模擬酸雨淋溶下赤紅壤磷素淋溶的響應(yīng)

模擬酸雨淋溶下赤紅壤磷素淋溶的響應(yīng)

磷酸是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的養(yǎng)分之一，也是限制作物產(chǎn)量的主要養(yǎng)分之一。盡管土壤中磷素的積累能提高對(duì)作物的供應(yīng)能力,但磷的積累超過一定限度后就會(huì)構(gòu)成對(duì)生態(tài)環(huán)境的威脅,如水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤結(jié)構(gòu)與肥力退化等問題。由于我國(guó)土壤含磷量低,且土壤中磷難以轉(zhuǎn)化為易被植物吸收利用的形態(tài),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)磷肥的大量需求與磷的環(huán)境問題矛盾十分突出。酸雨是人類當(dāng)前面臨的最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一。酸雨可改變土壤pH值,造成鹽基離子、重金屬離子的大量淋失。土壤中陽離子與土壤磷素的結(jié)合能力和牢固程度隨pH的降低而急劇下降,使得土壤磷素的淋失大大加劇,關(guān)于酸雨對(duì)土壤磷流失的影響已日益引起人們的關(guān)注。華南地區(qū)是我國(guó)幾大酸雨中心之一,該地區(qū)典型地帶性土壤—酸性赤紅壤自身的磷素含量及其有效性非常低,因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用磷肥,使得磷的環(huán)境與生產(chǎn)矛盾更加突出。作為“大面積酸雨與地帶性酸性低磷赤紅壤重疊分布”的生態(tài)敏感區(qū),土壤磷素淋失的研究更具有特殊性和緊迫性。但目前關(guān)于酸雨影響赤紅壤磷素淋失的研究還比較少。因此,本研究擬通過室內(nèi)土柱淋洗試驗(yàn),對(duì)酸雨影響下赤紅壤磷素淋失及磷素淋失密切相關(guān)的部分陽離子溶出量(Ca2+、Al3+、Fe2+等)的變化進(jìn)行了研究,以探明酸雨作用下赤紅壤磷素及相關(guān)陽離子的釋放程度、特征、規(guī)律及缺磷機(jī)制,為控制酸雨誘導(dǎo)下的赤紅壤退化和磷素流失、提高華南地區(qū)土壤磷素利用效率提供科學(xué)依據(jù),對(duì)實(shí)現(xiàn)華南地區(qū)酸性赤紅壤的生態(tài)調(diào)控和可持續(xù)利用也將具有重要意義。1材料和方法1.1南東南亞植物大地構(gòu)造植被人工次生林取樣地點(diǎn)設(shè)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園,該園位于廣州市天河區(qū)東北部,北回歸線附近,氣候?yàn)槟蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,占地面積約15hm2,生長(zhǎng)著許多南亞熱帶植物,大部分為人工次生林。研究區(qū)地貌類型為緩坡低丘,土壤為赤紅壤,年均氣溫高,有效積溫充足,冬季少嚴(yán)寒,少霜日,雨量充沛。年均氣溫22℃左右,最冷月(1月)平均氣溫13℃左右,最熱月(7月)平均氣溫29℃左右,年降水量1900mm左右。1.2土壤樣品的采集供試赤紅壤土樣采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園,取其0—20cm的表層土壤,土樣剔除石粒、草根等雜物,自然風(fēng)干后過3mm篩。分別稱取3kg土壤樣品裝入20個(gè)平底塑料桶(上口內(nèi)直徑為19cm、下口內(nèi)直徑為14cm、高為18cm)中,桶底中央有一直徑為3.5cm的孔。塑料桶底鋪一層玻璃纖維及慢速定量濾紙,土樣表面再鋪一層玻璃纖維,以防土粒濺出。將塑料桶置于支架上,下部用玻璃漏斗(內(nèi)襯濾紙)轉(zhuǎn)接到三角瓶收集淋溶液。供試土壤的基本理化性質(zhì)如表1。1.3動(dòng)態(tài)過程淋溶模擬酸雨淋溶實(shí)驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理(包括pH2.0、pH3.0、pH4.0、pH5.0模擬酸雨處理和pH6.5對(duì)照處理)。結(jié)合我國(guó)酸雨危害地區(qū)的自然降水化學(xué)成分和廣東地區(qū)的降水情況,用分析純硫酸和硝酸按照摩爾比4∶1配成母液,將母液加蒸餾水調(diào)配成pH為2.0、3.0、4.0、5.0的酸性水溶液,水溶液的pH值用pH計(jì)配合pH試紙測(cè)定,以蒸餾水(pH值≈6.5)作對(duì)照。每個(gè)處理4次重復(fù)。淋溶量根據(jù)廣州地區(qū)年平均降水量計(jì)算。近5年來,廣州降雨pH平均值約為4.53,酸雨發(fā)生頻率為71.8%,降雨pH值范圍為3.3～7.3。廣州地區(qū)連續(xù)3年的降水總量約6000mm,年平均降水量為1982.7mm。確定模擬實(shí)驗(yàn)酸雨量為年平均降水量的72%,則一年實(shí)際降酸雨量約為1427mm,累積3年的實(shí)際降酸雨量為4281mm。為更接近自然降水過程,采取動(dòng)態(tài)間歇淋溶模式,每隔24h淋溶一次,用小噴壺對(duì)相應(yīng)處理的土壤進(jìn)行均勻噴濕淋溶,每次淋溶250mL。淋溶實(shí)驗(yàn)為期34d,使總淋溶量相當(dāng)于3年的降水量。每隔48h在塑料桶下部定時(shí)收集淋溶液,收集兩次后(即每隔4d)將淋溶液混合均勻并過0.45μm濾膜,避光保存在4℃冰箱,進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。1.4傳感光譜和ca2+濃度pH值用酸度計(jì)測(cè)定,Al3+、Fe2+濃度采用美國(guó)Varian710-ES型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AOS)測(cè)定;Ca2+濃度采用日立Z-2300原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定;可溶性磷(DP)用0.45μm濾膜過濾后過硫酸鉀消化—鉬銻抗比色法測(cè)定。1.5統(tǒng)計(jì)分析方法數(shù)據(jù)用Excel-2003整理,采用SPSS13.0(StatisticalProductandServiceSolutions,SPSS)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,處理間的差異顯著性采用單因素方差分析(ONE—WAYANOVA)檢驗(yàn),并用Duncan法進(jìn)行多重比較;變量間的簡(jiǎn)單相關(guān)采用Pearson相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。2結(jié)果與分析2.1土壤淋出液ph值的變化從圖1可以看出,經(jīng)不同酸雨的模擬酸雨淋溶后,淋溶初期淋出液的pH值并沒有像淋入前的差別那么大。而到淋溶結(jié)束,除CK外,模擬酸雨各處理淋溶液的pH值均較淋溶之前有所下降。隨酸度增強(qiáng),淋濾液的pH值也呈下降趨勢(shì),說明酸雨淋溶導(dǎo)致土壤pH值降低,與其他學(xué)者關(guān)于模擬酸雨研究的結(jié)論一致。中國(guó)科學(xué)院鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)站長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)也表明長(zhǎng)期的酸雨已經(jīng)導(dǎo)致土壤的持續(xù)酸化。淋溶液pH值的高低一定程度上反映了土壤的緩沖性能。土壤對(duì)酸雨的緩沖作用分初級(jí)及次級(jí)緩沖體系,淋溶開始屬于初級(jí)緩沖階段,這一階段離子交換反應(yīng)較快但緩沖能力小,因此淋溶液pH值逐漸下降,當(dāng)達(dá)到最低值后進(jìn)入次級(jí)緩沖階段,土樣中交換性鹽基離子釋放量增大,這一階段土壤緩沖能力較大,使得pH值變化逐漸緩和并上升。本研究中pH值高于4.0的酸雨淋溶后土壤淋溶液pH變化符合這一趨勢(shì)。而pH3.0、pH2.0的酸雨淋溶后,土壤很快進(jìn)入次級(jí)緩沖體系,以礦物分解為主,隨酸雨淋洗量的增加,淋出液pH值總體呈下降趨勢(shì);尤其是pH2.0的酸雨淋溶時(shí),土壤中礦物酸解激烈,淋出液pH下降十分明顯。2.2土壤無機(jī)磷含量的影響Al-P(磷酸鋁鹽)、Fe-P(磷酸鐵鹽)、Ca-P(磷酸鈣鹽)和O-P(閉蓄態(tài)磷)是無機(jī)磷的重要組分,土壤無機(jī)磷含量受土壤中Ca2+、Al3+、Fe2+含量的影響,Ca2+等鹽基離子與H+、Al3+的相對(duì)比例也是引起土壤酸化的驅(qū)動(dòng)力。因此,本研究對(duì)與磷素淋失密切相關(guān)的鹽基離子Ca2+及金屬離子Al3+、Fe2+溶出量進(jìn)行了研究,不同強(qiáng)度不同持續(xù)時(shí)間酸雨導(dǎo)致淋溶液中Ca2+、Al3+、Fe2+含量的變化如下。2.2.1ph對(duì)ca2+溶出量的影響圖2可見,在淋溶初期,pH5.0、pH4.0處理淋溶液中Ca2+釋放量保持穩(wěn)定略有上升,第24d達(dá)到最大值后緩慢下降;pH3.0處理淋溶液中Ca2+濃度明顯高于pH5.0和pH4.0處理,但遷移的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)基本一致。pH2.0處理Ca2+溶出量總體隨淋溶時(shí)間呈下降趨勢(shì),總?cè)艹隽看笥谄渌幚怼Ｒ延醒芯勘砻?Ca2+易于隨滲漏水淋失,本研究同樣發(fā)現(xiàn)隨著酸雨強(qiáng)度的增大,Ca2+淋失量顯著增加。酸雨對(duì)Ca2+的生物地球化學(xué)循環(huán)的大多數(shù)環(huán)節(jié)產(chǎn)生了較大影響,主要表現(xiàn)為對(duì)Ca2+的可利用量和周轉(zhuǎn)速率的影響。而生態(tài)環(huán)境酸化也可以造成其他生態(tài)系統(tǒng)如海洋和湖泊生態(tài)系統(tǒng)的Ca2+流失,進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)中動(dòng)植物的生存。2.2.2土壤中al3+和ph2.0的雙環(huán)境參數(shù)對(duì)土壤磷淋失量的影響如圖3所示,在pH5.0、pH4.0和CK處理下,淋溶液中Al3+含量隨著pH值的降低逐漸升高,但差異并不大。而pH3.0和pH2.0處理Al3+含量明顯較高,尤其是pH2.0處理磷淋失量最大值是對(duì)照處理最大值的47倍,這一突增現(xiàn)象與郭朝暉等通過浸泡平衡實(shí)驗(yàn)得出的研究結(jié)果一致,可能與土壤溶液中單體鋁的形態(tài)受土壤溶液的pH值的影響有關(guān),在pH值較低的酸化環(huán)境下,土壤單體鋁可被活化、溶出,并水解成一系列單體和多聚體的羥基鋁,使得淋失液中Al3+驟然增加。2.2.3酸雨對(duì)土壤鐵離子的影響土壤pH值影響土壤溶液中鐵的沉淀—溶解,也直接影響酸雨作用下紅壤中鐵的釋放。土壤溶液pH值降低,在酸性條件下,鐵的還原作用增強(qiáng),促使鐵以二價(jià)形態(tài)被溶解到土壤溶液中。圖4顯示,隨著pH值的降低,淋溶液中Fe2+含量逐漸增加,pH3.0和pH2.0處理Fe2+含量明顯高于其它處理,特別是pH2.0處理Fe2+含量同樣有突增現(xiàn)象。而隨著淋溶時(shí)間的增加,Fe2+含量在淋溶初期緩慢上升,在淋溶中期達(dá)到最大值后緩慢下降。不同酸雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間下鐵離子的釋放差異顯著,表明酸雨對(duì)赤紅壤土壤鐵礦物的淋失造成明顯影響,但劉俐等認(rèn)為酸雨對(duì)紅壤中鐵礦物的影響很小,酸雨淋溶并沒有使鐵組分明顯地溶解釋放。造成這一差別的原因可能是由于本實(shí)驗(yàn)中采用的是赤紅壤,較紅壤具有更強(qiáng)的富鐵鋁作用,鐵鋁氧化物淀積較為明顯,游離鐵氧化物含量較高,受酸雨淋溶的影響更為明顯。2.3土壤磷淋失量測(cè)定不同處理的磷淋失量動(dòng)態(tài)變化特征見圖5。pH3.0、pH4.0和pH5.0處理在淋溶后的第16d、20d、24d、28d、32d,淋溶液中土壤磷淋失量均比CK(pH6.5處理)要高,差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),三個(gè)處理的土壤磷淋失量均先增加后減少,呈現(xiàn)倒“V”字形的變化趨勢(shì)。pH3.0處理在第20d時(shí)出現(xiàn)一個(gè)最高峰值(6.57mg/kg)。pH4.0和pH5.0處理分別在第24d時(shí)出現(xiàn)一個(gè)明顯高峰(6.97mg/kg和6.74mg/kg)。pH2.0處理淋溶液中磷淋失量則呈現(xiàn)不同的趨勢(shì),隨著酸雨淋溶時(shí)間的增長(zhǎng)(第12d后),主要收集時(shí)間(16d、20d、28d、32d)土壤磷淋失量與CK均較為接近,并沒有顯著差異(ρ>0.05)?？赡苁怯捎趐H2.0處理使大量活性鋁的釋放和水解作用增加了土粒表面的Al-OH和Al-OH2等吸附點(diǎn)位,增加了土壤磷的吸附固定,土壤磷的淋失量也相應(yīng)減少。2.4酸雨對(duì)土壤中磷的淋失量影響本研究中各處理土壤磷淋失總量依次為pH4.0(46.25mg/kg)>pH5.0(42.41mg/kg)>pH3.0(40.47mg/kg)>pH2.0(33.09mg/kg)>pH6.5(32.86mg/kg)。與對(duì)照CK(pH6.5)相比,pH4.0、pH5.0、pH3.0和pH2.0處理的土壤磷淋失總量分別高41.82%、29.76%、20.11%和7.12%,差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),說明酸雨對(duì)土壤磷的淋失量有較大影響,與他人的研究結(jié)論一致。但也有研究認(rèn)為,酸雨對(duì)淋濾液氮、磷濃度及氮、磷累計(jì)淋失量的動(dòng)態(tài)變化等均無顯著影響,不同酸度模擬酸雨造成的各形態(tài)磷淋失量均無顯著差異,研究結(jié)論的差異可能與不同的土壤有效磷本底值有關(guān)。紅壤磷的釋放強(qiáng)度主要取決于土壤有效磷含量,土壤自身磷素水平在很大程度上決定了土壤磷進(jìn)入徑流的風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)量,產(chǎn)生這一風(fēng)險(xiǎn)的土壤有效磷含量臨界值研究也已引起關(guān)注進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn),隨著酸雨pH值的降低,淋溶液中磷淋失總量呈現(xiàn)先逐漸升高后明顯降低的趨勢(shì),從pH6.5到pH4.0,磷的淋失總量隨pH值降低而增加;而pH4.0到pH2.0處理磷淋失量隨pH降低而遞減。孫巖等同樣發(fā)現(xiàn)酸雨影響下玉米根際土壤有效磷含量先增加后降低,并認(rèn)為可能是淋溶初期的土壤酸化使土壤中部分難溶的磷酸鹽溶解,土壤溶液中少量SO2?442-的存在也通過離子交換反應(yīng)代換出磷酸根,使磷酸根含量有所增加。但隨著酸雨酸度的增加,活性鐵、鋁大量釋放,磷的活性吸附點(diǎn)位增加,從而增加了磷的吸附固定,造成土壤有效磷含量的下降,磷的淋失量也隨之下降,結(jié)果會(huì)進(jìn)一步加劇土壤有效磷對(duì)作物生長(zhǎng)供給不足與短缺的問題。2.5土壤中fe2+和ca2+總含量的影響磷鋁石和粉紅磷鐵礦是主要的次生含磷礦物,都是無機(jī)磷組分之一,礦物中Al和Fe彼此摻雜,Fe、Al和H2PO?44-組分可隨pH而變化。相關(guān)分析(表2)表明,淋溶液中Al3+總含量與Fe2+總含量呈顯著正相關(guān)(r=0.9648,P<0.05),與Ca2+總含量亦呈顯著正相關(guān)(r=0.7645,P<0.05);淋溶液中Fe2+總含量與Ca2+總含量也呈顯著正相關(guān)(r=0.8995,P<0.05),可見酸雨的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間對(duì)Al3+、Fe2+、Ca2+的影響趨勢(shì)是一致的。魯如坤等認(rèn)為,磷在紅壤中有效性的衰減可分為快反應(yīng)(3h)階段和慢反應(yīng)階段,前者有效磷以直線關(guān)系下降,后者則為一漸減性曲線?？旆磻?yīng)階段磷有效性的衰減量和土壤活性鋁含量呈顯著相關(guān),但與活性鐵和交換性鋁相關(guān)不顯著。而本研究發(fā)現(xiàn),淋溶液中磷淋失總量與Al3+和Fe2+溶出量均呈顯著負(fù)相關(guān)(Al3+r=-0.6531,P<0.05;Fe2+r=-0.5107,P<0.05),和Ca2+總?cè)艹隽肯嚓P(guān)關(guān)系不顯著(P>0.05),說明高強(qiáng)度的酸雨作用導(dǎo)致活性鐵、鋁的大量釋放,增加了磷的活性吸附點(diǎn)位,從而增加了對(duì)磷酸根離子配位吸附,造成土壤有效磷減少、磷淋失量也相應(yīng)減少。3酸雨對(duì)ca2+、al3+和fe2+淋失量的影響1)由于土壤具有緩沖能力,一定范圍內(nèi)的酸雨強(qiáng)度和淋溶時(shí)間對(duì)淋溶液pH值影響并不明顯,較強(qiáng)酸雨強(qiáng)度(pH2.0)時(shí)淋溶液pH值始終表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì)。2)酸雨對(duì)Ca2+、Al3+和Fe2+溶出均有促進(jìn)作用。隨著酸度增加,Ca2+、Al