土壤对氮的吸附特性研究论文

一、包气带土体生物地球化学特征

包气带土体的结构决定了它的功能，在的钻孔地质剖面中，以浅主要为粉质轻亚粘土及粉土，以深则以砂层为主夹有数层厚度不等的粉质重亚粘土层（表6-1）。

表6-1 试验场ZK1取样孔剖面岩性表

（一）包气带土体剖面微生物分布特征

地下的生物主要是微生物，且以细菌为主，约占微生物总量的70%～90%（钱易等，2000）。微生物的活动不仅能促进岩石、矿物的风化和有机物质的分解，而且在为地表和地下生态系统提供营养和传输物质中起着重要媒介作用。在对整个地球的碳、氮、硫、磷等生命元素的循环特别是在氮素的转化中微生物起着重要作用。地下的微生物种类很多，1 g土壤里的微生物就有几千万个甚至几亿个之多。对正定试验场包气带剖面97组土样作了细菌总数、硝化菌、固氮菌、反硝化菌和脱氮菌的培养鉴定，其随深度变化见图6-1，由此图可看出：5种细菌指标的生物活性变化趋势具有良好的对应关系。在土壤表层0～段，5种细菌指标除个别外，大多显示出由上至下总的递减规律，这和以往土壤学的研究结果是一致的，尤其是细菌总数从106降至103有3个数量级的衰减；但在～出现了一个异常峰值区段，而在～为相对低值区段，～为另一个高峰值变化段，～又为一低值区段，～的剖面末段曲线再次显示微生物活动增强。

图6-1 土样细菌指标随深度变化曲线

的包气带剖面微生物变化特征，一方面验证了以往在表层2m内随深度增加土壤有机质含量减少，微生物活动逐渐减弱的结论；另一方面也看出土壤中微生物分布不是简单的自上而下递减，即使是在2m以内也有波动。如处的细菌总数高于段2倍多。而在2m以下随地质结构的变化出现了微生物活动强弱交替的层段变化。

（二）包气带土体的物理化学指标

包气带土体的物理化学特性决定着微生物的环境特性，这些环境特性影响到微生物菌群的生存、繁殖、组合和作用强度。我们测定了剖面土样的含水量、TDS、Cl-和有机质含量。其随深度变化的特点如图6-2所示。

图6-2 土样物理化学指标随深度变化曲线

1.土体的水理性质指标变化特征

从土样的含水量指标随深度变化曲线看出：其变化特征具有显明的分段性。0～段，含水量均值为7%；～均值为18%；～均值为3%；～均值为20%；～均值为3%；～均值为17%。总体上为3个高值区和2个低值区与细菌分布的峰谷变化趋势一致。土体的含水量与沉积物颗粒粗细所制约的容水性及持水性密切相关，细粒岩土容水性及持水性均优于粗粒岩土，含水量大。另外，靠近地下水饱和带部位含水量往往受毛细作用影响而增大。

2.土体的地球化学指标随深度变化特征

（1）土样的TDS值反映沉积物的可溶盐含量，在剖面中它与含水量随深度变化曲线有较好的关联性。0～ TDS均值为829mg/kg，～为1300mg/kg，～为431mg/kg，～为916mg/kg，～段TDS含量介于800～300mg/kg之间，其均值为544mg/kg。土体的氯离子含量与上述曲线有类似的变化特征。

（2）土样的 、 、 、总氮和碱解氮含量随深度变化情况如图6-3所示。它们的曲线形态表征出包气带土体中各种形态的氮化合物含量在纵向上的变化具有较好的一致性。在土壤表层深度的样品，土壤总氮、碱解氮和 和 含量出现高值，尤以碱解氮明显，在～层段则呈减少趋势；除 外，在～其余4项指标含量都在一个高值区；～ 深度土壤各种氮化合物含量明显增高；～剖面位置上，各种氮化合物含量又处在相对较低的水平，在～水位变动带附近， 含量有所增加。

图6-3 土样氮化合物指标随深度变化曲线

（3）土体有机质含量是沉积环境及其演化的指示剂，随深度变化有机质含量在0～段从逐渐降至，均值为；～ 均值为，～均值为，～均值为，～均值为，与微生物分布对应良好。

综合各指标随剖面深度变化趋势，相互间存在着较好的关联性，曲线间的高值峰段与低值谷段的波动大都相吻合，多数曲线存在着4个峰值和2个低值区段。

第一个峰值段为0～，总特征是多数指标在的近地表段出现高值，而后由高值向低值递减，尤以土壤的细菌总数、有机质含量、总氮含量、碱解氮、亚硝酸盐、反硝化菌和固氮菌表现明显，其他指标变化较平稳。

第二个峰值段为～（主要由粉质轻亚粘土组成），虽然各指标变化幅度有差异，但大多呈现高峰值，特别是土壤含水量、硝酸根离子和氯离子变化较明显，硝酸根离子平均含量为全剖面之最高值。土体中 含量在该段未显示明显的富集特征。

第三个峰值段为～（主要由两层粉质重亚粘土夹薄层粉砂组成），所有指标在该段都显示出峰值特征，尤其是土壤含水量、5种细菌含量和 含量在该段出现高峰值（尤以～层段最高）。

第四个峰值段处于地下水位波动带，为～，土壤含水量与微生物5种细菌在该段都有增高趋势，尤以固氮菌、硝化菌、反硝化菌含量增高明显。

第一个低值段为～，第二个低值段为～，两层段都主要由中砂组成。在此两层段内，各指标均在不同程度上出现含量相对较低的特点，土壤含水量与细菌总数反映得尤为明显。

二、包气带土体剖面特征在氮转化研究中的意义

（一）活性层的生物地球化学作用

由一定比例粘粒成分构成的粘性土层，称之为活性层。这是由于粘性矿物与土壤的吸湿性、对离子及微生物的吸附性以及较高的有机质含量等有关，对土壤微生物生长、繁殖和含量具有很大影响，它成为土壤活性的根本性区带，为此我们把粘性土层称为活性层，它起着生物地球化学屏障的作用。如果说地球化学屏障是指表生带在短距离内迁移条件明显交替并导致化学元素浓集的地段，使元素和化合物由迁移状态变为非迁移状态，那么生物地球化学屏障除了具有浓集元素和化合物的作用外，还具有因活跃于此带的微生物作用促进元素或化合物的转化功能，尤其对氮元素价态转换的影响更为显著，因为氮循环过程中氮素转化的几个重要过程主要由微生物推动。在氮转化研究中把活性层视为生物地球化学屏障对理解和阐释包气带土体剖面的生物地球化学特征具有理论和实际的指导意义。

（二）生物地球化学屏障锋面的构成

与活性层交接的非粘性土层是活性层与非活性层岩性变化过渡地段，是生物地球化学环境的交界线，是相对好气层和相对厌气层并存的部位，形成生物地球化学屏障的锋面。根据它与活性层层位的上下关系，又可分为上锋面与下锋面。就我们所研究的剖面而言，位于粉质轻亚粘土之上的深度段的粉土层段、位于粉质重亚粘土层之上的深度段的中砂层段、位于粉质重亚粘土层之上的深度段的粉砂层段，以及位于粉质重亚粘土层之上的 深度段的中砂层段，均属于上锋面类型；位于粉质重亚粘土之下的深度段的粉砂层段则属于下锋面类型。在我们所研究的剖面上出现的高值峰区主要由生物地球化学屏障与其锋面组成。

从锋面的生物地球化学效应来看，上锋面更为显著。最典型的例子是深度的中砂层段和深度的粉砂层段，除pH值、TDS和Cl-含量外，大多数测试项目均显示了不同程度的高值异常，在诸异常中，尤以细菌总数的增加最为突出。锋面上异常的出现，可能与岩性过渡带通气层和厌气层并存形成了有利于生物地球化学作用的生态环境有关（如通气性、有机质、粒度成分、湿度等因素的贡献性搭配）。其机制问题尚需进一步探讨。

（三）活性层与非活性层某些生物地球化学指标的对比分析

为了研究活性层与非活性层某些生物地球化学特征上的差异性，选择3个厚度较大的粘性土层段和3个厚度较大的中砂层段，进行对比分析（表6-2）。

表6-2 粘性土层段与中砂层段地球化学指标特征

粘性土层段与中砂层段有机质与总氮含量之间具有各自的对应关系：在大多数情况下，前者有机质含量为，总氮量为 n%；后者有机质含量为 n%，总氮量则为 n%，上述对应关系反映了有机质含量与总氮含量的内在关系。

有机质含量和湿度是影响微生物生长和繁衍的重要环境条件，粘性土层正是具备优于砂层的上述条件，因此，在微生物含量上有明显的优势。除表层和接近含水层的砂层段外，在总体上粘性土层中各种菌的含量均高于砂层，尤以硝化菌和固氮菌的反映明显。由于地质剖面上土体粒度成分分布的不均一性以及微生物分布控制性因素的多样性，在剖面上微生物含量的波动较大。粘性土层与中砂层在地球化学指标上的差别如表6-2 所示，主要表现在：前者的TDS与Cl-含量较后者高出1倍多。TDS含量在粘性土层随深度减少，砂层则相反；粘性土层TDS分布所具有的反向演化（即随深度减小）特点，除与近地表人为影响有关外，是否还隐含着气候变化的信息？Cl-含量除～深度的层段外，在粘性土层与砂层均趋向正向演化，其变化幅度很小，这与Cl-的地球化学特点有关。 、 和 在两类土体层段的变化很好地体现了活性层与非活性层的生物地球化学作用的差异。粘性土层 含量最高可高出中砂层3倍之多， 含量可相差一个数量级，而 含量在总体上粘性土层略高于中砂层。

将不同深度的粘性土层的 、 、 含量加以比较可以看出：高值段分别出现在不同的深度上： 在～深度段； 在～深度段； 在～深度段。上述不同价态氮出现于不同深度的特点反映了它们对氧化还原条件的依附性。

需要指出的是：剖面上还出现了两个 含量的高值异常点，分别位于和深度中砂层的两个取样段，其含量分别为24mg/kg与35mg/kg，超出粘土层1倍之多。与上述两异常点相对应，出现全剖面仅有的两个pH值低异常点，分别为和。这是剖面上仅有的偏酸性环境， 特高值出现的机制与其所处的酸性环境有关。这是由于NH3的离子化（即离子化为 ）高度依赖于环境中的pH值，较低的pH值有利于 的积累（陈文新，1996）。

在上述几个地球化学指标中，TDS、 受控于颗粒的吸附性，而Cl-和 则很少受吸附性的影响。Cl-含量在两类土层和不同层位的变化除个别层段外，基本上是在一个数量级内波动。 则不同，其含量不仅有不同土层的变化，也有同一土类不同层段的变化，反映出它的积累过程与微生物分布紧密相关的特点。

（四）水位变动带与氮转化有关的菌群数量异常

异常带出现在薄层（）粉质重亚粘土之下、潜水面以上厚约的中砂层段，是在土体剖面上由包气带向饱水带转换的过渡空间内。它的特点是：与其上部中砂层段不同，粘性土层下的中砂层段的固氮菌、硝化菌、脱氮菌、反硝化菌在此砂层段内没有明显的衰减；硝化菌数超过上覆粘性土层段并达到剖面上粘性土层硝化菌数的最高数量级（107个/g）；脱氮菌、反硝化菌高点值也高出上覆粘性土层的细菌数，形成了以上述菌群活化为特征的微生物垒。另外，与其上部的中砂层段不同，其含水量高出一个数量级，达到粘性土层含水量的量级。在这个层段上还出现了 含量增高的趋势。

将上述异常与所研究的各项指标对比分析，此砂层段的含水量是此异常带可与粘性土层的水理特征相比拟的指标。含水量是否为此层段菌群数量异常的贡献性因子？这只是统计学相关的分析。控制微生物分布的因素很多，复杂的机理问题还需多学科联合深入研究。

三、小结

（1）包气带作为层圈相互作用及由地表向地下传输物质和能量的过渡带，生物地球化学场态研究和开发对评估和防治地下水污染以及进行环境演化和全球变化对比研究具有重要的科学价值。

（2）不同价态的氮及其相关的微生物含量，在包气带土体剖面上随深度的分布不是一个简单的线性递增或衰减。它们在剖面上的丰度波动及其递增和衰减的幅度受土体组构特点的制约。不同粒度成分土体在剖面上的配置关系以及包气带厚度、水位变动带岩性组成及其幅度均对生物地球化学场及其变化产生影响。

（3）在包气带剖面上，不仅自上而下存在着纵向的层间氮转化过程，也在不同的层段内部进行着强度不等的氮素形态转化。只有深入研究上述两个侧面氮转化的机制，才能全面认识氮在地质大循环基础上的地区和地段的生物地球化学小循环特征。

（4）包气带土体剖面上由活性层及相邻土层构成的生物地球化学屏障和锋面及水位变动带的微生物学特征，为氮素污染地下水的阻控以及污染土体（如有机化学物质污染等）的原位生态修复研究开辟了新的思路。

（5）包气带剖面中各项测试指标与其地质结构的对应关系揭示它们对研究区环境演变具有记忆效应，这些指标的提取对认识环境演变过程非常重要。也就是说，包气带中储存着更多环境演变研究的可提取信息，若能展开系统研究将对全球变化影响的对比具有重要意义。