淮南潘北矿采煤塌陷湿地氮素分布初步研究.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 -1- 中国中国科技论文在线科技论文在线 淮南潘北矿采煤塌陷湿地氮素分布初步研究淮南潘北矿采煤塌陷湿地氮素分布初步研究 刘思，孟庆俊 中国矿业大学环境工程系，江苏徐州（221008） 摘摘 要要本文以淮南潘北矿的采煤塌陷湿地上覆水、底泥、土壤为研究对象，在研究区内设 置多个采样点，共采集水样 10 个，底泥样 9 个，土壤样 72 个，对研究氮素各形态含量、分 布进行分析，并取该湿地混合土样做氮素释放模拟实验，研究结果表明 （1）上覆水中以 NO3--N 为主要形态； （2）底泥中氮素主要以有机氮形式存在； （3）在不受干扰情况下，土 壤中氮的释放量很小。 关键词关键词淮南潘北矿；采煤湿地；氮元素；分布特征 0 引言引言 煤炭是当今世界社会运行的三大支柱能源之一，在许多国家的生产生活中都占要的地 位，而塌陷是煤炭开发引起的新生环境地质问题之一[1-2]。由于矿产资源开采强度的逐年加 大，导致塌陷灾害发生，与周边环境相互作用后形成塌陷湿地[3]。淮南潘北矿开采前周边是 农田，农业活动使土壤中含有丰富的营养元素，塌陷后湿地周边的农业复垦，使大量的农业 面源污染随地表径流汇入塌陷湿地；水产养殖也增加了水体的营养负荷。 1 材料与方法材料与方法 1.1 研究概况研究概况 研究淮南采煤塌陷湿地上覆水、 底泥以及土壤中氮形态分布特征， 为湿地的生态修复和 环境保护提供理论依据；利于合理利用塌陷湿地，提高其生态效益； 防止水体污染与富营 养化，对深入研究氮素的生物地球化学循环过程意义重大。此外，通过选取研究区域土壤做 氮的释放实验，为探讨采煤塌陷湿地土壤中氮形态转化提供现实依据[4]。 1.2 样品采集与测定方法样品采集与测定方法 1.2.1 样品采集与制备样品采集与制备 （1）上覆水 根据收集到的资料以及在现场踏勘调查的基础上，对研究区采用系统随机布点方法布 点，共布设 10 个点，见图 1。实际采样位置根据实际情况进行适当调整，共采集水样 10 个。 采集新鲜水样，所采样品保存在聚乙烯塑料瓶内且需充满整个容器，贴好标签，回实验室后 立即测定。 （2）土壤（兼底泥） 采样前除去表层土上植物的残体等杂质， 用土壤采样器根据计划及现场实际情况采集土 样,同一水平剖面上，每个采样点之间间隔 100m。采样布点图如图 2。 本课题得到国家环保部环保公益性行业科研专项基金资助项目“煤炭井工开采的地表沉陷监测预报及生态 环境损害累积效应研究”（200809128）和江苏省高校省级重点实验室开放基金项目“采煤塌陷湿地氮磷循环 过程研究”（20080302）资助 -2- 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 1 潘北矿塌陷湿地上覆水采样点位示意图 在磨样室将风干的样品倒在有机玻璃板上，用木锤敲打，用木滚、木棒、有机玻璃棒再 次压碎，拣出杂质，混匀，并用四分法取压碎样，过孔径 0.15mm100 目尼龙筛。过筛后 的样品全部置无色聚乙烯薄膜上，并充分搅拌混匀，贴好标签，备用。 图 2 潘北矿塌陷湿地土壤采样点位示意图 1.2.2 测定方法测定方法 （1）水样中 水中总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[5]； 硝酸盐氮的测定采用紫外分 光光度法[5]；氨氮的测定采用水杨酸分光光度法[5]。 （2）土壤与底泥中 铵态氮采用 KCl 浸提-水杨酸分光光度法[6]；硝态氮采用 CaSO42H2O 浸提-紫外分光光 度法[6]；全氮采用碱性过硫酸钾浸提-紫外分光光度法测定[6]。 2 结果分析结果分析 2.1 水体中氮素的主要形态研究水体中氮素的主要形态研究 由表 1 可以看出淮南潘北矿采煤塌陷湿地上覆水中氮素的主要形态为 NO3--N，各点 NO3--N 含量占总氮比例均超过 50， 个别点位达到 90， 从图 3 中能更清晰得到这一结论。 -3- 中国中国科技论文在线科技论文在线 湿地四周是农田， 施用的大部分化肥随着雨水及地表径流等方式流失而进入湿地， 长期的沉 淀作用使得其中的氨氮以硝化作用转化为硝酸盐氮，故水体中主要的氮形态是 NO3--N。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 东-1东-2东-3东-4东-5西-1西-2西-3西-4西-5 采样点名称 占总氮百分比 其他 硝酸盐氮 氨氮 图 3 塌陷湿地上覆水氮形态含量比较 总氮是衡量水体水质的重要指标之一。监测得到各个点位上覆水中总氮含量基本在 1.0～1.5mg/L 之间，根据地表水环境质量标准中总氮标准的限值（见表 1） ，从总氮指标角 度整体评价该水体为Ⅳ类水体。水体中氮素含量过高，很容易引起水体富营养化，故该湿地 应控制氮素的外来输入。 表 1 地表水环境质量标准总氮标准限值 分类 Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类 Ⅴ类 标准值（mg/L） 0.2 0.5 1 1.5 2 2.2 底泥中铵态氮和硝态氮含量分布关系底泥中铵态氮和硝态氮含量分布关系 对比分析底泥中铵态氮与硝态氮含量，见图 4 可得 1）潘北矿湿地底泥中铵态氮与硝态氮含量是此消彼长的对应关系。铵态氮含量高的点 位硝态氮就相应减少，这与土壤中氮的化学反应过程密切相关。 2）潘北矿湿地底泥中硝态氮的含量整体上要大于铵态氮含量，底泥硝态氮的含量集中 在 2433mg/kg，铵态氮在 1520mg/kg 范围内。东-3 与其他点位不同，其底泥铵态氮含量反 而高于硝态氮含量，主要可能原因有东-3 采样点附近的农田中施用的氨肥过量，并且大 量流失与湿地上覆水中。其中的 NH4被带负电荷的土壤胶粒所吸附而形成吸附态，也就是 铵态氮， 经过长期的积累， 该处底泥中的铵态氮含量比一般点位高， 甚至超出了硝态氮含量。 -4- 中国中国科技论文在线科技论文在线 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 西-1西-2西-3西-4东-1东-2东-3东-4东-5 采样点名称 含量（mg/kg） 铵态氮 硝态氮 图 4 底泥中铵态氮与硝态氮含量的对照 2.3 土壤全氮与有机质含量的分布关系土壤全氮与有机质含量的分布关系 土壤有机质和全氮含量都是衡量土壤肥力的重要指标， 它的变化基本能反映土壤肥力的 变化。土壤有机质的含量取决于有机物的输入量和输出量.天然湿地土壤中的有机质主要来 源于土壤原有机物的矿化和动植物残体的分解,有机质的输出量则主要包括分解和侵蚀损失, 受各种生物和非生物条件的控制[7]。 0 0.5 1 1.5 2 2.5 31314151718313233343638464953545557596566100101 采样点名称 含量（g/kg） 图 5 潘北矿土壤全氮含量水平分布图 0 5 10 15 20 25 30 35 31314151718313233343638464953545557596566100101 采样点名称 含 量 （ g/kg） 图 6 潘北土有机质含量水平分布图 -5- 中国中国科技论文在线科技论文在线 对比图 5 和图 6，显然可以发现土壤有机质含量的分布趋势与全氮含量的分布趋势是 有一定的一致。也就是说，有机质含量高的点位，对应全氮的含量也就高。只有潘北土 34 等少数的全氮含量与有机质含量分布不符合上述趋势。其中，采样点潘北土 100，虽然有机 质含量较高，但因其所在剖面位于水域旁边，受水体的干扰大，土壤中氮素以各种形态转移 到水中并随着水流流失，所以才会出现图 5、6 中土壤有机质含量高，而全氮含量反而低的 特殊情况。 2.4 氮释放模拟实验结果与分析氮释放模拟实验结果与分析 结合氮素释放实验结果， 计算其土壤释放累积量及占土壤初始全氮比例。 因为释放试验 的Ａ、B 土样都是混合土样，所以土壤初始全氮含量为该湿地土壤全氮平均含量，该湿地土 壤全氮平均含量为 1.146g/kg。处理结果见表 2. 分析表中数据可得 （1）释放初期，水中总氮浓度变化量很大，主要是扰动过大造成的。待释放稳定后， 释放速率较为稳定。 （2）土壤累积释放量最高仅为 13.221mg/kg，占土壤全氮初始量的 1.15。可见土壤氮 素的释放量是比较小的，在某些领域的研究中可不考虑其影响。 表 2 氮素释放的累积释放量 3 结论与展望结论与展望 3.1 结论结论 本文以淮南潘北矿的采煤塌陷湿地上覆水、底泥、土壤为研究对象，在研究区内设置多 个采样点，共采集水样 10 个，底泥样 9 个，土壤样 72 个，对研究氮素各形态含量、分布进 行分析，并取该湿地混合土样做氮素释放模拟实验，研究结果表明 -6- 中国中国科技论文在线科技论文在线 （1）上覆水中各形态氮浓度无明显的变化趋势； （2）底泥中氮素主要以有机氮形式存在； （3）季节性积水区与非积水区土壤各形态氮含量有差别； （4）在不受干扰情况下，土壤中氮的释放量很小； 3.2 展望展望 采煤塌陷湿地环境中氮素的生物地球化学研究不仅是湿地研究中的一个前沿领域,还是 生态化学的一个重要研究课题[8]。 采煤塌陷湿地氮的生物地球化学循环研究和解决的关键问 题是研究其物理过程、化学过程和生物过程及其相互关系以及这些过程与湿地功能,特别是 与煤矿开采的关系,并且预测采煤塌陷湿地变化可能带来的各种效应。 今后, 采煤塌陷湿地环 境中氮生物地球化学研究的重点应是氮的生物地球化学变化和湿地生态系统与周边生态环 境的耦合,定量化描述氮及其各种形态在湿地系统内外迁移转化的关系。进一步深入研究温 室气体 N2O 排放的浓度变化和对采煤塌陷湿地生态环境的影响。 参考文献参考文献 [1] 段中会.榆神府矿区环境地质问题及开发效应[J].陕西煤炭,2001,21-3. [2] 范立民,杨宏科.神府矿区地面塌陷现状及成因研究[J].陕西煤炭技术,2000,17-9. [3] 宋亚新.神府东胜采煤塌陷区包气带水分运移及生态环境效应研究[D].北京中国地质大学,2007. [4] 王洋等.湿地系统氮的生物地球化学研究概述[J].湿地科学,2006,4311-320. [5] 国家环保总局主编.废水监测分析方法第四版[M].北京中国环境科学出版社,2X2234-256. [6] 南京农业大学主编.土壤农化分析第 2 版 [M].北京农业出版社,198129-39. [7] 白军红,邓伟等.洪泛区天然湿地土壤有机质及氮素空间分布特征[J].环境科学,2002,23277-81. [8] 白 军 红 , 邓 伟 等. 霍 林 河 流域 湿 地 土 壤 碳氮 空 间 分布 特 征 及 生 态 效 应 [J]. 应 用生 态 学 报, 2003,1491494-1498. Distribution Characteristics of Nitrogen on Coal Mining Subsidence Wetland in Panbei Coal Mine Liu Si, Meng Qingjun School of Environmental Science mining subsidence wetlands; nitrogen; distribution 作者简介作者简介刘思，女，1987 年生，硕士研究社，主要研究方向是氮素的地球