陳建平 張會杰 白楊 王舒
摘要:以下遼河平原典型水稻種植區為調查范圍,通過對水稻包氣帶土層對磷的吸附-解吸動力學定量試驗、磷吸附量與解析量的線性回歸研究及水稻土對外源磷的緩沖能力分析,得出磷在下遼河平原水稻土包氣帶土層中的吸附-解吸規律,為研究磷素在土壤中的垂直遷移規律及下遼河平原地區土壤和地下水的磷污染防治提供了科學的理論依據。
關鍵詞:磷素;吸附-解吸;磷遷移;磷污染
中圖分類號: S153.6+1文獻標志碼: A文章編號:1002-1302(2014)01-0312-04
收稿日期:2013-06-21
基金項目:國家“973”計劃(編號:2010CB428801)。
作者簡介:陳建平(1971—),男,山西保德人,博士,副教授,主要從事環境工程和地質工程等方面的教學和科研工作。E-mail:cjplgd@126.com
通信作者:張會杰,碩士研究生,主要從事污水處理方面的研究工作。E-mail:mizh@ihep.ac.cn。磷素是植物生長過程中不可缺少的營養,也是水體富營養化的重要物質,其在土壤中的垂直遷移與地下水環境關系十分密切,造成地下水污染的狀況已經引起了世界范圍的普遍關注。國內學者研究發現磷肥的施用量與它們淋洗進入地下水所造成的污染貢獻值呈顯著的正相關性[1-2]。為了深入了解磷素在土壤中的垂直遷移機理,從土壤對磷的吸附解析特性角度出發,本研究選取下遼河平原典型水稻種植區為調查范圍,通過對水稻包氣帶土層磷的吸附-解吸動力學的定量試驗與線性回歸分析,深入地了解磷在水稻土包氣帶土層剖面的吸附-解吸規律。對了解磷對地下水污染的機理,消除地下水污染對人類健康的威脅以及制定合理的農業活動方法,具有重要的理論和現實意義[3]。
1材料與方法
1.1供試材料
土壤:對沈陽市三面船鎮、六間房、瓦房、大民屯4個地方的典型水稻種植區域分別進行采樣,采用以每份多小區、多點混合的方法對土壤剖面樣品進行采集。根據土壤剖面的形態特征,每隔20 cm取1層樣(土層剖面深度為0.8 m),混合等層次2個土壤平行樣點的剖面土。采集的樣品帶回實驗室風干,清理雜物,并用四分法對角取2份混合放在塑料袋里,注明采樣地點、深度、日期,同時做好采樣記錄。用瑪瑙缽研磨至粉末狀,用四分法過60目篩,裝袋備用待測。并測得土壤的理化性質(表1)。
1.2試驗方法
1.2.1磷素吸附動力學試驗稱取1.0 g風干土壤樣品若干份,置于100 mL三角瓶中,向三角瓶中分別加入用 0.01 mol/L 的CaCl2溶液(堿性土壤加0.01 mol/L的KCl溶液)稀釋到含磷濃度為30 mg/L的KH2PO4 溶液20 mL,液土比為 20 ∶1,再加入2~3滴氯仿抑制微生物活性。加塞后在25 ℃條件下以150 r/min的轉速恒溫振蕩,分別振蕩0.25、05、1、2、4、6、8、10、12、18、24 h,然后將樣品溶液倒入離心管,3 000 r/min 離心10 min,取樣品上清液過0.45 μm濾膜抽濾,用鉬銻抗比色法測定濾液中PO43-濃度,按吸附前后的濃度差計算吸附量。在相同條件下作2個平行試驗,相對誤差<5%。磷吸附量計算公式:
Q=(C0-C)×V/m(1)
式中:Q為吸附量(mg/kg);C0為初始量濃度(mg/kg);C為平衡濃度(mg/L);V為加入樣品中的溶液體積(mL);m為土樣干重(kg)。
以時間(h)為橫坐標,吸磷量(mg/kg)為縱坐標做吸附動力學曲線。結果為2個平行試驗的平均值。
1.2.2磷素解吸動力學試驗操作過程:(1)磷吸附飽和試驗:稱取風干土樣1.0 g若干份,置于100 mL的三角瓶中,向三角瓶中分別加入用0.01 mol/L的CaCl2溶液(堿性土壤加0.01 mol/L的KCl溶液)稀釋到含磷濃度為30 mg/L的KH2PO4溶液20 mL,液土比為20 ∶1, 再加入2~3滴氯仿抑表1下遼河平原不同地區不同深度土壤的理化性質
2結果與討論
2.1水稻土對磷的吸附動力學特征
水稻土對磷的吸附動力學曲線如圖1所示。
圖1顯示了下遼河平原4個種植區域的水稻土壤對溶液中磷吸附的動力學過程。由圖1可見,下遼河平原不同區域的水稻田包氣帶各土層對磷的吸附曲線形狀差異并不大,且土壤對溶液中磷的吸附具有相似的變化趨勢,即在吸附的初期階段中,隨時間的增加吸附量也在增大,動力學曲線呈陡增趨勢,隨著時間的延長,吸附作用變得緩慢,曲線趨于平緩。基本上是在前6 h內,稻田土壤對磷的吸附具有較大吸附速度, 6 h之后,吸附漸漸變慢, 而在24 h之后包氣帶各土層對
磷的吸附基本達到平衡,這與劉敏等[4]和Lopez等[5]的研究結果一致。從動力學曲線還可以看出三面船、六間房、瓦房地區不同土層的磷吸附量差別較大,大民屯地區不同土層對應的磷吸附量變化不大,這與這些地區不同土層的理化性質相關。含黏粒多的土層磷的吸附量大,反之吸附量會小。
試驗結果表明,下遼河平原典型水稻土壤的磷吸附解吸特性在前2 h內,加入的磷有近60%被吸附,屬于較快的吸附階段。快吸附反應可能是由于土壤顆粒表面的吸附點位周圍聚集的大量無機磷酸根離子與土壤本身的膠體表面吸附點位上的羥基(M-OH)或水合基(M-OH2)配位體交換,反應迅速,有利于吸附的快速進行。此外,在吸附過程中,振蕩1 h的樣品對磷的吸附量反而比振蕩0.5 h的吸附量小,可能因為在強烈的振蕩作用下土壤膠體的結構被破壞,導致最初吸附在土壤膠體表面上的HPO42-又重新被釋放到溶液中。而超過1 h后,土壤膠體表面的吸附點位雖然逐漸趨于飽和,但是所吸附的磷酸根離子又向土壤膠體的亞表層、內層內逐漸滲透,導致1 h后吸附量又成上升趨勢。endprint
2.2水稻土對磷的解吸動力學特征
解吸是一個比吸附更為重要的過程,水稻土對磷的解吸狀況將直接影響磷在土壤中的有效性和對所在地區域內水體的危害性[6]。磷解吸過程也可劃分為3個階段,一是快速解吸階段;二是慢速解吸階段;三是解吸動態平衡階段。
由圖2可知,隨著振蕩時間的延長,解吸量逐漸增加,振蕩時間在0~1 h內,磷的解吸量較大,尤其是在0.5 h之內,大約有80%的磷素通過溶解和解擴散2個過程釋放出來,在2~4 h,解吸的磷量達到總解吸量的90%以上。隨著振蕩時間的延長,磷的解吸量增加趨于緩慢,因此可確定2~4 h的振蕩時間基本上可反映出磷從土壤中解吸的動力學過程。同一地區不同層的土壤中吸附態的磷素一般隨深度的增加解吸率有所增加,這種情況有利于磷素在土壤剖面中垂下移。不同地區各層土壤對磷的解吸量有較大的差異,這與土壤的理化性質有關。
綜合4個區域水稻土的磷解吸過程動力學特點,可總結劃分出下遼河平原4個區域水稻土解吸的3個階段:(1)快速解吸的階段。主要集中在0~2 h內;(2)慢速解吸階段。即2~6 h或8 h內;(3)解吸動態平衡階段。即8 h或12 h以后。快速階段解析速率分別是慢速、動態平衡階段的10~20倍和60~100倍。
2.3水稻土對外源磷的緩沖能力分析
2.3.1吸附動力學曲線和解吸動力學曲線的擬合用方程y=a+bx擬合解吸動力學曲線與吸附動力學曲線的關系,相關分析表明,土壤的解吸量與吸附量均呈極顯著或顯著正相關(表2中,斜率b為單位吸附量的解吸量,b值越大,表明該土壤對外源磷的緩沖能力越差),平均解吸率與b的相關性達到極顯著水平,按照b均值比較供試的各區域土壤對外源磷的緩沖能力由小到大的順序為:三面船(1.531 25)<大民屯(1.371 88)<瓦房(0.235 48)<六間房(0.202 08)。在施入的磷肥濃度超標、超量的情況下,則會導致磷素在滲入水流的作用下淋溶至地下水,對地下水造成污染。土壤對外源磷的緩沖能力越差,對地下水污染造成的潛在風險越大。
2.3.2土壤的理化性質對磷解吸的影響從動力學曲線還可看出,不同地區各層土壤之間吸附-解吸率差異較大,這可能與不同層土壤本身的理化性質不同有關[7-8]。因為解析存在滯后的現象,從環境科學的角度看,磷素的解析過程比吸附過程更為重要,因為它不僅與其對作物的有效性有關,而且還與環境水體污染問題關系密切。所以有必要研究土壤的理化性質對磷解吸的影響。
特性很明顯直接影響著土壤對磷解吸的能力,是磷釋放的影響因素之一。試驗表明,土壤中細顆粒尤其是黏粒對土壤磷解吸具有重要的作用,含黏粒少的水稻土壤在吸附量較低的情況下解吸出較多的磷,而吸附量大的含黏粒多的水稻土壤解吸磷量反而較低。雖然有機質含量對磷的解吸影響不是很穩定,但是從某種程度上也制約著下遼河區域水稻土對磷的解吸。一般情況下有機質含量低的土壤,解吸率偏高,有機質含量高的土壤,解吸率偏低。以沙土類型為主的瓦房地區的平均解吸率要比其他區域高,說明質地較輕的含沙性的水稻土壤在吸附量較低的情況下解吸出較多的磷。可見,沙土區域的磷流失風險高于其他土壤類型的區域。
綜上所述,在下遼河平原地區,應加強對水田的磷肥施用管理,因地制宜施肥,尤其是對三面船、大民屯等對地下水污染潛力較大的地區來講,應加大施肥管理力度,以免造成對土壤環境及地下水的污染。
3結論
吸附動力學曲線表明下遼河平原不同區域的不同深度土層的水稻土對磷的吸附曲線形狀差異并不大,且土壤對溶液中磷的吸附具有相似的變化趨勢,即在吸附初期,吸附量隨時間增加而增大,動力學曲線較陡,隨著吸附時間的增加,在前6 h內,稻田土壤對磷的吸附具有較大吸附速度,6 h之后,吸附漸漸變慢,吸附基本達到平衡。由于不同深度土層的土壤黏粒含量不同,造成不同深度的土壤對于磷素的吸附量不同,由淺層至深層,土壤對磷吸附量減小。
不同地區的水稻土壤解吸過程在前2 h基本完成。吸附的磷在一定程度上被部分解吸出來,隨吸附磷量的增加,解吸磷量亦有增加的趨勢。通過對解吸量與吸附量線性回歸分析表明,水稻土包氣帶土層土壤的磷解吸量與吸附量均呈極顯著或顯著正相關。這為準確地掌握下遼河平原水稻土對外源磷的緩沖能力提供了理論依據。
土壤黏粒與有機質均對土壤磷的解吸有一定的影響,土壤層黏粒與有機質含量越高,解吸能力越差。有效的防控措施既要注重治理或阻斷化肥污染的源頭,又要重視與之相伴存的環境載體通過復雜的化學、生化及物理過程在土壤界面的吸附與解吸過程中的緩沖、防污能力的研究,才能更易于解決污染問題。
參考文獻:
[1]張新明,李華興,劉遠金. 廣東省主要母質發育水稻土對磷的吸附特性[J]. 應用生態學報,2000,11(4):553-556.
[2]晏維金,亢宇,章申,等. 磷在土壤中的解吸動力學[J]. 中國環境科學,2000,20(2):97-101.
[3]曹志洪,李慶逵. 黃土性土壤對磷的吸附與解析[J]. 土壤學報,1988,25(3):218-226.
[4]劉敏,侯立軍,許世遠,等. 長江河口潮灘表層沉積物對磷酸鹽的吸附特征[J]. 地理學報,2002,57(4):397-406.
[5]Lopez P,Lluch X,Vidal M,et al. Adsorption of phosphorus on sediments of the Balearic Islands(Spain) related to their composition[J]. Estuarine Coastal and Shelf Science,1996,42(2):185-196.
[6]Djodjic F,Borling K,Bergstrom L. phosphorus leaching in relation to soil type and soil phosphorus content[J]. Journal of Environmental Quality,2004,33(2):678-684.
[7]杜建軍,張一平,白錦鱗,等. 陜西幾種土壤磷吸附特性及溫度效應的研究[J]. 土壤通報,1993,24(6):21-24.
[8]呂家瓏,張一平,張君常,等. 陜西幾種土壤磷吸附動力學特征及過渡態理論應用的研究[J]. 土壤通報,1997,28(3):17-20.姚茹,黎小正. 廣西沿海主要貝類養殖區海水、表層沉積物及近江牡蠣體內重金屬鎘監測與評價[J]. 江蘇農業科學,2014,42(1):316-318.endprint
2.2水稻土對磷的解吸動力學特征
解吸是一個比吸附更為重要的過程,水稻土對磷的解吸狀況將直接影響磷在土壤中的有效性和對所在地區域內水體的危害性[6]。磷解吸過程也可劃分為3個階段,一是快速解吸階段;二是慢速解吸階段;三是解吸動態平衡階段。
由圖2可知,隨著振蕩時間的延長,解吸量逐漸增加,振蕩時間在0~1 h內,磷的解吸量較大,尤其是在0.5 h之內,大約有80%的磷素通過溶解和解擴散2個過程釋放出來,在2~4 h,解吸的磷量達到總解吸量的90%以上。隨著振蕩時間的延長,磷的解吸量增加趨于緩慢,因此可確定2~4 h的振蕩時間基本上可反映出磷從土壤中解吸的動力學過程。同一地區不同層的土壤中吸附態的磷素一般隨深度的增加解吸率有所增加,這種情況有利于磷素在土壤剖面中垂下移。不同地區各層土壤對磷的解吸量有較大的差異,這與土壤的理化性質有關。
綜合4個區域水稻土的磷解吸過程動力學特點,可總結劃分出下遼河平原4個區域水稻土解吸的3個階段:(1)快速解吸的階段。主要集中在0~2 h內;(2)慢速解吸階段。即2~6 h或8 h內;(3)解吸動態平衡階段。即8 h或12 h以后。快速階段解析速率分別是慢速、動態平衡階段的10~20倍和60~100倍。
2.3水稻土對外源磷的緩沖能力分析
2.3.1吸附動力學曲線和解吸動力學曲線的擬合用方程y=a+bx擬合解吸動力學曲線與吸附動力學曲線的關系,相關分析表明,土壤的解吸量與吸附量均呈極顯著或顯著正相關(表2中,斜率b為單位吸附量的解吸量,b值越大,表明該土壤對外源磷的緩沖能力越差),平均解吸率與b的相關性達到極顯著水平,按照b均值比較供試的各區域土壤對外源磷的緩沖能力由小到大的順序為:三面船(1.531 25)<大民屯(1.371 88)<瓦房(0.235 48)<六間房(0.202 08)。在施入的磷肥濃度超標、超量的情況下,則會導致磷素在滲入水流的作用下淋溶至地下水,對地下水造成污染。土壤對外源磷的緩沖能力越差,對地下水污染造成的潛在風險越大。
2.3.2土壤的理化性質對磷解吸的影響從動力學曲線還可看出,不同地區各層土壤之間吸附-解吸率差異較大,這可能與不同層土壤本身的理化性質不同有關[7-8]。因為解析存在滯后的現象,從環境科學的角度看,磷素的解析過程比吸附過程更為重要,因為它不僅與其對作物的有效性有關,而且還與環境水體污染問題關系密切。所以有必要研究土壤的理化性質對磷解吸的影響。
特性很明顯直接影響著土壤對磷解吸的能力,是磷釋放的影響因素之一。試驗表明,土壤中細顆粒尤其是黏粒對土壤磷解吸具有重要的作用,含黏粒少的水稻土壤在吸附量較低的情況下解吸出較多的磷,而吸附量大的含黏粒多的水稻土壤解吸磷量反而較低。雖然有機質含量對磷的解吸影響不是很穩定,但是從某種程度上也制約著下遼河區域水稻土對磷的解吸。一般情況下有機質含量低的土壤,解吸率偏高,有機質含量高的土壤,解吸率偏低。以沙土類型為主的瓦房地區的平均解吸率要比其他區域高,說明質地較輕的含沙性的水稻土壤在吸附量較低的情況下解吸出較多的磷。可見,沙土區域的磷流失風險高于其他土壤類型的區域。
綜上所述,在下遼河平原地區,應加強對水田的磷肥施用管理,因地制宜施肥,尤其是對三面船、大民屯等對地下水污染潛力較大的地區來講,應加大施肥管理力度,以免造成對土壤環境及地下水的污染。
3結論
吸附動力學曲線表明下遼河平原不同區域的不同深度土層的水稻土對磷的吸附曲線形狀差異并不大,且土壤對溶液中磷的吸附具有相似的變化趨勢,即在吸附初期,吸附量隨時間增加而增大,動力學曲線較陡,隨著吸附時間的增加,在前6 h內,稻田土壤對磷的吸附具有較大吸附速度,6 h之后,吸附漸漸變慢,吸附基本達到平衡。由于不同深度土層的土壤黏粒含量不同,造成不同深度的土壤對于磷素的吸附量不同,由淺層至深層,土壤對磷吸附量減小。
不同地區的水稻土壤解吸過程在前2 h基本完成。吸附的磷在一定程度上被部分解吸出來,隨吸附磷量的增加,解吸磷量亦有增加的趨勢。通過對解吸量與吸附量線性回歸分析表明,水稻土包氣帶土層土壤的磷解吸量與吸附量均呈極顯著或顯著正相關。這為準確地掌握下遼河平原水稻土對外源磷的緩沖能力提供了理論依據。
土壤黏粒與有機質均對土壤磷的解吸有一定的影響,土壤層黏粒與有機質含量越高,解吸能力越差。有效的防控措施既要注重治理或阻斷化肥污染的源頭,又要重視與之相伴存的環境載體通過復雜的化學、生化及物理過程在土壤界面的吸附與解吸過程中的緩沖、防污能力的研究,才能更易于解決污染問題。
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2.2水稻土對磷的解吸動力學特征
解吸是一個比吸附更為重要的過程,水稻土對磷的解吸狀況將直接影響磷在土壤中的有效性和對所在地區域內水體的危害性[6]。磷解吸過程也可劃分為3個階段,一是快速解吸階段;二是慢速解吸階段;三是解吸動態平衡階段。
由圖2可知,隨著振蕩時間的延長,解吸量逐漸增加,振蕩時間在0~1 h內,磷的解吸量較大,尤其是在0.5 h之內,大約有80%的磷素通過溶解和解擴散2個過程釋放出來,在2~4 h,解吸的磷量達到總解吸量的90%以上。隨著振蕩時間的延長,磷的解吸量增加趨于緩慢,因此可確定2~4 h的振蕩時間基本上可反映出磷從土壤中解吸的動力學過程。同一地區不同層的土壤中吸附態的磷素一般隨深度的增加解吸率有所增加,這種情況有利于磷素在土壤剖面中垂下移。不同地區各層土壤對磷的解吸量有較大的差異,這與土壤的理化性質有關。
綜合4個區域水稻土的磷解吸過程動力學特點,可總結劃分出下遼河平原4個區域水稻土解吸的3個階段:(1)快速解吸的階段。主要集中在0~2 h內;(2)慢速解吸階段。即2~6 h或8 h內;(3)解吸動態平衡階段。即8 h或12 h以后。快速階段解析速率分別是慢速、動態平衡階段的10~20倍和60~100倍。
2.3水稻土對外源磷的緩沖能力分析
2.3.1吸附動力學曲線和解吸動力學曲線的擬合用方程y=a+bx擬合解吸動力學曲線與吸附動力學曲線的關系,相關分析表明,土壤的解吸量與吸附量均呈極顯著或顯著正相關(表2中,斜率b為單位吸附量的解吸量,b值越大,表明該土壤對外源磷的緩沖能力越差),平均解吸率與b的相關性達到極顯著水平,按照b均值比較供試的各區域土壤對外源磷的緩沖能力由小到大的順序為:三面船(1.531 25)<大民屯(1.371 88)<瓦房(0.235 48)<六間房(0.202 08)。在施入的磷肥濃度超標、超量的情況下,則會導致磷素在滲入水流的作用下淋溶至地下水,對地下水造成污染。土壤對外源磷的緩沖能力越差,對地下水污染造成的潛在風險越大。
2.3.2土壤的理化性質對磷解吸的影響從動力學曲線還可看出,不同地區各層土壤之間吸附-解吸率差異較大,這可能與不同層土壤本身的理化性質不同有關[7-8]。因為解析存在滯后的現象,從環境科學的角度看,磷素的解析過程比吸附過程更為重要,因為它不僅與其對作物的有效性有關,而且還與環境水體污染問題關系密切。所以有必要研究土壤的理化性質對磷解吸的影響。
特性很明顯直接影響著土壤對磷解吸的能力,是磷釋放的影響因素之一。試驗表明,土壤中細顆粒尤其是黏粒對土壤磷解吸具有重要的作用,含黏粒少的水稻土壤在吸附量較低的情況下解吸出較多的磷,而吸附量大的含黏粒多的水稻土壤解吸磷量反而較低。雖然有機質含量對磷的解吸影響不是很穩定,但是從某種程度上也制約著下遼河區域水稻土對磷的解吸。一般情況下有機質含量低的土壤,解吸率偏高,有機質含量高的土壤,解吸率偏低。以沙土類型為主的瓦房地區的平均解吸率要比其他區域高,說明質地較輕的含沙性的水稻土壤在吸附量較低的情況下解吸出較多的磷。可見,沙土區域的磷流失風險高于其他土壤類型的區域。
綜上所述,在下遼河平原地區,應加強對水田的磷肥施用管理,因地制宜施肥,尤其是對三面船、大民屯等對地下水污染潛力較大的地區來講,應加大施肥管理力度,以免造成對土壤環境及地下水的污染。
3結論
吸附動力學曲線表明下遼河平原不同區域的不同深度土層的水稻土對磷的吸附曲線形狀差異并不大,且土壤對溶液中磷的吸附具有相似的變化趨勢,即在吸附初期,吸附量隨時間增加而增大,動力學曲線較陡,隨著吸附時間的增加,在前6 h內,稻田土壤對磷的吸附具有較大吸附速度,6 h之后,吸附漸漸變慢,吸附基本達到平衡。由于不同深度土層的土壤黏粒含量不同,造成不同深度的土壤對于磷素的吸附量不同,由淺層至深層,土壤對磷吸附量減小。
不同地區的水稻土壤解吸過程在前2 h基本完成。吸附的磷在一定程度上被部分解吸出來,隨吸附磷量的增加,解吸磷量亦有增加的趨勢。通過對解吸量與吸附量線性回歸分析表明,水稻土包氣帶土層土壤的磷解吸量與吸附量均呈極顯著或顯著正相關。這為準確地掌握下遼河平原水稻土對外源磷的緩沖能力提供了理論依據。
土壤黏粒與有機質均對土壤磷的解吸有一定的影響,土壤層黏粒與有機質含量越高,解吸能力越差。有效的防控措施既要注重治理或阻斷化肥污染的源頭,又要重視與之相伴存的環境載體通過復雜的化學、生化及物理過程在土壤界面的吸附與解吸過程中的緩沖、防污能力的研究,才能更易于解決污染問題。
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[7]杜建軍,張一平,白錦鱗,等. 陜西幾種土壤磷吸附特性及溫度效應的研究[J]. 土壤通報,1993,24(6):21-24.
[8]呂家瓏,張一平,張君常,等. 陜西幾種土壤磷吸附動力學特征及過渡態理論應用的研究[J]. 土壤通報,1997,28(3):17-20.姚茹,黎小正. 廣西沿海主要貝類養殖區海水、表層沉積物及近江牡蠣體內重金屬鎘監測與評價[J]. 江蘇農業科學,2014,42(1):316-318.endprint