土壤复酸对交换性铝释放及无机磷有效性的影响

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长期以来,耕地土壤酸化一直是全球面临的重大生态环境问题。据统计,全球耕地面积中约有近一半土壤呈酸性,且有部分经过改良的区域已经开始出现复酸现象。然而,当前关于土壤酸化的研究仍主要集中于不同改良剂对酸性土壤的修复机理和效果方面,而对土壤复酸过程及其中营养元素动态的关注还比较缺乏。针对耕地土壤愈加严重的复酸现象,本研究首先探究了复酸过程对土壤酸缓冲性能的影响,并在此基础上深入探讨了复酸过程中具有植物毒害效应的铁、铝化合物形态变化特征,以及其中无机磷有效性的动态特征。本研究采用室内培养实验方式,通过反复添加CaO(3.1 g/kg)和HCl(206.5 mL/kg)来实现酸性土壤复盐基和复酸过程。实验设置0(CK)、1(R1)、3(R3)、6(R6)、10(R10)共5个复酸次数水平,并测定了不同复酸次数土壤pH、交换性阳离子、矿物态和游离态铁铝氧化物、钙磷、铁磷、铝磷以及闭蓄态磷等相关指标。主要研究结果如下:(1)多次复酸降低了土壤酸缓冲性能。研究结果显示,复酸显著降低了土壤pH值,且土壤pH变化量与复酸次数间具有线性负相关关系(r=-0.98)。复酸次数每增加1次,土壤pH较上次复酸土壤下降0.033个单位,氢离子浓度为上一处理的1.08倍,从而使H+含量持续增加。H+浓度增大导致盐基离子随复酸次数增多而逐渐流失。复酸次数与土壤交换性Mg(r=-0.79)变化量之间存在显著的负相关关系。随着土壤复酸次数增多,交换性Mg将以每次0.75 mg/kg的速率持续减少。交换性盐基离子含量减少的同时,土壤交换性铝也在同步释放。土壤交换性铝变化量与复酸次数之间存在显著线性正相关关系(r=0.87)。土壤每复酸一次,交换性铝含量将会增加0.26 cmol/kg。这些结果表明复酸过程中交换性铝的大量产生将会使得土壤的铝毒效应愈加严重。随着盐基离子流失以及交换性铝的逐渐生成,土壤缓冲容量也在逐渐下降,但直到复酸10次(45.31 mmol·kg-1·pH-1)时才明显低于对照处理(48.76 mmol·kg-1·pH-1)。因此,复酸过程中土壤盐基离子的消减在多次复酸后产生累积效应,致使土壤缓冲容量在复酸10次时下降,降低了土壤对酸的缓冲性能。(2)复酸过程加快了土壤风化进程,导致了土壤铁、铝氧化物由矿物态向游离态转变,以及由晶质态向非晶质态的转变。本研究中土壤复酸次数与氧化铁的游离度(r=0.74)和活化度(r=0.92)变化量之间具有显著的线性正相关关系。随着复酸次数递增,土壤矿物态氧化铁含量显著下降,晶质和非晶质态氧化铁含量显著升高,使得氧化铁游离度和活化度以0.14%/次和0.09%/次的速率增加。而氧化铝呈现出不同趋势。与对照(205.62 g/kg)相比,各复酸处理下土壤矿物态氧化铝(199.2 g/kg~203.41 g/kg)均逐渐显著下降。但由于氧化铝在酸性溶液中溶解度较大的特性,使得晶质氧化铝和非晶质氧化铝溶于酸液中而未在各复酸处理间表现出差异。而土壤氧化铝活化度变化量与复酸次数间呈现出良好的正相关关系(r=0.73),并以0.61%/次的速率而增加。土壤铁、铝氧化物游离度和活化度的升高表明复酸过程促进了矿物态铁、铝氧化物向晶质态铁、铝氧化物转变,以及晶质态铁、铝氧化物向非晶质态铁、铝氧化物转化,提高了土壤风化程度。(3)与对照相比,复酸过程促进了闭蓄态磷向无定形态铝磷的转化,提高了土壤磷的生物有效性。研究结果显示,复酸过程对土壤磷元素总量以及无机磷总量均无显著影响。而复酸现象的发生降低了土壤闭蓄态磷和钙磷含量。在各复酸水平下土壤闭蓄态磷含量(146.98~184.98 mg/kg)均显著低于对照(232.37mg/kg)。且除了复酸3次处理之外,其余复酸水平土壤钙磷含量(23.54~29.17 mg/kg)与对照(36.26 mg/kg)相比也有显著减少。同时,复酸现象的产生使得铝磷含量逐渐增加,且复酸1次到10次处理土壤铝磷含量(37.02~131.15 mg/kg)均显著高于对照(24.93 mg/kg)。通过分析各形态无机磷组分间的相关性,可以发现复酸过程促进了土壤闭蓄态磷和钙磷向无定形态铝磷的转化,提高了土壤磷的生物有效性。综上所述,本研究结果显示复酸过程降低了土壤中钙镁钾钠等元素的含量,进而减弱了土壤的酸缓冲性能,这将致使复酸土壤可能会存在营养元素缺乏的风险,难以为植物提供充足的养分,从而提高了作物生产过程中矿质肥料的供应成本以及改良酸性耕地土壤所需付出的代价。同时,复酸过程导致了铁、铝氧化物的活化,提高了土壤交换性铝水平,加深了土壤的铝毒害效应,进一步降低了复酸土壤的生物适宜性。此外,复酸过程中无定形态铝磷的生成有利于植物从土壤中获取有效磷,但同时也加大了灌溉、降水等因素导致有效磷流失的风险。这些结果表明土壤复酸将会严重危害土壤生态系统生产力及动植物健康。
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