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使用化学融雪剂清除道路积雪具有操作简便、价格低廉、效果优良等特点,对缓解交通压力,减少因积雪产生的事故发生率,方便人们出行均具有积极意义,但大量使用亦会对环境造成严重危害。基于目前融雪剂在我国北方地区的普遍应用及使用后环境负效应的日益突显,本研究在野外调查及取样分析的基础上,研究了融雪剂在路域土壤中的迁移、扩散及残留影响,并通过室内控制性模拟实验,以常用无机盐融雪剂的主要成分NaCl和东北地区典型土类黑土、黄粘土为研究对象,对其在不同浓度及用量作用下的主要土壤过程、环境效应及影响因素进行了定量分析,主要研究结论如下:
⑴对我国吉林省多条常年使用NaCl型融雪剂的高速公路路域土壤的调查取样发现:融雪剂对土壤的影响以溶液电导率及土壤Na+、Cl-含量的显著增加为主要特征,并出现明显的盐化及钠质化趋势。融雪剂对路域土壤的横向影响范围为距路基3m范围内,而对土体纵向影响的深度范围则因各路段土壤理化特性及环境条件如降雨量、坡度等因素的不同而深浅不同,无明显规律可循。通车仅一年但融雪剂用量最高(17.3 t/km)的江延高速,其表土EC值和Na+、Cl-的含量分别是未受融雪剂影响土壤(路侧排水沟以外)的24.3倍、50.9倍、168.1倍,SAR值(钠吸附比,Sodium absorption ratio)达17.4,已明显钠质化。
⑵通过设置初始浓度跨两个数量级(10~800 mg/L)的土壤静态吸附、解吸实验,揭示了两种典型土类对Na离子的吸附、解吸特性,发现黑土和黄粘土分别在>200mg/L和>20 mg/L的外源Na浓度下开始吸附Na离子,土壤对Na离子的吸附量及吸附后的解吸量均随外源Na离子输入浓度和水土比的增加而增大,相同外源Na输入条件下,黄粘土对Na的吸附量始终高于黑土,而解吸量则显著低于黑土,表现出较强的Na亲和力。随着溶液Na离子浓度的增加及Na离子吸附过程的进行,Ca、Mg、K三种交换性阳离子则随之解吸至土壤溶液,解吸量始终表现为Ca>Mg>K,该过程所引起的土壤Na/Ca比值的增加将直接导致土壤结构破坏、养分淋失并出现钠化和碱化特征。四种等温吸附方程IM方程、Henry方程、Freundlich方程和Temkin方程均能较好的拟合黑土和黄粘土的等温吸附特性,以Henry模型的拟合度最好,基于不同方程对土壤吸附特性的解释与现象的一致性,可将其较好的应用于氯化钠型融雪剂的土壤效应评价。
⑶高浓度氯化钠溶液对土壤的渗透淋溶可导致土壤碳库容量的降低。去离子水淋洗条件下,土壤碳素淋失以少量的无机碳为主,占碳流失总量的73%(CV=6.5%),最高达82%,而NaCl淋溶条件下,碳素淋失则以有机碳为主,且有机碳的淋失比例随盐浓度的增加而增加,10%NaCl和15%NaCl淋溶条件下,有机碳淋失量分别占总碳淋失量的64%(CV=21%)和69%(CV=22%);本实验条件下,当NaCl浓度为15%且淋溶体积为2.4~3.5液土比时,土壤总碳,特别是有机碳的淋失浓度随淋溶体积的增加而急剧上升,表明该条件是导致土壤有机碳快速且大量流失的主要作用条件。
⑷不同浓度的NaCl溶液在向土壤渗透的同时,可通过阳离子交换作用和淋溶作用造成土壤盐基离子的大量淋失,从而对土壤的养分环境造成破坏。去离子水淋洗条件下,黑土和黄粘土中仅少量的水溶态盐基随水流失,而盐洗条件则会导致土壤中大量吸附态K、Ca、Mg的淋溶损失。不同浓度NaCl溶液淋溶条件下,两种土壤的盐基淋失总量均表现为Ca>Mg>K,其中Ca、Mg淋失总量随淋洗液浓度和体积的增高而显著增高,最后趋于稳定,淋洗浓度越大,达最大淋失量所需的体积越小且时间越短,当淋溶液浓度增高到一定程度时(黄粘土>5%,黑土>10%),浓度变化将不再成为影响土壤Ca淋失量及淋失时间的主要因素,K离子达最大淋失量的时间远远滞后于Ca、Mg,淋溶液浓度越高,淋失量随体积增加的增幅越大。
⑸去离子水的连续淋溶可使两种土壤的渗透速率逐渐降低至较低水平,而不同浓度钠盐淋洗条件下,黑土的渗透速率随淋溶体积的增加基本恒定不变,且普遍高于去离子水淋溶的渗漏速率,黄粘土在低浓度下(≤1%NaCl)的渗透速率随体积的增加逐渐降低,而在较高浓度下(≥2.5%NaCl),渗透速率基本恒定不变,然后经不同浓度Na盐淋洗后的土壤已基本不具备透水性能,其渗透性能已明显丧失。
⑹不同浓度钠盐淋洗后,黑土、黄粘土的酸碱性可分别由原来的微碱性(黑土pH7.8)和中性(黄粘土pH6.5)逐渐转变为极强碱性(pH>10),表现出随NaCl淋溶浓度的增大而碱性增强的趋势,该过程在破坏土壤自身环境质量的同时也可对地表植物的生长产生盐分胁迫、碱性胁迫以及Na离子的单盐毒害作用,从而对地表植被覆盖造成不利影响。