不同培肥模式下土粒间相互作用力对塿土团聚体稳定性及磷素流失的影响

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土壤侵蚀以及养分流失一直以来都是备受关注的环境问题,降雨过程中土壤与养分流失很大程度上受团聚体稳定性的影响。已有多数研究从宏观尺度报道了土壤培肥对提高团聚体稳定性的重要作用,而近年来的研究认为,介观尺度的土粒间相互作用力对团聚体稳定性可能起着决定性作用。基于此,本研究选择了化肥施用的田间培肥和添加有机物料的室内模拟培肥塿土为研究对象,通过表面性质表征,进而定量计算土粒间相互作用力,进行团聚体稳定性试验以及降雨模拟试验,揭示土壤培肥对团聚体稳定性和磷素流失的内部调控机制。主要研究结果如下:1.阐明了长期定位不同施肥处理下塿土的团聚体稳定性、土壤流失及磷素流失特征及其与土粒相互作用的关系。发现:施磷处理(NPK)削弱了土壤表面电化学属性,从而降低了土壤颗粒间静电排斥力;同时增大了土壤Hamaker常数,致使颗粒间范德华引力更强;水合斥力只与颗粒间距离有关;净作用力(静电排斥力、范德华引力和水合斥力的合力)表现为排斥力,且不施磷处理(NK)净斥力更强;土壤团聚体微颗粒释放量与土粒间净斥力间呈指数型正增长;NPK处理颗粒间净斥力更弱,团聚体颗粒释放量要更少,因而能够显著降低土粒及颗粒态磷的流失;溶解态磷的流失受土粒间斥力和磷水平的共同作用,施磷会增加溶解态磷在径流中的流失风险。2.揭示了秸秆及生物炭添加处理下塿土团聚体稳定性、土壤颗粒、颗粒态磷和溶解态磷流失特征及其与土粒相互作用间的关系。发现:(1)与对照(CK,不添加秸秆或生物炭)相比,添加生物炭(TBR)/秸秆(TSR)处理增加了比表面积和表面电荷数量,降低了土粒间静电排斥力,同时也增大了Hamaker常数进而增加颗粒间范德华引力;进一步导致土粒间净作用力(排斥力)的减弱,其中TSR处理颗粒间净斥力最弱,CK处理净斥力最强;团聚体破碎强度与净斥力之间呈指数增长型正相关,且团聚体破碎强度与土粒间净斥力强度均表现为CK>TBR>TSR;由于TSR和TBR均降低了土粒间净斥力,减少了团聚体颗粒的释放,因此显著降低了土粒及磷素的流失,土粒、颗粒态磷和溶解态磷流失量均表现为CK>TBR>TSR,与净斥力强度一致。综上所述,通过田间定位培肥和室内模拟培肥试验,发现长期氮、磷、钾肥配施以及室内秸秆/生物炭添加的模拟培肥,有助于土壤团聚体稳定性的提升,缓解了降雨过程中土壤颗粒和颗粒态磷的流失。其作用机制为:通过施用化肥和添加有机物料培肥来改变土壤表面性质,进而降低静电排斥力,或增强范德华引力,最终使土粒间净斥力减弱,从而起到提升团聚体稳定性,减少了团聚体破碎,进而降低土壤颗粒及磷素的流失的效果。研究结果将有助于理解磷素在土壤固-液两相的迁移过程及其与土粒内部相互作用的关联,为土壤培肥对提高团聚体稳定性、防控土壤侵蚀以及磷素流失提供理论支持。
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