模擬酸雨淋溶下赤紅壤磷素淋溶的響應

模擬酸雨淋溶下赤紅壤磷素淋溶的響應

磷酸是植物生長發(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作物的供應能力,但磷的積累超過一定限度后就會構(gòu)成對生態(tài)環(huán)境的威脅,如水體富營養(yǎng)化、土壤結(jié)構(gòu)與肥力退化等問題。由于我國土壤含磷量低,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。酸雨是人類當前面臨的最嚴重的生態(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,關于酸雨對土壤磷流失的影響已日益引起人們的關注。華南地區(qū)是我國幾大酸雨中心之一,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,對酸雨影響下赤紅壤磷素淋失及磷素淋失密切相關的部分陽離子溶出量(Ca2+、Al3+、Fe2+等)的變化進行了研究,以探明酸雨作用下赤紅壤磷素及相關陽離子的釋放程度、特征、規(guī)律及缺磷機制,為控制酸雨誘導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依據(jù),對實現(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設在華南農(nóng)業(yè)大學樹木園,該園位于廣州市天河區(qū)東北部,北回歸線附近,氣候為南亞熱帶季風氣候,占地面積約15hm2,生長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,自然風干后過3mm篩。分別稱取3kg土壤樣品裝入20個平底塑料桶(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動態(tài)過程淋溶模擬酸雨淋溶實驗共設5個處理(包括pH2.0、pH3.0、pH4.0、pH5.0模擬酸雨處理和pH6.5對照處理)。結(jié)合我國酸雨危害地區(qū)的自然降水化學成分和廣東地區(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計配合pH試紙測定,以蒸餾水(pH值≈6.5)作對照。每個處理4次重復。淋溶量根據(jù)廣州地區(qū)年平均降水量計算。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。確定模擬實驗酸雨量為年平均降水量的72%,則一年實際降酸雨量約為1427mm,累積3年的實際降酸雨量為4281mm。為更接近自然降水過程,采取動態(tài)間歇淋溶模式,每隔24h淋溶一次,用小噴壺對相應處理的土壤進行均勻噴濕淋溶,每次淋溶250mL。淋溶實驗為期34d,使總淋溶量相當于3年的降水量。每隔48h在塑料桶下部定時收集淋溶液,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,進行各項指標測定。1.4傳感光譜和ca2+濃度pH值用酸度計測定,Al3+、Fe2+濃度采用美國Varian710-ES型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AOS)測定;Ca2+濃度采用日立Z-2300原子吸收分光光度計測定;可溶性磷(DP)用0.45μm濾膜過濾后過硫酸鉀消化—鉬銻抗比色法測定。1.5統(tǒng)計分析方法數(shù)據(jù)用Excel-2003整理,采用SPSS13.0(StatisticalProductandServiceSolutions,SPSS)進行統(tǒng)計分析,處理間的差異顯著性采用單因素方差分析(ONE—WAYANOVA)檢驗,并用Duncan法進行多重比較;變量間的簡單相關采用Pearson相關統(tǒng)計方法進行分析。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,淋濾液的pH值也呈下降趨勢,說明酸雨淋溶導致土壤pH值降低,與其他學者關于模擬酸雨研究的結(jié)論一致。中國科學院鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站長期監(jiān)測的數(shù)據(jù)也表明長期的酸雨已經(jīng)導致土壤的持續(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。土壤對酸雨的緩沖作用分初級及次級緩沖體系,淋溶開始屬于初級緩沖階段,這一階段離子交換反應較快但緩沖能力小,因此淋溶液pH值逐漸下降,當達到最低值后進入次級緩沖階段,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。而pH3.0、pH2.0的酸雨淋溶后,土壤很快進入次級緩沖體系,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;尤其是pH2.0的酸雨淋溶時,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)是無機磷的重要組分,土壤無機磷含量受土壤中Ca2+、Al3+、Fe2+含量的影響,Ca2+等鹽基離子與H+、Al3+的相對比例也是引起土壤酸化的驅(qū)動力。因此,本研究對與磷素淋失密切相關的鹽基離子Ca2+及金屬離子Al3+、Fe2+溶出量進行了研究,不同強度不同持續(xù)時間酸雨導致淋溶液中Ca2+、Al3+、Fe2+含量的變化如下。2.2.1ph對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,但遷移的動態(tài)趨勢基本一致。pH2.0處理Ca2+溶出量總體隨淋溶時間呈下降趨勢,總?cè)艹隽看笥谄渌幚?。已有研究表?Ca2+易于隨滲漏水淋失,本研究同樣發(fā)現(xiàn)隨著酸雨強度的增大,Ca2+淋失量顯著增加。酸雨對Ca2+的生物地球化學循環(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,進而影響生態(tài)系統(tǒng)中動植物的生存。2.2.2土壤中al3+和ph2.0的雙環(huán)境參數(shù)對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驗得出的研究結(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,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,促使鐵以二價形態(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。而隨著淋溶時間的增加,Fe2+含量在淋溶初期緩慢上升,在淋溶中期達到最大值后緩慢下降。不同酸雨強度和持續(xù)時間下鐵離子的釋放差異顯著,表明酸雨對赤紅壤土壤鐵礦物的淋失造成明顯影響,但劉俐等認為酸雨對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驗中采用的是赤紅壤,較紅壤具有更強的富鐵鋁作用,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土壤磷淋失量測定不同處理的磷淋失量動態(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,差異均達到顯著水平(P<0.05)。隨著時間的延長,三個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。pH3.0處理在第20d時出現(xiàn)一個最高峰值(6.57mg/kg)。pH4.0和pH5.0處理分別在第24d時出現(xiàn)一個明顯高峰(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,隨著酸雨淋溶時間的增長(第12d后),主要收集時間(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等吸附點位,增加了土壤磷的吸附固定,土壤磷的淋失量也相應減少。2.4酸雨對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%,差異達到顯著水平(P<0.05),說明酸雨對土壤磷的淋失量有較大影響,與他人的研究結(jié)論一致。但也有研究認為,酸雨對淋濾液氮、磷濃度及氮、磷累計淋失量的動態(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。紅壤磷的釋放強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入徑流的風險和數(shù)量,產(chǎn)生這一風險的土壤有效磷含量臨界值研究也已引起關注進一步比較發(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,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)果會進一步加劇土壤有效磷對作物生長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(r=0.9648,P<0.05),與Ca2+總含量亦呈顯著正相關(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(r=0.8995,P<0.05),可見酸雨的強度和持續(xù)時間對Al3+、Fe2+、Ca2+的影響趨勢是一致的。魯如坤等認為,磷在紅壤中有效性的衰減可分為快反應(3h)階段和慢反應階段,前者有效磷以直線關系下降,后者則為一漸減性曲線。快反應階段磷有效性的衰減量和土壤活性鋁含量呈顯著相關,但與活性鐵和交換性鋁相關不顯著。而本研究發(fā)現(xiàn),淋溶液中磷淋失總量與Al3+和Fe2+溶出量均呈顯著負相關(Al3+r=-0.6531,P<0.05;Fe2+r=-0.5107,P<0.05),和Ca2+總?cè)艹隽肯嚓P關系不顯著(P>0.05),說明高強度的酸雨作用導致活性鐵、鋁的大量釋放,增加了磷的活性吸附點位,從而增加了對磷酸根離子配位吸附,造成土壤有效磷減少、磷淋失量也相應減少。3酸雨對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)的酸雨強度和淋溶時間對淋溶液pH值影響并不明顯,較強酸雨強度(pH2.0)時淋溶液pH值始終表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢。2)酸雨對Ca2+、Al3+和Fe2+溶出均有促進作用。隨著酸度增加,Ca2+、Al