百色市不同土地利用類型土壤對磷吸附特性研究

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(百色學(xué)院，化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

磷是地殼中常見的重要營養(yǎng)元素，同時也是水體營養(yǎng)化的重要限制因子[1]。磷能通過地表徑流、壤中流等作用進入江流、湖泊，形成面源污染[2]。由于近30年來我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)廣泛使用磷肥，尤其是東部地區(qū)土壤的磷素水平顯著提高，更加劇了農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險[3]。目前，針對不同類型土壤對磷的吸附解吸特性已在全國各地均有開展[4-6]，由于各地土壤類型。組成結(jié)構(gòu)不盡相同，得出的結(jié)論均有所不同。基于此，本文選擇百色市3種不同土地利用類型土壤，研究了3種類型土壤對磷的吸附特性，以期為百色市土地利用變更及土壤改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

分別在百色市及周邊農(nóng)田采集不同土地利用類型的土壤3種，分別為景觀草坪土壤(A)、右江河流底泥(B)、農(nóng)田耕作土壤(C)，為避免降雨帶來的土壤徑流沖刷等對土壤理化性質(zhì)帶來的影響，采樣前5天均無降雨天氣。土樣采用四分法[鮑士旦]，采集目標(biāo)土壤0～10cm的表層土壤，裝袋并標(biāo)記保存，運回實驗室后剔除石塊及肉眼可見的動植物殘體后，于陰涼處自然風(fēng)干10d，經(jīng)過粗磨后，再過100目標(biāo)準(zhǔn)篩制得備用土樣。

1.2 土壤理化性質(zhì)測定

據(jù)研究表明，影響土壤對磷吸附的因素有很多，諸如土壤黏粒組成、無定型礦物構(gòu)成、土壤有機質(zhì)、無定型鐵、pH、土壤含磷量、非晶質(zhì)鐵鋁氧化物等均能對土壤吸附磷產(chǎn)生影響[7-11]，根據(jù)實驗條件與實際情況綜合考慮，本研究選取土壤有機質(zhì)、土壤pH、土壤含磷量和土壤有效磷作為基本理化性質(zhì)指標(biāo)。具體測試方法見文獻《土壤農(nóng)化分析》[12]。

1.3 等溫吸附實驗

準(zhǔn)確稱取備用土樣1.00 g于100 mL塑料離心管中，按1∶25的土水比加入不同濃度的含磷溶液(1～150 mg·L-1)，在往復(fù)式振蕩器上以轉(zhuǎn)速200 r·min-1恒溫(25℃)振蕩24h，使得土壤與溶液充分混合達到吸附平衡后取出，以5000 r·min-1離心10 min，取上清液過0.45μm水系濾膜后，測定溶液中磷的濃度，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，測定實驗結(jié)束后上清液濃度差異計算土壤對磷的吸附量。磷溶液的濃度梯度設(shè)置為0，1，2，5，10，20，50，100和150 mg·L-1。磷溶液采用KH2PO4(優(yōu)級純)配置，實驗背景電解液為0.01 mol/L KCl溶液，實驗開始前加入2滴氯仿溶液以抑制微生物的活動。實驗平行重復(fù)3次。

1.4 吸附動力學(xué)實驗

為了解磷在3種土壤中隨時間的吸附速率情況，對3種土壤進行吸附動力學(xué)實驗，具體方法為：準(zhǔn)確稱取備用土樣1.00 g于100 mL塑料離心管中，隨后加入50mL濃度為50 mg·L-1的磷溶液，在搖床中以轉(zhuǎn)速200 r·min-1恒溫(25℃)振蕩，取樣時間分別設(shè)定為0，0.25，0.5，1，1.5，2，4，8，12，18，24，36，48h。取樣后，以5000 r·min-1離心10 min，取上清液過0.45μm水系濾膜后，測定溶液中磷的濃度，根據(jù)實驗前后上清液磷濃度，計算土壤對磷的吸附量。實驗平行3次，結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

土壤基本理化性質(zhì)如表1所示，3種土壤基本理化性質(zhì)差異明顯，其中，景觀草坪土壤(A)的土壤有機質(zhì)含量最高，而農(nóng)田耕作土壤(C)最低，這可能與人為開采耕作有一定關(guān)系，景觀草坪土壤保護較好，土壤中的腐殖質(zhì)得以較好的積累，而農(nóng)田由于耕種行為，土壤有機質(zhì)含量逐漸消耗，河流底泥中由于水體沖刷沉降作用，底泥中的有機質(zhì)亦得到一定的累積；在土壤總磷含量中，農(nóng)田土壤由于施肥耕作的緣故，含量最高，景觀草坪土壤的總磷含量最低，而底泥中的磷來源于降雨沖刷帶入河流的沉積以及土壤徑流輸入，其含磷量要高于景觀草坪土壤。

表1 百色市不同土地利用類型土壤的基本理化性質(zhì)

2.2 等溫吸附曲線

由圖1可知，3種不同利用方式土壤，在不同濃度磷溶液下，土壤對磷的吸附量均不相同。隨著初始溶液中磷溶液濃度不斷提高，在體系達到吸附平衡時，土壤對磷的吸附量亦逐漸增加。當(dāng)磷溶液濃度低于50mg/L時，其曲線的特征呈現(xiàn)出急劇上升型；而隨著磷溶液濃度的增加(>50mg/L)，吸附曲線逐漸變緩，說明土壤中能吸附磷的點位逐漸達到飽和狀態(tài)，對于磷吸附的量則趨于穩(wěn)定。

圖1 三種不同類型土壤對磷的等溫吸附曲線

土壤對及各種元素的吸附過程可以用Langmuir模型方程來擬合[3,13-14]，因此，本文對3種土壤的等溫吸附過程在origin中采用非線性擬合，得到相關(guān)的等溫吸附特征參數(shù)，結(jié)果見表2所示。

表2 Langmuir等溫吸附方程擬合

Langmuir模型的表達式為：Q=K·Qm·C/(1+K·C)，其中，Q為單位質(zhì)量土壤吸附磷的量(mg·kg-1)，C平衡溶液中磷的濃度(mg·L-1)，K是通過非線性方程擬合得出的表征土壤對磷吸附的表面強度的一個常數(shù)，其值越大，表明其吸附強度越大，Qm為理論上土壤對磷的最大吸附量(mg·kg-1)，MBC為K與Qm的乘積，表征土壤對磷的最大緩沖容量，綜合了最大吸附量與吸附強度因素，表示固體對養(yǎng)分的吸附特性，MBC值越大，吸附能力越強，反之則吸附能力越弱。由表2可知，R2均大于0.95，擬合結(jié)果較好，說明這3種土壤對磷的等溫吸附過程可用Langmuir模型方程來擬合。景觀草坪土壤對磷具有最大吸附量，達到了1087.25 mg·kg-1，而農(nóng)田耕作土壤的吸附量最低，為725.05 mg·kg-1；在K值中最大的是右江河流底泥，達到了0.075，這可能與底泥中的腐殖質(zhì)腐化程度及組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，而農(nóng)田耕作土壤的K值最低，除了有機質(zhì)含量外，可能還與其本身土壤磷含量亦較高有關(guān)。最大緩沖容量(MBC)的大小順序為右江河流底泥>景觀草坪土壤>農(nóng)田耕作土壤，大小順序上與最大吸附量稍有出入，但差別不大。張紅愛的研究表明，土壤Qm高而MBC低，則不利于土壤對磷的吸附與固持，土壤吸附磷后容易受土壤徑流、雨水沖刷等作用從土壤中移除而流失，只有二者均較高時，土壤才具有較高的固磷能力[15]。因此，在所研究的3種類型土壤中，景觀草坪土壤與右江河流底泥均具有較好的固磷能力，而農(nóng)田耕作土壤的最大吸附量與最大緩沖容量均為最低，說明農(nóng)田耕作土壤的固磷能力較差，在土壤改良及耕作施肥中應(yīng)予以重視，提高土壤磷的利用率。

2.3 吸附動力學(xué)特征

由圖2可知，3種土壤對磷的吸附量不盡相同，但吸附動力學(xué)過程均大致可以分為3個階段：反應(yīng)開始后的8h為快速吸附階段，曲線的斜率較大，土壤膠體表面大量的配位體能快速吸附磷；8～24h為慢速吸附階段，此時曲線斜率逐漸變緩，吸附速率開始下降；24h以后為吸附動態(tài)平衡階段，此時土壤膠體表面的吸附點位已趨于飽和，在振蕩的過程中吸附與解吸逐漸趨于平衡。研究表明，土壤對磷的吸附主要以配位體交換的吸附為主[16]，在實驗初期，土壤顆粒表面的吸附點位較為充足，而體系中大量磷酸根離子的存在，會迅速地與土壤膠體表面的水合基或羥基發(fā)生配位交換；隨著吸附時間的增長，這些吸附點逐漸趨于飽和，使得吸附的速率逐漸放緩。但土壤對磷的吸附需要達到平衡狀態(tài)較為緩慢，有的研究指出在吸附實驗幾個月后，依然能夠觀察到土壤對磷的吸附，這可能與土壤有效磷含量有關(guān)[17]。

圖2 三種不同類型土壤對磷的吸附動力學(xué)曲線

結(jié)合表1土壤基本理化性質(zhì)來看，景觀草坪土壤具有最大的磷吸附量，可能與它的土壤有機質(zhì)含量最高有關(guān)，同時其土壤本身的含磷量亦最低。土壤有機質(zhì)中的腐殖酸與富里酸能夠與鐵、鋁發(fā)生螯合作用，以提供更多的吸附點位；右江河流底泥有機質(zhì)含量低于景觀草坪土壤，初始含磷量高于景觀草坪土壤，因而其最大吸附量低于景觀草坪土壤，但其最大緩沖容量卻高于景觀草坪土壤，說明該土壤其他內(nèi)在物理或化學(xué)性質(zhì)使其具有最高的固磷能力，例如有機質(zhì)中腐殖酸與富里酸的比例、土壤粘粒組成情況、土壤pH值的影響等，這還需要進一步的分析與研究；而農(nóng)田耕作土壤的最大磷吸附量與最大緩沖容量均最低，這可能與土壤本身含量磷最高并且土壤有機質(zhì)含量較低有關(guān)。

3 結(jié)論

本研究測定了百色市3種不同土地利用類型土壤對磷的吸附特性，結(jié)果表明:(1)景觀草坪土壤具有最高的磷吸附量，右江河流底泥對磷具有最大的吸附強度的最高的緩沖容量，而農(nóng)田耕作土壤的吸附量、緩沖容量與吸附強度均最低，這可能與土壤組成結(jié)構(gòu)、初始含磷量較高及有機質(zhì)含量較低有關(guān)。(2)3種土壤吸附磷的動力學(xué)過程均較為一致，表現(xiàn)出快速吸附、慢速吸附與動態(tài)平衡3個階段，反應(yīng)開始后的前8h為快速吸附階段。(3)3種土壤對磷的吸附特性表明，土壤有機質(zhì)含量、土壤含磷量可能是影響土壤對磷固持能力的重要因素。