散作用存在着一种交互作用,能加速分子扩散过程。土壤溶质迁移过程同降雨强度、地表径流量和地下水位高低有着重要关系。     

模拟降雨条件下秦岭北麓土壤磷素流失特征

以秦岭北麓竹峪地区为研究区域,采用模拟人工降雨的试验方法,研究了不同坡度(5°,10°)和不同降雨强度(1.1,1.3,1.5mm/min)下该区域田地土壤磷素流失过程规律。结果表明:降雨强度能够影响径流中溶解态磷(DP)的含量,但二者之间并非呈线性关系;相比于幂函数而言,指数函数模型更适合模拟秦岭北麓竹峪地区土壤径流溶解态磷(DP)浓度变化过程(R~20.75);降雨初期,泥沙中(STP)含量相对较高,但随着降雨的延续其浓度会有所下降,并最终保持在一个较稳定的水平上;泥沙全磷(STP)的流失速率随着降雨时间以幂函数的形式逐渐递减,同时发现泥沙全磷(STP)的流失速率与土壤流失速率之间存在着明显的线性关系(R~2=0.92),说明养分流失量累积过程与产沙过程一致,可以利用土壤侵蚀状况来进一步预测养分流失状况。     

模拟降雨条件下工程边坡土壤磷素流失特征

[目的]探究西南高山—亚高山地区工程边坡土壤磷素流失机理,为同类型工程边坡生态环境恢复研究提供理论依据。[方法]采用室内人工模拟降雨试验及原状土搬迁等方法,研究在2种坡度(30°,50°)和4种雨强(25,45,65,85 mm/h)条件下工程边坡全磷(TP),泥沙全磷(STP),溶解态磷(DP)迁移变化特征及其与土壤侵蚀状况的关系。[结果]①工程边坡径流平均DP浓度整体较低且受雨强影响较小,STP浓度在降雨初期较高,随之降低或趋于稳定。②不同雨强下工程边坡DP流失率、STP流失率变化曲线具有明显差异性,当雨强为25 mm/h和45 mm/h时,工程边坡STP流失率、DP流失率较低且较为稳定;当雨强为65 mm/h和85 mm/h时,工程边坡STP流失率、DP流失率迅速上升后趋于稳定;当雨强由45 mm/h增至65 mm/h时,工程边坡STP流失率、DP流失率迅速增大。③土壤侵蚀率与DP流失率、DP平均浓度、STP流失率和浓度、TP流失率有极显著正相关关系;径流率与DP流失率、STP流失率、TP流失率、DP平均浓度有极显著正相关关系,与STP浓度无显著相关关系。工程边坡TP流失率随径流率、土壤侵蚀率皆以幂函数形式逐渐增加。[结论]雨强和坡度对工程边坡磷素流失动态变化特征具有显著的影响且整体呈现出先增后减的趋势。     

模拟降雨条件下肥料品种与施肥方式对氮素径流流失的影响

为研究施肥对氮素径流流失的影响,选择山东省泰安市典型农田为试验地点,采用4次重复人工降雨试验方法,研究降雨径流过程中不同肥料品种和不同施肥方式对地表径流氮素流失的影响机制.结果表明:在降雨强度和施肥量一致的条件下,施用速效氮肥碳酸氢铵肥料引起氮素流失量最大,尿素次之,控释尿素最低.施肥翻耕深度增大有利于降低径流氮素流失量,在翻耕深度相同时,条施施肥方式比穴施和混施造成的径流氮素流失量更大.相关分析表明,径流中铵态氮含量和泥沙产量的差异是影响氮素径流的主要原因.在适宜的降雨条件下,合理施肥是控制氮素径流流失和减少农田氮素污染的关键途径之一.     

模拟降雨条件下坡地氮素流失特征试验分析

通过模拟降雨试验,分别研究1.0mm/min和2.0mm/min雨强条件下,不同坡面上径流过程和土壤氮素流失特征。结果表明,在1.0mm/min雨强条件下,每个产流阶段径流变化量依次为18°>28°>21°,峰值出现时间依次为21°>18°>28°,径流峰值量依次为28°>18°>21°;硝态氮淋溶与土壤侵蚀同步进行;铵态氮流失量峰值的出现是坡面顶部和下部流失量的叠加结果,随后铵态氮流失量趋于降低;在2.0mm/min雨强条件下,每个产流阶段径流变化量不同,峰值出现时间依次为18°>21°>28°,径流峰值量依次为28°>21°>18°。硝态氮流失以泥沙携带为主,大坡度地表硝态氮流失量陡然增加;短时间内坡面表层土壤流失量显著增加,造成铵态氮流失量波动变化。在两种雨强条件下,累积径流流失量依次为28°>21°>18°;硝态氮是径流中全氮流失的主要形式;在整个降雨过程,全氮流失量表现为产流初期较低,中期增大,后期降低。各形态氮素累计流失量与径流累计流失量之间存在显著的线性关系。     

模拟降雨条件下植被格局对径流总磷流失特征的影响分析

通过模拟降雨试验,研究不同植被格局下径流总磷的流失特征。结果表明,径流总磷流失量在产流初期仅0.5 mg,随着降雨历时的增加,流失量呈现出波动上升的趋势。累积径流量与累积径流总磷流失量具有良好的线性关系,判定系数都在98.5%以上。植被覆盖对径流养分具有削减作用,覆盖面积越大,单位径流所能携带的养分流失量越小。对于不同植被覆盖面积,坡下格局3 m2的径流总磷流失量仅为1 m2的30%,坡中和坡上格局都在50%以上。研究结果为调控坡面径流养分,削减汇入水体养分量,采用植被措施布设空间格局来治理农业非点源污染提供一定的科学依据。     

纳米零价铁修复Cr(Ⅵ)污染土壤的研究进展

随着铬盐生产、金属加工、电镀、皮革等工业活动以及污水灌溉和施用污泥等农业活动的进行,六价铬(Cr(Ⅵ))不断进入土壤中,严重污染土壤环境。纳米零价铁由于其比表面积大、反应活性高及还原能力强等优点,已日渐用于Cr(Ⅵ)污染土壤的修复中。本文概述了纳米零价铁修复Cr(Ⅵ)污染土壤的最新研究进展,总结了主要修复机理及影响因素,最后指出了纳米零价铁修复Cr(Ⅵ)污染土壤的发展前景及研究方向。     

模拟降雨条件下丹江鹦鹉沟小流域坡面径流氮素流失特征

通过野外人工模拟降雨,研究丹江鹦鹉沟小流域不同土地利用类型的坡面地表径流和壤中流中氮素的流失特征,结果表明:径流小区降雨—地表径流过程总氮浓度平均值超过10mg/L,随着降雨历时的增加,全氮流失浓度大体呈现较平稳的状态,总体变化幅度不大。硝态氮浓度输出变化过程和总氮变化表现出良好的相关性,是氮素流失的主要形态;在大雨强条件下,农田小区壤中流氮素流失浓度均小于裸坡,其中农田全氮的流失量是裸地的1/2。在其他2种雨强条件下,农田小区壤中流除全氮外流失浓度均小于裸坡;壤中流中的氮素养分流失量占径流中比例较大,其中NO3--N表现最为明显,壤中流中NO3--N含量为9.09～11.42mg/L,最大比例为61.4%。     

室内模拟降雨条件下径流侵蚀产沙试验研究

降雨及其产生的径流是引起黄土高原土壤侵蚀的主要动力,开展黄土区降雨产流产沙过程研究可为土壤侵蚀过程模型研发奠定基础,为水土保持与生态建设提供重要科学依据。利用室内模拟降雨试验,研究了不同植被格局条件下的坡面侵蚀产沙、径流、入渗规律及相关关系。研究结果表明,裸坡坡面下,雨强是影响径流的主要因素,径流贡献率为87%;坡度是影响产沙的主要因素,产沙贡献率为76%;在大雨强或陡坡条件下,这种趋势更加明显。模拟降雨条件下,坡面含水量以坡面中下部最大,坡面中部居中,坡面上部最小。坡面植被覆盖对侵蚀产沙的影响大于坡度因素的影响;相同覆盖度条件下,植被空间位置对水沙调控作用大小顺序依次为:坡底>坡中>坡顶。随植被覆盖率的增加,径流总量呈幂函数减小趋势,产沙总量和径流含沙量呈指数函数减小趋势,植被对水沙调控作用逐渐增强。本文研究成果对于深入理解流域径流产流产沙过程具有重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持。     

模拟降雨条件下污染土壤中重金属元素径流迁移特征

探明污染土壤中重金属元素随地表径流迁移特征,对于防控重金属污染物的迁移扩散具有重要意义。通过室内模拟降雨试验,研究不同降雨强度下(55,100,120mm/h)污染土壤中Cd、Pb和Cr随地表径流迁移的特征。结果表明:径流中3种重金属元素总量在产流的前20min内逐渐降低,随后趋于稳定;产流初期(产流10min内)颗粒态重金属占径流重金属总量的比例均在80%以上;随产流时间延长,颗粒态Cd和Cr对径流重金属的贡献率快速降低,其颗粒态/溶解态的比值范围分别为47.0～0.4和12.9～0.4,而Pb则主要以颗粒态的形式存在,溶解态Pb对其随径流迁移的贡献率可忽略不计;随降雨强度增大,径流中总Cd和Pb含量显著降低,而径流中总Cr含量以及溶解态重金属含量无明显变化规律。