内源性稀土元素对土壤中氮素分布特征的影响*

温春辉　徐春燕　刘祖文　张念

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院　江西赣州 341000；2.江西理工大学资源与环境科学学院　江西赣州 341000)



土壤修复

内源性稀土元素对土壤中氮素分布特征的影响*

温春辉1徐春燕2刘祖文1张念2

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院江西赣州 341000；2.江西理工大学资源与环境科学学院江西赣州 341000)

摘要在离子型稀土开采过程中，由于部分防渗层渗漏、收集系统不完善等原因，有大量的氮化合物进入矿区周边土壤及地下水中，给当地居民生活环境带来了严重威胁。应用土柱实验，研究内源性稀土元素对矿区土壤氮化物吸附与解吸作用的影响。

关键词离子型稀土氮化物淋溶迁移转化

0引言

近年来国内外学者就稀土元素对土壤氮形态转化和有效性的影响开展了初步研究，并取得了一定的研究成果，但大部分研究都集中在添加外源性稀土元素方面，对赣南离子型稀土矿土壤中氮化物迁移转化研究不够完善。赣南含离子型稀土元素土壤是一种特质土壤，该土壤含有诸如La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd等稀土元素，这些稀土元素主要以可交换态和有机结合态为主，其中有机结合态主要是松结有机态[1]。在土壤中具有很强的活性和生物有效性，并与进入稀土土壤的氮化物发生一定的影响和交互作用，从而影响氮化物在含稀土元素土壤中的迁移规律及转化机理[2]。为进一步揭示这种内源性稀土元素对矿区土壤氮化物吸附与解吸作用的影响，本文采用土柱实验模拟降雨对氮化物的影响。

1材料与方法

1.1待试土壤的采集与处理

土壤选取龙南县足洞东江试验矿基地未开采原矿土、周边一般土，将采集的新鲜土风干剔去杂质后置于塑料袋中备用。土壤氨氮、硝态氮、总氮的测定方法选用分光光度法。测得原矿土pH值为6.48，有机质含量12.27g/kg；一般土壤pH值7.58，有机质含量102.78g/kg。

1.2动态柱式淋滤实验

土柱采用透明的亚克力管材，总高1 860mm，内径150mm，管壁设置7个取样孔，两种土壤填充高度均为1 635mm。实验前，先用质量浓度为1.5%的硫酸铵溶液对土壤柱淋滤36d，以保证待试土壤的氮素含量足够充分。本实验所需的淋滤液为蒸馏水，参照赣南地区近年年均降雨量1 587mm来模拟降雨，设置水泵间歇运转，运转90min，停歇30min。每隔6d从各取样孔取样测量。

2结果与分析

2.1原矿土和一般土中氨氮的分布特征

(a) 原矿土(土柱1　降去离子水)

(b) 一般土壤(土柱2　降去离子水)

从氨氮含量随淋洗时间的变化来看，淋洗结束时，原矿土中上层土壤仍有向下层土壤迁移的趋势，下层土壤氨氮略有积累。其中表层土壤中氨氮含量随淋洗液的增加逐渐减小，到实验中后期时，其含量基本稳定在450～500mg/kg。25cm和50cm土层处氨氮含量在实验前期有所增加，实验中后期逐步减小至720mg/kg左右。75cm处土壤中氨氮含量在淋洗前期逐渐减小，后期其迁移速率逐渐增大。下层土壤中的氨氮含量在实验进行的前、中期均逐渐减小，并维持在750mg/kg左右。而一般土壤中各土层氨氮量则呈逐渐减小趋势，前期减小速率较大，后期逐渐变缓。

2.2原矿土和一般土中硝态氮的分布特征

(a)原矿土(土柱1　降去离子水)

(b)一般土壤(土柱2　降去离子水)

由图2可知，淋滤初期，原矿各土壤层中硝态氮含量为14～22mg/kg，上层土壤中硝氮含量高于下层土壤。一般土壤硝氮初始含量在8～14mg/kg之间，除表层土壤中硝氮含量在14mg/kg外，其余土层中硝氮均值在8mg/kg左右，分布较为集中，淋洗结束时，原矿土和一般土的上层土壤中硝酸盐有所淋失，下层土壤则稍有累积。总的来说，原矿土中硝态氮的淋失量远大于一般土壤。原矿土的表层25cm、75cm及一般土的表层淋溶损失量要大于其他土层。两种土壤中，各层土壤硝氮随淋洗天数的变化其变化规律一致，均是前12d快速减小，后6d有所增加，第18d到24d淋洗中期其含量下降较快，实验后期稍有增长，呈“W”型变化趋势。

原因主要是土壤胶体和黏土颗粒表面带负电荷，对硝酸根产生负吸附。表层土壤因其通风好，在土壤微生物作用下发生硝化反应，使表层土壤中硝态氮含量较高，在淋洗作用下，表层土壤中的硝酸盐不断向下层土壤迁移，当下层土壤中硝酸盐在土壤溶液中溶解速率大于其析出速率时，其含量会逐渐降低，随着淋滤量的增加，土壤不断被压实，其孔隙率降低，土壤对硝氮的截留量大大超过其淋失量，使得本土壤层的硝氮含量短期内增加，随着取样造成土壤层内部中空，淋滤水流会在此短暂的滞留，使得周围土壤中硝酸根溶解在土壤液中并逐渐向下渗透直至排出柱体外。原矿土因其含矿物石多，且土壤粒径分布较大，砂性强，且孔隙率要大于一般土壤，故硝态氮在原矿土中的迁移速率和迁移量要大于一般土壤。

2.3原矿土和一般土其浸出液氨氮含量变化特征

图3　原矿土和一般土浸出液中氨氮含量分布特征

由图3可知，一般土壤其浸出液中氨氮含量总体水平高于原矿土，淋滤前期一般土浸出液中氨氮减幅较大，前一周内，其含量从5 148mg/kg减小至1 090mg/kg, 中期其含量虽有所下降，但减幅趋于平缓，实验后期其浸出液中铵盐的平均水平维持在700mg/kg左右。而原矿土其浸出液中的氨氮量变化则相对稳定，除淋洗前期其含量从680mg/kg逐渐减小至360mg/kg后，在中后期时，其含量基本在340mg/kg左右，并保持稳定。待淋洗结束，原矿土和一般土浸出液的氨氮水平均低于初始含量。两类土壤浸出液的这一变化规律再次说明氨氮在一般土壤中的淋溶损失量远大于在原矿土壤中，与图1原矿土和一般土中氨氮在土壤剖面的垂向分布特征的分析结论一致。这是因为进入土壤的铵根离子将原矿土壤中的内源性稀土元素解析下来，且这些结合态的氨氮化合物并不易随淋滤液向下迁移流失。

2.4原矿土和一般土其浸出液硝态氮含量变化特征

由图4可知，硝态氮在一般土壤浸出液中的变化趋势与在原矿土壤浸出液基本一致，均是随着淋洗时间的增加呈先增后减再增再减的“M”型的变化趋势。淋滤至第6d时，两类土壤浸出液中的硝态氮含量均达到峰值，原矿土浸出液是145mg/kg，而一般土则是79mg/kg。到第9d时，原矿土的硝氮量降至最低水平为70mg/kg，而一般土浸出液中出现这一特征则是在12d，达到淋洗中期的最低含量为12mg/kg。待淋滤至15d时，原矿土浸出液中的硝酸盐水平增至最高值174mg/kg,后期便快速减小，待淋洗结束时，测得其浸出液的硝氮总量为18mg/kg，远小于淋洗初期含量。而一般土浸出液的硝氮量在淋洗后期则相对稳定，待21d时，其浸出液中硝氮含量达到29mg/kg,与实验初期浸出液中的硝氮含量一致。硝态氮在原矿土浸出液中的含量远远大于在一般土壤中，这说明硝酸盐氮在原矿土壤中更易淋失，与图2原矿土和一般土中硝态氮在土壤剖面的垂向分布特征的分析结论一致。这是因为原矿土含矿物石多，且土壤粒径分布较大，砂性较强，其土壤粘性远远低于一般土壤。

图4原矿土和一般土浸出液中硝态氮含量分布特征

3结论

(1)在淋洗水流的冲刷下，氨氮在一般土壤中的淋失量明显大于原矿土。这是因为稀土土壤中的内源性稀土元素与入渗流中的铵根离子发生置换反应并将氨氮固存在土壤中，稀土元素的存在加强了土壤的固氮能力。

(2)两类土壤中硝氮含量均有所降低，但硝酸盐在原矿土中的迁移速率和迁移量要大于一般土。因为原矿土含矿物石多，且土壤粒径分布较大，砂性强，孔隙率要大于一般土壤。pH值介于7～8之间，土壤透气性较差时，其反硝化最为活跃，土壤中硝氮减少量亦越大。

(3)稀土土壤中氮素的主要存在形式是氨氮，因而稀土土壤中氮素的流失以氨盐的流失为主。

参考文献

[1]王玉琦,孙景信,陈红民,等.土壤中稀土元素赋存状态的研究[J].核化学与放射化学,1996,18(3):146-151.

[2]彭安，朱建国.稀土元素的环境化学及生态效应[M].北京:中国环境科学出版社,2003.

*基金项目：国家自然科学基金(51464014)，2015研究生省级创新专项资金项目(YC2015-S298)。

作者简介温春辉,男,硕士，研究方向：水污染控制技术。

(收稿日期：2015-12-30)

EffectofEndogenousRareEarthElementsontheDistributionofNitrogeninSoil

WENChunhui1XUChunyan2LIUZuwen1ZHANGNian2

(1.Institute of Building and Surveying and Mapping, Jiangxi University of Science and TechnologyGanzhou, Jiangxi 341000)

AbstractIn the process of ion type rare earth mining, due to waterproof layer leakage, collection system deficiency and illegal poaching, large amounts of nitrogen compounds permeats into the surrounding mining area soil and underground water, which has threatened the safety of living environments of local residents. In order to study the effects of rare-earth elements of soils in the mining area on nitrogen adsorption and desorption processes, soil column experimental are conducted to simulate mine leaching.

Key Wordslonic rare earthnitrogenleachingtransformation