文摘

地下渗透和表面bioretention组成的系统工程和/或本地土壤雨水管理的首选工具。然而,当地土壤的干扰,尤其是在添加修改的过程提高入渗率和污染物去除,可能导致释放这些系统的早期生活的营养。这个项目调查了两种土壤养分释放,一个扰动,另一个不受干扰的。扰动土收集完整,但被风干,列改装当土壤收缩引起绕过水沿着墙壁的列。原状土是收集和使用完好无损,没有重新打包。扰动土显示高版本的氮和磷的原状土相比大约0.4和0.8米的径流加载,分别。原状土的氮释放被推迟,表明土壤扰动加速氮的释放在很短的时间内。离开土壤未扰动导致较低但仍偏高废水氮浓度在较长一段时间。磷,这些结果证实了先前的研究表明,土壤,如果证明是磷在生育能力测试中,可以去除磷径流即使打扰。

1。介绍

减少雨水径流的体积达到已经退化的城市流,在美国许多地方要求或鼓励使用绿色基础设施。渗透是一种绿色基础设施/低强度开发的主要组成部分,因为它恢复的一些自然水文功能城市化地区通过引入水地下水,通过表面或地下设备。渗透系统也有可能消除一些污染物的运输在城市径流和减少放电表面接收水域通过污染物之间的相互作用和渗透媒体。许多国家指导文档描述理想的媒体特征污染物去除。

一个问题与严重依赖渗透系统对污染物去除地下水污染的可能性。论文的皮特et al。1,2和克拉克et al。3]包含广泛的文学评论已知和模拟雨水入渗对地下水水质的影响。克拉克和皮特4)说明两个层次的建模,可以评估是否执行地下水污染是一个问题,,如果是这样的话,多久之前估计污染物进入地下水。

的焦点从雨水入渗对地下水污染的研究一直在雨水污染物的命运。很少有人注意到媒体组合的组件本身。指导文档通常指定本地土壤被纳入媒体的混合物。首先,这个假设,或要求测试证明,原生土壤不受污染。其次,它假设扰动土壤将更多的有机物质和/或砂提高切除和液压稳定不会有负面影响的水通过过滤器。

浸出的营养已经观察到从新建渗透设备(5- - - - - -7),以及从工程过滤媒体8]。这浸出被认为是有关增加有机物通常添加到原生土壤(如添加堆肥冰碛物导致磷出口增加,报道在皮特et al。9])。然而,使用阿格里科拉数据库的文献综述土壤养分释放显示本地土壤的扰动也可以释放营养物质。例如,减少耕作土壤中养分观察池(10)的减少与土壤的破坏化学键(11]。这些债券之间的破坏土壤总量减少土壤大孔隙,体积密度增加,减少水力传导率,效果可以存在几十年(12,13]。从土壤水运动的增加和删除的污染物入渗雨水渗透的重点是系统设计师,扰动的影响应该关注的。本研究旨在解决两个问题:污染物释放的大小媒体和暂时性的释放。

2。材料和方法

选择土壤测试是一个从中央宾夕法尼亚沃顿商学院粉砂壤土。,21 ten-centimeter列土被包裹在直径0.8米长度PVC管和删除从采样站点完好无损。集合地点是一个倾斜的字段与浅层土壤,小于1米的基石。目前,土地作为草坪维护但有农业活动在过去和耕作可能发生。可见O地平线3厘米深,但夸张的7.5厘米的地平线阿列保持土壤完好无损;最后O层由可见O层和过渡到地平线。A和B的视野是适度的岩石。一旦列回到实验室,土壤剖面被切掉的部分分为层包裹的顶部或底部的土壤,根据所需的地平线进行测试。五列用于每个层组(O, A, AB,和整个配置文件)的测试与一列作为控制或预试土壤条件。植被与列被提取的土壤表面和删除。 The vegetation was not weeded because of the concern for disturbing the soil.

在两天内返回土壤实验室和分开列成指定的视野,这是观察到的土壤减少了远离所有列管的墙壁。新样品在同一位置;然而,尽管他们覆盖保持水分在土壤剖面中,观察收缩。因此,第二个当地土壤pH值相似的质量和有机质含量,在美国农业部报告/ nrc土壤调查,与类似的地理位置和可访问性,选择与粉砂壤土进行比较。土壤的选择是一个Leetonia壤质砂土,再从宾夕法尼亚州中部(表收集1)。都被列为中等土壤排水良好的排水。列的Leetonia壤质砂土收集从一个树木繁茂的猎场,节约15米从木材收获着陆和100米从废弃的矿山。O地平线是10厘米深,几乎完全由根的落叶森林的树冠落叶森林草甸草地物种的质量。删除落叶后,可见O地平线大约是7 - 8厘米深。一个地平线很主要是岩石和桑迪免费。令人费解的压实是遇到的深度约30厘米。

如前所述在表1两者之间,cec不同土壤肥沃的砂有更高的含砂量,应该减少收缩。因为关心这次调查营养浸出,更重要的是,有机以来的有机质含量是相似的内容应该是氮和磷浸出的主要来源。当这些样本回到实验室,每个分析了土壤地平线确认信息中发现美国农业部土壤调查。这些结果也包括在表中1。

粉砂壤土土,实验室扰动由从列中提取土壤,分离成7.5厘米层,空气干燥,改装没有从土壤的重量压实,除了以上任何层。虽然这个过程是更严格的并不比现场压实土壤渗滤系统的建设,它的意图是相似的。

这个项目的测试水是雨水径流收集从宾夕法尼亚州立大学哈里斯堡校区。大约一周一次,600毫升(相当于75 mm的土壤表面径流)被分发到每一列。鉴于大多数渗透系统被设计在一个5:1或10:1加载率,这75 mm的径流在土壤表面相当于15毫米或7.5毫米的径流排水区域。这些“事件”是远小于一个典型设计径流事件;这个小加载被选为了评估养分释放的变化在较小的时间步长确定的时间长度(测量水荷载)的养分释放可预期。通过列由重力只有渗透;没有人工压力应用于列的顶部或底部。液压压头之间保持2.5和7.5厘米。各土壤类型总共收到了40模拟风暴事件的一年。

样品的入渗和污水收集每一列每周和废水卷记录。水质测试包括的pH值和电导率、总硬度(钙/镁)滴定法、浊度、颜色、总氮、总磷(磷酸盐),钾和硫(硫酸)。所有样本收集和分析根据美国EPA协议和/或批准水和废水的标准检测方法(14]。

在项目的开始和结束,加上在整个项目中四次,每个代表测试组的列(OAB, O, a, AB)牺牲的土壤测试宾夕法尼亚州立大学农业科学学院农业分析服务实验室。每个牺牲列被细分为7.5厘米段和测试土壤pH值、可溶性盐,通过燃烧总碳和总氮,磷,钾,镁,钙,锌,铜,硫Mehlich 3提取和ICP分析。

下面的数据代表了比率的影响浓度的废水。值大于1表明,土壤释放营养物质,而值小于1表明从支流的水去除。因为这是两个不同的土壤而言,美国农业部土壤结构类和化学特征,他们不能进行比较统计。

3所示。结果与讨论

本文侧重于营养释放从每个两种土壤类型和有机(O)和矿物(AB)视野由于养分释放的问题对地表和地下水污染。完整的数据集可能会发现在Treese [15]。因为两个土壤不同萃取深度,下面的图表和讨论是基于共同的位置在土壤剖面。O层数据对应的结果0 - 7.5厘米的土壤,而AB地平线对应于15 - 22.5厘米的结果部分。

3.1。总磷(TP)

图1(一)比较了磷废水质量趋势的O视野两个土壤。最初,有机层的土壤磷释放。然而,扰动土有更高版本(2.5到3倍的影响),直到大约0.4米的雨水被应用。原状土也有较高的初始磷废水浓度(大约1.5倍的支流)同样的0.4 m的雨水,但这是大约一半的扰动土的价值观。0.4后的雨水已经应用,不安和不受干扰的性能有机视野是没有区别的。过量的磷洗迅速从土壤剖面。这两个视野的土壤肥力测试发现这些土壤中过量的磷为典型的农作物。这表明有一个水库磷的浸出。初始土壤P含量表明,扰动土有大约两倍原状土磷,磷释放归因于只有扰动是不可能的。

图1 (b)比较了两种矿物的视野。一般来说,两种土壤的矿物层提供了一些去除磷,与更大的去除与原状土被看见。矿物层移除大约50%的总磷申请应用于扰动土原状土和30%。因此,渗透系统,结合有机和矿物层将去除磷略,即使扰动。然而,提取和重用只有有机和表层土(A层有机浸出发生)层可能导致没有删除或从土壤中磷的释放如果不被任何植被。因为土壤可抽出的磷的浓度大,这个初始的磷释放到传递水是不可见的减少土壤磷浓度分析(图2)。

一般来说,这些结果与文献一致长期农业和森林土壤中磷的行为,虽然没有之前的研究调查了磷的短期行为,在这项研究中使用的分辨率。粉砂壤土初始磷含量高于了壤质砂土(两倍),预计将因为壤质砂土有更多的沙子的混合物。然而,壤质砂土初始有机物含量要高得多。对于磷,这更高的初始浓度和土壤的扰动影响非常有限的累积负荷(0.4米)。这个同意Boem et al。16)观察到没有差别在总磷,磷,或磷吸附索引上5厘米的耕种和免耕农业土壤尽管OM总额增加了14%,增加56%的颗粒OM免耕土壤。这表明有机质含量可能不影响磷浸出。

这些结果也说明初始磷含量的影响土壤磷释放。两土壤有机层的最初版本,和删除通过水的矿物层。保留的磷增加了地下土壤已经注意到以前在森林土壤17)和免耕农业土壤。它被认为是由于地下土壤和磷(没有饱和18]。这个清除地下一层最近一直与其他因素相关。不同磷保留的矿质土壤层与土壤矿物学,通过改进保留被aluminum-bearing矿物质(19]。钙、镁和铝对磷已被证明有一个直接影响保留与阳离子交换量有机地平线,pH值,碳酸盐,有机碳、含砂量,泥沙含量和粘粒含量间接相关性(20.]。这似乎是一定程度上是由于calcium-phosphate-clay水泥的形成土壤总量(之间的桥梁21]。干扰分解较大的土壤团成更小的粒子,增加可用的表面积与水反应。这些反应包括水化和离子交换。这些表面反应改变表面化学,打破债券(11),这可能导致过量释放的钙(10]。专门为工程bioretention土壤,亨特et al。7)建议与较低的土壤P索引值,转化为土壤被认为是缺乏磷在土壤肥力测试。这些土壤的有机层被认为是足够的或高磷含量对土壤肥力而矿物层被认为是有缺陷的。

最初的迅速减少废水磷浓度升高在这项研究与观察到的趋势密切相关的其他元素淋溶扰动土的有机层+总离子电导率测量的趋势(数据没有显示)。磷,看来扰动可能没有对磷释放的影响本身,而是最初的磷释放结果从最初的土壤浓度超过植物的需求。初始发行版中更高的土壤;然而,0.4米的径流加载径流将少于预计将在一个大风暴。

3.2。总氮

相比,总磷、总氮的最初版本的有机和矿物视野扰动土非常高(影响浓度100倍),持续了大约两倍的时间(大约0.8米的径流负荷),尽管低氮初始浓度的扰动土(图3)。与总磷的结果相比,原状土看见延迟高总氮的释放。磷的释放减少或保持不变,而总氮看到大约0.4米的径流加载后增加。这延迟释放表明可能是一个水库的氮用于释放和吸收的植物,但是它的交通通过土壤推迟原因待定。土壤的扰动加速释放可能打破化学键,扣留了氮在土壤剖面。此可用氮被释放后,它会迅速退出列和氮废水浓度渐近接近入渗的浓度。没有打扰的土壤似乎减少这个版本但并不妨碍它的大小。图4说明土壤氮浓度的变化的函数加载。干扰的土壤,似乎没有趋势土壤氮浓度;然而,原状土的,可能会有轻微的减少土壤氮相对应的延迟高氮释放这个土壤。由于缺乏土壤分析复制在个体水载荷,将需要额外的分析来证实这一趋势并记录它的大小。

这个较高的污水浓度的扰动土列发生尽管最初O层氮浓度和总扰动粉砂壤土土的有机质含量大约60%的浓度不受干扰的壤质砂土。氮的释放土壤干,已筛,然后重新安置已经发表和与氮的贡献(12 - 27%)上2厘米的耕种和免耕土壤免耕土壤的大版本高有机质含量(22]。看来,立即引起的干扰和非常高的粉砂壤土的绑定氮的释放。原状壤质砂土的有机层只会逐渐开始释放氮作为结构退化(23),或者更有可能的是,任何剩余的落叶分解。这些结果与谢长廷和戴维斯(相比之下6),他发现硝酸盐去除有机物增加而增加的媒体组合。这些结果表明氮释放大幅提高在有机层的扰动和原状土壤,初始氮和有机质含量越高。

4所示。结论

最初的一些测试参数的大量浸出粉砂壤土土列,风干和改装,可能像后发生渗透的建设单位。的初始释放养分渗透系统媒体建立植被(之前已经观察到24),应该被视为一个问题,即使短期看来,这个版本的。氮释放干扰粉砂壤土土列快速下降,但初始升高浓度远高于美国环境保护署的饮用水标准。植被可以减少这些问题,甚至在工厂建立阶段,至少在根区域的深度。然而,这个版本预计将地下渗透系统,例如干井和任何土壤干扰设备,如多孔路面以下。

磷浸出与暗渠bioretention系统中的一个问题,认为是由于干扰5)或最初高磷含量在有机媒体(7]。这些结果表明,有机层浸磷的来源,但较低的土壤视野展览去除干扰。给定的初始扰动土壤磷含量越高,看来初始磷释放可能主要初始浓度的函数用于发布。缺乏切除和O地平线废水浓度仅略有升高,当结合磷的去除较低的视野,表明除磷是独立于有机质和依赖于一个或多个组件的矿物质。

这项研究,关注土壤媒体的早期生活,表明有可能与养分释放早期风暴事件的担忧。原生土壤的渗透,这一研究强化了需要评估是否需要土壤扰动或者一个地区是否具有良好的渗透应该安静的离开了。当结合克拉克和皮特的结果(25)养分释放的有机物,如果媒体是厌氧的有机组成部分,这些结果表明,有机渗透系统媒体内容应限于植物生长所需。地下系统,应该限于需要提供所需的污染物去除量在维修前设备的寿命和媒体替换。这些结果表明,有机层的有机质含量发生氮释放的足够大,对于unvegetated系统,有机质含量应该最小化。