鄭 健,孫雨欣,王 燕,張恩繼（1.蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心,甘肅蘭州 730050；2.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,甘肅蘭州 730050）

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沼液中全氮在非飽和均質(zhì)土壤中的吸附特征試驗(yàn)

鄭 健1,2,孫雨欣1,2,王 燕1,2,張恩繼1,2
（1.蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心,甘肅蘭州 730050；2.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,甘肅蘭州 730050）

摘要:為探討沼液中全氮在非飽和均質(zhì)土壤中的吸附特征,在室內(nèi)恒溫條件下,對非飽和均質(zhì)土柱采用一維沼液吸附試驗(yàn),測定不同沼液濃度、土壤密度及沼液入滲水頭條件下滲出液電導(dǎo)率及全氮含量,并應(yīng)用對流彌散溶質(zhì)運(yùn)移模型和CXTFIT2.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到了不同試驗(yàn)方案下的全氮平均孔隙水流速和水動力彌散度。試驗(yàn)結(jié)果表明:不同試驗(yàn)方案下較大密度土壤的滲出液電導(dǎo)率峰值點(diǎn)均小于較小密度土壤的峰值點(diǎn);峰值點(diǎn)后滲出液的電導(dǎo)率與峰值點(diǎn)差值隨沼液濃度的增大而增大;相同土壤密度及入滲水頭條件下,隨沼液濃度的增大,吸附曲線逐漸向右偏移,全氮運(yùn)移吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)時間及被截獲在土柱中的全氮量增加,而吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)滲出液相對濃度、平均孔隙水流速及水動力彌散度均減小;相同沼液濃度及土壤密度條件下,隨入滲水頭增大,土壤對全氮吸附達(dá)到飽和所需時間減少,平均孔隙水流速及水動力彌散度增大;相同沼液濃度及入滲水頭條件下,隨土壤密度的增大,全氮吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)時間增長,水動力彌散度增大,而平均孔隙水流速減小。

關(guān)鍵詞:非飽和均質(zhì)土壤;土壤承載力;沼液;全氮;吸附特征

沼液是一種含有水溶性及多種養(yǎng)分的速效肥料,保留了90％以上的發(fā)酵原料中的氮、磷和鉀,且氮素結(jié)構(gòu)較原污水更優(yōu),并且含有刺激植物生長的多種活性物質(zhì),更容易被植物所吸收利用,施用可以顯著改善土壤的理化性質(zhì),提高土壤的保水保肥能力,緩解土壤的板結(jié)酸化[1]。國內(nèi)學(xué)者李友強(qiáng)等[2-4]的研究表明,施用沼液可以改善作物品質(zhì),有效提高作物產(chǎn)量和降低硝酸鹽含量；吳紅等[5-7]的研究表明,施用沼液有利于提高土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的含量,促進(jìn)土壤中多種微生物的生長,并能提高土壤呼吸強(qiáng)度。國外學(xué)者M(jìn)atsunaka等[8]研究發(fā)現(xiàn)在早春施用沼液可以有效提高草地的氮肥利用效率；Kumar等[9]研究表明:采用1∶3和3∶1（沼液和水的體積比）沼液溶液灌溉土壤對磷的吸收和利用明顯高于1∶1的沼液溶液,同時大豆的產(chǎn)量和品質(zhì)顯著提高。但現(xiàn)有對沼液的研究大多集中在提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)和改善土壤環(huán)境上,而針對提高沼液灌溉農(nóng)田土壤承載力方面的研究較少。

吸附試驗(yàn)是通過測定不同時刻滲出液中溶質(zhì)相對濃度隨時間的變化規(guī)律來表征土壤對溶質(zhì)吸附能力的一種試驗(yàn)方法,本文采用該試驗(yàn)方法研究不同沼液濃度、土壤密度及水頭條件下農(nóng)田土壤對沼液的承載力。國外對吸附試驗(yàn)的研究比較早,Bohart 等[10]推導(dǎo)出了Adams-Bohart模型；Singh[11]利用吸附試驗(yàn),得到了溶質(zhì)彌散系數(shù)；Yoon等[12]用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬了地下水中溶質(zhì)在非飽和帶的吸附曲線；Pan等[13]采用恒定模式概念和波理論建立了吸附模型。國內(nèi)學(xué)者孫慧敏等[14]通過Cl-離子吸附試驗(yàn),研究了土壤團(tuán)聚體大小對非反應(yīng)性溶質(zhì)的影響；李志明等[15-16]通過吸附試驗(yàn),得到了土壤密度變化對溶質(zhì)運(yùn)移特征的影響；楊艷等[17]通過不同非飽和土質(zhì)的吸附試驗(yàn),得到了溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)。現(xiàn)有研究主要是針對飽和土壤中離子的吸附試驗(yàn)研究,采用吸附試驗(yàn)研究養(yǎng)分在非飽和均質(zhì)土壤中吸附特征的成果還較少,尤其是針對沼液中養(yǎng)分在非飽和均質(zhì)土壤中吸附特征的研究還鮮見報道。

本文通過恒定水頭一維非飽和均質(zhì)土柱吸附試驗(yàn),分析不同沼液濃度、土壤密度及沼液入滲水頭條件下沼液中全氮在非飽和均質(zhì)土壤中的吸附特征,為沼液灌溉條件下農(nóng)田土壤承載力的研究提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)土壤及沼液均取自甘肅省皋蘭縣陽洼窯村。試驗(yàn)土壤采自村中正常耕作農(nóng)田0～40cm土層,混合均勻,自然風(fēng)干,去除植物根系、石塊等雜質(zhì)后,過2mm篩備用。采用土壤顆粒分析儀進(jìn)行土壤粒徑分析,結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)土壤粒徑

試驗(yàn)所用沼液以豬糞為主要原料,取自正常產(chǎn)氣的戶用沼氣池,試驗(yàn)前用4層紗布過濾掉沼液中較大的懸浮顆粒后備用,并測定沼液基本物理性質(zhì)及全氮含量,結(jié)果如表2所示。為符合現(xiàn)有田間實(shí)施方法,本文以沼液配比（沼液與水的體積比）來表示沼液濃度的高低。

表2 沼液物理特性及全氮含量

1.2 試驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置土壤密度為1.25g/cm3和1.30g/cm3,沼液配比為1∶4、1∶2、1∶1,沼液入滲水頭為2cm 和4cm,土柱高度為10cm。試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案

圖1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由馬氏瓶、試驗(yàn)土柱和燒杯組成,如圖1所示。試驗(yàn)用土槽為長方形有機(jī)玻璃制成,長、寬、高分別為10cm、10cm和20cm,試驗(yàn)開始前按設(shè)置土柱高度及密度分層填充（每2cm為1層）,土柱底部充填粒徑小于或等于2mm的細(xì)沙做反濾層,用以防止試驗(yàn)過程中土體隨滲出液流出。試驗(yàn)開始時用馬氏瓶控制土柱表面的沼液入滲水頭,使其形成穩(wěn)定水頭下的沼液入滲狀態(tài),并在土柱底部用燒杯收集滲出液,為保證指標(biāo)測定需要,每次滲出液收集量為30mL,同時用上海雷磁DDS-11A型電導(dǎo)率儀測定不同時刻滲出液電導(dǎo)率,待滲出液的電導(dǎo)率與入滲液的電導(dǎo)率基本相等時試驗(yàn)結(jié)束。滲出液中的全氮含量采用凱式定氮法測定[18]。整個試驗(yàn)在溫度相對恒定的條件下進(jìn)行（18℃±2℃）,每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲出液電導(dǎo)率變化規(guī)律

由表2可知,試驗(yàn)用不同配比的沼液電導(dǎo)率差異較大。圖2為不同土壤密度下滲出液電導(dǎo)率變化曲線,可以看出,不同試驗(yàn)方案下滲出液電導(dǎo)率隨時間變化規(guī)律基本一致,均呈現(xiàn)先上升后下降并逐漸趨于平緩的變化規(guī)律；同一沼液濃度及入滲水頭條件下,密度為1.30g/cm3的土壤滲出液電導(dǎo)率變化曲線較密度為1.25g/cm3的曲線明顯向右偏移,且密度為1.30g/cm3的土壤滲出液電導(dǎo)率峰值點(diǎn)均小于密度為1.25g/cm3的峰值點(diǎn)；同一土壤密度及入滲水頭條件下,峰值點(diǎn)后滲出液的電導(dǎo)率（第3個數(shù)據(jù)點(diǎn)）與峰值點(diǎn)（第2個數(shù)據(jù)點(diǎn)）差值隨沼液濃度的增大而增大,且同一土壤密度及入滲水頭條件下,隨沼液濃度的增大,滲出液與入滲液電導(dǎo)率達(dá)到基本相同的時間越長?？梢姖B出液電導(dǎo)率變化規(guī)律受沼液濃度和土壤密度的雙重影響。

2.2 土壤密度、入滲水頭及沼液濃度變化對溶質(zhì)運(yùn)移吸附特征的影響

圖2 不同方案下滲出液電導(dǎo)率變化曲線

圖3 不同土壤密度及入滲水頭條件下全氮吸附曲線

圖3為不同土壤密度及入滲水頭條件下全氮吸附曲線,圖中C/C0為滲出液中全氮的相對濃度（C為滲出液全氮濃度,C0為入滲液全氮濃度）。由圖3可知,不同試驗(yàn)方案下沼液中全氮吸附曲線均呈現(xiàn)滲出液全氮相對濃度開始較大、隨后急劇下降再緩慢上升最后趨于平緩的變化規(guī)律；相同沼液濃度及入滲水頭條件下,初始階段密度為1.25g/cm3的土壤滲出液相對濃度較密度為1.30g/cm3的下降明顯,且密度為1.25g/cm3的土柱對全氮吸收達(dá)到飽和值所需時間均小于密度為1.30g/cm3的所需時間。說明在初始階段的運(yùn)移過程中發(fā)生了優(yōu)先流,土壤中溶質(zhì)隨優(yōu)先流快速運(yùn)動,導(dǎo)致滲出液濃度較高,且土壤密度越小,優(yōu)先流問題越明顯；隨試驗(yàn)進(jìn)程滲出液中全氮的相對濃度下降到最低點(diǎn)后逐漸增大,出現(xiàn)拐點(diǎn),拐點(diǎn)后全氮的滲出液相對濃度迅速增大,表明氮元素與土壤的反應(yīng)達(dá)到土柱末端,拐點(diǎn)對應(yīng)的時間稱為全氮運(yùn)移吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)時間,由表4可知密度為1.25g/cm3的土壤全氮運(yùn)移吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)時間（曲線第2個點(diǎn)對應(yīng)時間）明顯早于密度為1.30g/cm3的土壤全氮運(yùn)移吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)時間（曲線第2個點(diǎn)對應(yīng)時間）；同時試驗(yàn)結(jié)果還表明,相同沼液濃度及土壤密度條件下,4cm水頭滲出液全氮相對濃度高于2cm水頭的滲出液全氮相對濃度,但其土壤對氮吸附達(dá)到飽和所需時間則是2cm水頭的大,說明入滲水頭的增大會引起入滲界面壓力增大,從而導(dǎo)致入滲系數(shù)增大。對比圖3中（a）（b）（c）可知,隨著沼液濃度的增大,吸附曲線逐漸向右偏移,全氮運(yùn)移吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)時間隨沼液濃度的增大而增長,且吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)滲出液全氮相對濃度隨濃度的增大而減?。辉谇€幾乎趨于平緩時,配比1∶4溶液的滲出液全氮相對濃度值最大, 1∶1溶液的最小。

表4 不同試驗(yàn)方案全氮運(yùn)移吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)時間

土柱截獲量H是反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移特性的重要參數(shù),計(jì)算公式[19]為

式中:C為滲出液全氮濃度；C0為入滲液全氮濃度；t為入滲結(jié)束時間。由定義可知,H為流入土柱的溶質(zhì)在土柱中被截獲的總量。本試驗(yàn)中當(dāng)滲出液電導(dǎo)率與入滲液電導(dǎo)率基本相等時試驗(yàn)結(jié)束,t為土壤對氮元素吸附達(dá)到飽和時對應(yīng)的時間。

由圖3可知,隨著沼液濃度的增大,吸附達(dá)平衡所需時間增加,而滲出液濃度逐漸減小,由式（1）可知隨著沼液濃度的增大,滲出液與入滲液的比值減小,吸附達(dá)平衡所需時間增加,因此被截獲在土體中的全氮含量增加。

2.3 土壤中全氮吸附曲線擬合參數(shù)分析

分析一維非飽和垂直流動條件下的土壤溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律及參數(shù),可以從機(jī)理方面了解溶質(zhì)運(yùn)移的本質(zhì),而利用CXTFIT2.0軟件可以更好地分析不同條件下土壤溶質(zhì)的運(yùn)移參數(shù)。CXTFIT2.0軟件是基于土壤溶質(zhì)運(yùn)移的對流-彌散方程（CDE）及其初始和邊界值,利用最小二乘擬合原理,求解包括線性平衡吸附、非線性平衡吸附、2點(diǎn)/2區(qū)（動點(diǎn)與不動點(diǎn)或動水區(qū)與不動水區(qū)）等考慮初始值及邊界值因素的土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型參數(shù)[20-21]。圖4為不同試驗(yàn)方案下全氮實(shí)測值與擬合吸附曲線。

圖4 不同試驗(yàn)方案全氮實(shí)測值與擬合吸附曲線

根據(jù)試驗(yàn)的初始值和邊界條件,選用傳統(tǒng)的對流彌散模型及CXTFIT2.0軟件求解運(yùn)移參數(shù),即用實(shí)測值代入選定模型,計(jì)算全氮運(yùn)移吸附曲線,再與實(shí)測值進(jìn)行對比,利用非線性最小二乘法逼近,獲得各運(yùn)移參數(shù)最佳擬合值,結(jié)果見表5。由表5可知,擬合值與實(shí)測值的剩余平方和（SSQ）均遠(yuǎn)小于1,說明擬合結(jié)果可靠；同一土壤密度及入滲水頭條件下,隨沼液濃度的增大,全氮平均孔隙水流速減小,水動力彌散度減小；同一沼液濃度及土壤密度條件下,4cm水頭的全氮平均孔隙水流速及水動力彌散度均大于2cm水頭的相應(yīng)值；同一沼液濃度及入滲水頭條件下,密度為1.30g/cm3的土壤全氮平均孔隙水流速均小于密度為1.25g/cm3的土壤全氮平均孔隙水流速,而密度為1.30g/cm3的土壤全氮水動力彌散度均大于密度為1.25g/cm3的土壤全氮水動力彌散度。

表5 不同試驗(yàn)方案全氮運(yùn)移參數(shù)

2.4 討論

研究表明影響土壤溶液電導(dǎo)率的主要因素是土壤全鹽量、土壤質(zhì)地及含水量,而土壤有機(jī)質(zhì)含量對土壤溶液電導(dǎo)率影響不明顯[22],且隨鹽溶液濃度的增大,電導(dǎo)率增大[23]。但相關(guān)研究都未考慮溶液入滲過程中被非飽和土壤吸附后電導(dǎo)率的變化情況。本研究對不同試驗(yàn)方案土體滲出液電導(dǎo)率的試驗(yàn)結(jié)果表明,滲出液電導(dǎo)率均呈現(xiàn)先上升后下降并最終趨于平緩的變化規(guī)律。在本試驗(yàn)研究過程中采用的土壤為含水率相同的均質(zhì)土壤,說明初始階段電導(dǎo)率的上升,是土壤中的鹽分被不同濃度入滲沼液帶出所形成的,進(jìn)一步表明土壤中鹽分是引起初始階段滲出液電導(dǎo)率變化的重要影響因子。而峰值點(diǎn)后沼液與土壤的反應(yīng)到達(dá)土柱末端,土壤對沼液中全氮開始吸附,滲出液的電導(dǎo)率逐漸下降,并最終趨于平緩,表明土壤對全氮的降解吸附達(dá)到飽和。

本試驗(yàn)不同試驗(yàn)方案滲出液全氮相對濃度（C/C0）呈初始較大、隨后下降再緩慢上升的變化規(guī)律。初步分析其形成原因是:試驗(yàn)土柱在試驗(yàn)過程中存在溶質(zhì)優(yōu)先運(yùn)移現(xiàn)象,若無優(yōu)先流的存在,溶質(zhì)運(yùn)移的吸附曲線應(yīng)該是一條一直緩慢上升的曲線,隨時間的推移,最終達(dá)到溶質(zhì)的原始濃度。這與肖自榮等[24]采用恒定水頭法研究考馬斯亮藍(lán)在土壤中的運(yùn)移規(guī)律所得結(jié)果相似；同時,呂家瓏等[19]對磷運(yùn)移的研究表明,當(dāng)最終滲出液全氮相對濃度C/C0=1時,磷元素與土壤間發(fā)生了強(qiáng)烈反應(yīng)。而本試驗(yàn)中最終滲出液全氮相對濃度C/C0＜1,說明試驗(yàn)過程中土壤與氮元素也發(fā)生了一定程度的反應(yīng)。

李志明等[15-16]研究表明,隨土壤密度增大土壤飽和導(dǎo)水率逐漸降低,而水動力彌散度和對應(yīng)的全氮運(yùn)移吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)時間逐漸增加。崔引娣[25]研究表明溶液濃度大小對平均孔隙水流速及水動力彌散度都有很大影響。本文試驗(yàn)結(jié)果表明,土壤密度、沼液濃度及入滲水頭均是影響全氮運(yùn)移吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)的重要因素。采用CXTFIT 2.0軟件的模擬結(jié)果則表明,土壤密度、沼液濃度及入滲水頭是影響全氮平均孔隙水流速及水動力彌散度的重要因子。

3 結(jié) 論

a.不同試驗(yàn)方案滲出液電導(dǎo)率變化均呈現(xiàn)先上升后下降并逐漸趨于平緩的規(guī)律；密度為1.30g/cm3的土壤滲出液電導(dǎo)率變化曲線較密度為1.25g/cm3的曲線明顯向右偏移,且密度為1.30g/cm3的土壤滲出液電導(dǎo)率峰值點(diǎn)均小于密度為1.25g/cm3的峰值點(diǎn)；峰值點(diǎn)后滲出液的電導(dǎo)率與峰值點(diǎn)差值隨沼液配比的增大而增大。

b.不同試驗(yàn)方案沼液中全氮吸附曲線變化規(guī)律表現(xiàn)為初始階段滲出液相對濃度較大,隨后急劇下降再緩慢上升最后趨于平緩；初始階段密度為1.25g/cm3的土壤滲出液相對濃度較密度為1.30g/cm3的下降明顯,且密度為1.25g/cm3的土柱對沼液中全氮吸收達(dá)到飽和值所需時間均小于密度為1.30g/cm3的所需時間；隨著沼液濃度的增大,吸附曲線逐漸向右偏移；全氮運(yùn)移吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)時間隨沼液濃度及土壤密度的增大而增加,而吸附轉(zhuǎn)折點(diǎn)滲出液全氮相對濃度隨沼液濃度的增加而減??；4cm水頭滲出液全氮相對濃度高于2cm水頭滲入液的全氮相對濃度,但土壤對全氮吸附達(dá)到飽和所需時間則是2cm水頭的大。

c.采用CXTFIT 2.0軟件模擬沼液中全氮所得吸附曲線與實(shí)測值有很好的一致性；隨沼液濃度的增大,全氮平均孔隙水流速及水動力彌散度均減??；4cm水頭的全氮平均孔隙水流速及水動力彌散度均大于2cm水頭的相應(yīng)值；密度為1.30g/cm3的土壤全氮平均孔隙水流速小于密度為1.25g/cm3的土壤全氮平均孔隙水流速,但水動力彌散度則相反。

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中圖分類號:S158；S273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1006- 7647（2016）03- 0010- 06

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.003

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金（51369014,51509122）；蘭州理工大學(xué)紅柳青年教師培養(yǎng)計(jì)劃（Q201413）

作者簡介:鄭?。?981—）,男,副教授,博士,主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究。E-mail:zhj16822@126.com

收稿日期:（2015- 04 10 編輯:熊水斌）

Experimental study on adsorption of total nitrogen from biogas slurry in unsaturated homogeneous soil

ZHENGjian1,2, SUN Yuxin1,2, WANG Yan1,2, ZHANG Enji1, 2（1.China Western Energy and Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China；2.China Northwestern Collaborative Innovation Center of Lowcarbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, China）

Abstract:A one-dimensional experiment of adsorption of biogas slurry by unsaturated homogeneous soil at constant room temperature was conducted in order to investigate the adsorption characteristics of total nitrogen from biogas slurry.The conductivity and total nitrogen content of percolates weremeasured with different concentrations of biogas slurry, soil densities, and infiltration heads of biogas slurry.The average pore-water velocities and hydrodynamic dispersion coefficients under different experimental conditions were obtained through fitting of the experimental data using the convectiondispersionmodel of solute transport and CXTFIT2.0 software.The experimental results showed that the peak values of the conductivity of percolates in experimental schemes with higher soil density was less than those in schemes with lower soil density；the differences between the peak conductivity of the percolates and the conductivity after the peak point increased with the concentration of the biogas slurry；with the increase of the biogas slurry concentration, the adsorption curvesgraduallymoved towards the right, and the time corresponding to the turning point of adsorption curve and the total nitrogen content in soil increased, but the relative concentration of the percolate at the turning point, the average prove-water velocity, and the hydrodynamic dispersion coefficient decreased under the same soil density and head conditions；with the increase of the infiltration head, the time that the soil needed to reach saturation of the adsorbed total nitrogen decreased, and the average pore-water velocity and hydrodynamic dispersion coefficient increased under the same biogas slurry concentration and soil density conditions；and, with the increase of soil density, the time corresponding to the turning point of adsorption curves and the hydrodynamic dispersion coefficient increased, but the average pore-water velocity decreased under the same biogas slurry concentration and head conditions.

Key words:unsaturated homogeneous soil；soil bearing capacity；biogas slurry；total nitrogen；adsorption characteristics