典型紫色土剖面性质及其对磷素吸附—解吸的影响

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本论文研究基于野外调查、室内模拟实验,调查了典型酸性、中性及石灰性紫色土剖面特征,并分别采集三种土壤类型下的林地与农地土壤样品,分析剖面样品的pH、CaCO3、有机质、全氮、全磷、有效磷、土壤质地、阳离子交换量(CEC)以及各形态铁氧化物含量等指标,通过模拟实验研究分析不同类型紫色土磷吸附解吸特征及其影响因素,其中重点研究了不同pH环境对磷吸附的影响;通过磷素添加培养实验,分析了自然剖面中磷素形态分布特征及其迁移潜力,并试图摸清紫色土剖面磷素转化特征,从而最终评价紫色土磷素流失风险,从而为提出优化管理措施提供依据。主要研究结果如下:  (1)典型紫色土自然剖面特征  各类型表层紫色土以沙壤或者壤土为主,部分剖面存在明显粘粒淀积;酸性及中性紫色土碳酸钙含量、交换性钙离子及盐基饱和度(BS)显著低于石灰性紫色土;自由态铁氧化物(Fed)在土壤剖面中部富集,无定型铁氧化物(Feo)随土层深度增加而递减,紫色土络合态铁氧化物(Fep)含量与红壤,黄土等土壤相比含量很低,但仍与有机质显著相关;典型石灰性紫色土粘土矿物主要由伊利石、绿泥石、针铁矿组成,并在粗颗粒土壤中存在明显的赤铁矿,表现出明显的岩性特征,此结论支持了作者关于紫色土颜色及发育特征的论断。  (2)典型紫色土对磷的吸附解吸特征  等温吸附解吸实验结果表明:相较于中性紫色土及石灰性紫色土,酸性紫色土磷素最大吸附量(Qm)、吸附缓冲容量(MBC)最低,而磷素解吸能力(K)最高。紫色土母质类型(pH)、土壤质地及土壤总磷含量对磷素吸附解吸能力有直接影响。酸性表层紫色土具有较高的磷素流失风险。  室内模拟实验结果表明:酸性紫色土磷吸附量显著低于中性及石灰性紫色土,且与土壤质地条件显著相关(pH4.5环境例外),其吸附量主要受粘土矿物表面积大小控制;中性紫色土在酸性及中性环境下,磷吸附与铁氧化物正相关,而在碱性环境下,磷吸附更多受控于土壤质地及土壤总磷含量;石灰性紫色土酸性条件下,磷吸附与铁氧化物显著正相关,中性条件下与铁氧化物相关性降低,但与土壤粉粒正相关,而碱性条件下,磷吸附量与碳酸钙及交换性钙离子极显著正相关。总体而言,pH升高后阳离子影响作用减弱,铁氧化物作用成为部分酸性及中性环境中磷吸附作用的主导体系。在碱性环境中,非石灰性土壤铁氧化物作用仍占主导地位,石灰性土壤中碳酸钙影响作用占主导。  林地土壤剖面在低浓度磷及酸性环境下,磷吸附主要为非专性吸附,主要受到CEC、阳离子含量、铁氧化物影响。相较林地而言,受农业活动影响,农地土壤磷吸附在酸性及中性条件下规律性较差,无法全面及准确地找出影响磷吸附作用的相关指标,磷吸附的作用机理相较林地而言并不清晰。但在碱性环境下仍表现出与碳酸钙含量的极显著相关,土壤质地因素也有显著影响。  (3)典型紫色土剖面磷形态分布及释放风险  不同类型原状土无机磷含量表现为:中性紫色土>酸性紫色土>石灰性紫色土;林地无机磷含量均高于同类型农地。  模拟实验结果表明:酸性紫色土低浓度磷环境中(自然状态及1.55 mg/g磷处理),无机磷主要为铁铝结合态磷,易溶磷集中在O至Bt1层。中浓度磷环境中(80 mg/g磷),铁氧化物体系未达到饱和吸附,铁铝磷为主要无机磷形态;易溶磷比例随土层增加而递减。高浓度磷(155 mg/g磷)处理后,铁氧化物体系达到饱和吸附,最大磷吸附量14 mg/g(Bt2层);大部分无机磷以易溶磷形态分布于整个紫色土剖面。总体而言,酸性紫色土添加高浓度无机磷后,易达到饱和吸附状态,因此土壤可溶性磷(特别是剖面表层)易发生流失。  中性紫色土磷吸附受铁氧化物体系主导,主要影响因素为各形态铁氧化物含量,其次为CEC,交换性阳离子含量及土壤质地。低浓度磷处理后,铁铝磷比例已接近最大值,易溶磷比例较低。中浓度磷环境下,阳离子吸附作用增强,但铁氧化物体系依然占主导。高浓度磷环境下,铁氧化物体系达到饱和吸附状态,最大单层磷吸附量约为12 mg/g(C层),此时磷形态分配同酸性紫色土类似。中性紫色土(石宝镇)易发生可溶磷流失。因此库区土壤磷素管理应注意合理施肥并采取适宜措施减少养分淋失。  石灰性紫色土磷吸附受碳酸钙作用主导,主要影响因素为交换性钙离子、碳酸钙含量,其次为铁氧化物及土壤质地因素。低浓度磷处理后,钙磷含量比例显著高于其他土体,其次闭蓄态磷比例较高,易溶磷在剖面Bk2至C层分布;中浓度磷环境下,钙磷占比80%以上,碳酸钙吸附能力仍较高;易溶磷比例相对减少,分布于整个剖面。高浓度磷环境下,闭蓄态磷及易溶磷比例小幅增加,钙磷比例下降,但无法判定碳酸钙影响作用是否达到饱和吸附。由此可见,石灰性紫色土区可溶磷流失风险相对较低。  (4)不同类型紫色土磷素管理的措施建议  酸性紫色土区域磷素难吸附、易释放,磷素污染风险较高,应该采取适当的面源磷素流失控制措施及合理的农业施肥管理。中性紫色土区域无机磷主要以铁铝磷形态存在,可溶磷含量较低。酸性和中性紫色土区域添加高浓度无机磷后,易溶态磷分布于整个土壤剖面,磷素可由土壤表层迁移至底层,造成壤中流磷素污染的高风险,因此需要采取适当措施避免壤中流污染下游流域水体。石灰性紫色土区域需要避免土壤酸化,防止钙磷转化为易溶磷,且其磷素流失主要通过颗粒态,因此控制水土流失,保护地表植被对该区域防治磷素污染更为有效。
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