砒砂岩改良风沙土对铵态氮吸附特性影响研究_摄晓燕.doc
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1、444442 0 1 5 年 11 月农 业 机 械 学 报第 46 卷 第 11 期doi: 10 6041 / j issn 1000-1298 2015 11 023砒砂岩改良风沙土对铵态氮吸附特性影响研究*摄晓燕1,2魏孝荣1,2魏艳春1马天娥1许晶晶3张兴昌1,2( 1 西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌 712100;2 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌 712100;3 江西省农业科学院农业经济与信息研究所,南昌 330200)摘要: 由于砒砂岩的广泛分布和煤炭资料的开发利用,晋陕蒙接壤区出现了一系列生态环境问题。为恢复区域生 态,尝试利用区
2、域内的砒砂岩来改良风沙土,以实现砒砂岩的资源化利用和受损生态系统的修复,本研究设计了风 沙土中砒砂岩不同添加比例( 0、10% 、25% 、50% 、75% 、90% 、100% ) 的改良模式。研究了 25 下不同改良模式对 NH + -N 吸附动力学和等温吸附特征的影响,评价了不同模型对改良土壤的适应性,以期为建立合理的氮肥施用指 标和提高肥料利用率提供依据。结果表明: 相同条件下,砒砂岩对 NH + -N 的吸附量大于风沙土; 随着砒砂岩添加 比例的增加,改良土壤对 NH + -N 的吸附量呈线性增加关系。砒砂岩的添加可以显著增加风沙土对 NH + -N 的吸44 附,增加土壤供氮的持续
3、性,提高肥料的有效性。准二级动力学模型可用于拟合改良土壤对 NH + -N 的吸附动力学 曲线。NH + -N 的等温吸附曲线以 Freundlich 模型拟合效果更优。各处理对 NH + -N 的吸附均为自发过程,且为有44 利吸附,吸附速率由膜扩散和颗粒内扩散共同控制。关键词: 铵态氮 改良土壤 砒砂岩 风沙土 吸附动力学 等温吸附中图分类号: S156. 5文献标识码: A文章编号: 1000-1298( 2015) 11-0165-09Effects of Soft ock Modified Sandy Soil on NH + -N Adsorption Characteristic
4、sShe Xiaoyan1,2Wei Xiaorong1,2Wei Yanchun1Ma Tiane1Xu Jingjing3Zhang Xingchang1,2( 1 College of esources and Environment,Northwest AF University,Yangling,Shaanxi 712100,China2 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau,Northwest AF University,Yangling, Shaanxi 712100,C
5、hina3 Institute of Agricultural Economics and Information,Jiangxi Academy of Agricultural Sciences,Nanchang 330200,China)Abstract: Due to the widely existence of soft rock and the exploitation of coal resource,serious ecological and environmental problems occurred in the contiguous areas of Shanxi,S
6、haanxi and Inner Mongolia in China In order to restore regionally ecological environment,this study was conducted to improve sandy soi l using soft rock in the energy communities,and realize the transformation of soft rock into available resources Previous research found that soft rock could improve
7、 hydraulic properties of sandy soil But there are few researches about the nutrient availability of soft rock distributed into sandy soil Soft rock was mixed in sandy soil with seven ratios: 0,10% ,25% ,50% ,75% ,90% and 100% Adsorption kinetic were determined and fitted with Freundlich,Langmuir,Tem
8、kin and Dubinin-adushkevich models Adsorption isotherms were measured and modeled with Pseudo-first-order,Pseudo-second-order, Bi-constant and Intra-particle diffusion models This study was conducted to understand the effects of different additive proportions of soft rock amended sandy soils on the
9、adsorption of NH + -N,and to select the optimal adsorption model of improved soil The results can be used to guide reasonable fertilization of nitrogenous and improve the utilization efficiency of fertilize The results showed that: with the extension收稿日期: 2015-06-07 修回日期: 2015-09-05 * 中国科学院西部行动计划资助项
10、目( KZCX2-XB3-13-02) 和教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目( NCET-13-0487)作者简介: 摄晓燕, 博士生, 主要从事水土保持与生态恢复研究,E-mail: sxy0418 163 com通讯作者: 张兴昌, 研究员, 博士生导师, 主要从事水土保持与生态修复研究,E-mail: zhangxc ms iswc ac cn166农 业 机 械 学 报2 0 1 5 年44444444444444of reaction times and the increase of equilibrium concentration,the NH + -N adsorption
11、 capacity was increased in improved soil eaching to the adsorption equilibrium,sandy soil needs 4 hours and soft rock needs 16 hours Adsorption capacity of NH + -N was the largest in sandy soil and the least in soft rock,the maximum adsorption of NH + -N in soft rock was 20 times of sand soil With t
12、he increase of the soft rock proportion in improved soil,NH + -N optimal adsorption was increased linearly Soft rock could improve the NH + -N adsorption capacity of sandy soil The pseudo-second-order kinetic model and the Freundlich isotherm model could well describe NH + -N absorption in improved
13、soil NH + -N adsorption is44 a spontaneous process and a favorable adsorptionKey words: NH + -NImproved soilSoft rockSandy soilAdsorption kineticsIsothermal adsorption引言晋陕蒙能源区是中国特大的优质动力煤生产基 地,也是世界半干旱地区水土流失最为严重的区域之 一。近年来,随着煤炭资源的大规模开发,区域原本脆 弱的生态环境不断恶化。广义上来说,煤炭资源开发 属于土地资源开发的一种,开发的同时,一定要处理好 其与农业生产之间的关系1
14、。区域内以风沙土和黄绵 土为主,同时近 1 /3 的面积分布有砒砂岩。风沙土结 构性差,保水保肥能力弱; 砒砂岩粒间胶结性差,极易制,为实现砒砂岩的资源化利用、筛选合理的改良模 式、建立科学的氮肥施用指标、提高养分的有效性提 供理论依据。 1 材料与方法1. 1 试验材料本试验所用风沙土取自内蒙古准格尔旗大路镇 ( 40244N,1112214E) ,砒砂岩来自准格尔旗暖 水乡砒砂岩风景区( 394423N,1103434E) 5。 样品经自然风干后除杂、磨碎、过筛后测定颗粒组成 12 发生水土流失2。前期已有学者3 7尝试利用砒砂岩( 吸管法)、有 机 质 ( 重铬酸钾容量 法外 加 热来改
15、良风沙土,研究 发现,砒砂岩可改良风沙土质 法) 13、全 氮 ( 凯 氏 定 氮 法)13、NH + -N ( 2 mol / L地3,降低风沙土入渗速率4 5,提高风沙土吸水和保KCl 浸提,Auto Analyzer 3 型连续流动化学分析仪测水性5 6, 用于修复 Pb() 污染土壤7, 这些研究结果定) 13、CEC( 乙酸钠火焰光度法)13、pH 值( 水 13 都集中在砒砂岩改善风沙土水力学性质和修复土壤重金属污染方面,对砒砂岩改良风沙土养分状况方面的 研究鲜有报道,而开展这方面研究可以为提高区域的 肥料利用率提供科学依据。氮素是植物生长所必需的营养元素之一,NH + -N 是氮
16、素的主要形态,其在土壤中的吸附特性影响着 氮素的迁移和转化8,决定了维持氮素有效形态的 能力9,关系到土壤的肥力状况、作物的养分吸收 及肥料的施用10,同时 NH + -N 的吸附是减少氮素流失的有效途径之一11。本研究以砒砂岩和风沙土质量比为 1 1,PHS-3C 型精密 pH 计测定) 、 比表面积( BET 法,F-Sorb 2400 型比表面积分析仪测 定) 、 矿物组成 ( D / MAX-2600pcX 型射线衍射仪测 定) 。砒砂岩和风沙土的基本性质见表 1, 矿物组成 见图 1 和表 25。1. 2 试验设计为了研究砒砂岩对风沙土 NH + -N 吸附特性的 改良效果,依据砒砂
17、岩的不同添加比例设计了 7 个 不同的改良模式( 表 3) 。1. 3 试验方法土为原材料,研究不同添加比例的砒砂岩对风沙土1. 3. 1NH + -N吸附动力学试验NH + -N 吸附特性的影响,并通过吸附动力学试验和等温吸附试验来探讨改良土壤吸附 NH + -N 的机准确称取过 1 mm 筛的上述 7 个改良模式的土 壤样品 2. 500 g 置于若干 100 mL 聚乙烯离心管中,表 1 砒砂岩和风沙土的基本性质 Tab 1 Basic characteristics of soft rock and sandy soil颗粒质量分数 /%5有机质全氮NH + -N CEC /比表面积
18、/)材料 0. 002 mm0. 002 0. 05 mm0. 05 2 mm质量比 /( gkg 1 )质量比 /( gkg 1 )质量比 /( mgkg 1 )( cmolkg 1 )pH 值( m2g 1砒砂岩30. 22518. 66251. 1131. 580. 025. 0554. 959. 2210. 00风沙土7. 1835. 27487. 5431. 730. 087. 484. 638. 504. 89第 11 期摄晓燕 等: 砒砂岩改良风沙土对铵态氮吸附特性影响研究16744044444444图 1 砒砂岩和风沙土的 XD 图谱Fig 1 XD patterns of s
19、oft rock and sandy soil( a) 风沙土 ( b) 砒砂岩表 2 砒砂岩和风沙土的矿物组成( 质量分数)Tab 2 Mineral composition of soft rock and sandy soil%矿物成分 材料分离后的上清液用 0. 45 m 的 WATEMAN 微孔滤 膜过滤,连续流动化学分析仪测定 NH + -N 含量,各 改良模式设 3 次重复。1. 4 计算方法石英 蒙脱石 高岭石 长石 白云石 方解石 闪石 1. 4. 1改良土壤对 NH + 14砒砂岩57301034 -N 吸附量计算+风沙土8241022表 3 试验设计 Tab 3 Expe
20、rimental designNH4 -N 的单位吸附量为 Vi ( C0 Ci )Q =m 式中QNH + -N 的单位吸附量,mg / kgC NH + -N 初始质量浓度,mg / L( 1)C 吸附后溶液中 NH + -N 质量浓度,mg / Li4分别加入 NH + -N 质量浓度为 70 mg / L 的 NH Cl 溶Vi 加入的 NH4 Cl 溶液体积,mLm供试样品质量,g1. 4. 2NH + -N 吸附曲线的模型拟合44本文选用的吸附动力学模型有: 准一级动力学 液 50 mL( 电解质为 0. 01 mol / L 的 CaCl2 溶液) 。将 以上 离 心 管 置 于
21、 THZ-92C 型 恒 温 振 荡 器 中,在 ( 25 1) 下,以 200 r / min 的速度分别振荡 0. 5、1、 2、4、6、8、10、12、16、24、36、48 h 后取出,于 TDL-40B 型离心机中离心 10 min( 转速为 3 500 r / min) 。离心分 离后的上清液用 0. 45 m 的 WATEMAN 微孔滤膜过 滤,连续流动化学分析仪( Auto Analyzer 3) 测定 NH + - N 含量。各改良模式设 3 次重复,试验过程中要同步 进行空白试验,最后结果取 3 次重复的平均值。 1. 3. 2NH + -N 等温吸附试验准确称取过 1 m
22、m 筛的上述 7 个改良模式的土 壤样品 2. 500 g 置于若干 100 mL 聚乙烯离心管中, 分别加入 50 mL NH + -N 质量浓度为 0、14、35、70、 105、140、280、700、1 400、2 800 mg / L 的 NH4 Cl 溶液 ( 电解质为 0. 01 mol / L 的 CaCl2 溶液) ,将以上离心 管置于 THZ-92C 型恒温振荡器中,在( 25 1) 下, 以 200 r / min 的速度振荡 24 h 后取出,于 TDL-40B 型离心机中离心 10 min( 转速为 3 500 r / min) 。离心模型、 准二级动力学模型、 双常
23、数模型、 内扩散模型, 以及等温吸附模型: Freundlich 模型、 Langmuir 模型、 Temkin 模型、Dubinin-adushkevich( D-) 模型来对 改良土壤 NH + -N 的吸附曲线进行拟合。各模型方 程及参数描述参照文献15 17 。 1. 5数据处理方法试验数据采用 SPSS 16. 0 进行线性回归分析、 相关分析和方差分析。回归方程的拟合优度检验为 2 检验,显著性检验为 F 检验; 变量的显著性和相 关分析作 T 检验; 方差分析为 LSD 检验。检验过程 中置信 度 均 取 0. 01 和 0. 05 两 个 水 平。 用 Excel 2007 作
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