三峡库区消落带土壤对磷的吸附、磷素形态特征及其环境效应

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近年来磷肥施用量逐渐增加,土壤磷素逐年积累,磷素的流失所引起的水体环境污染问题也备受关注。三峡水库建成后在库区周边形成落差30m的消落带,由于消落带土壤受到周期性的淹水落干作用,水中的污染物可能逐年积累在消落带土壤中。同时部分消落带土地曾为农田用地,磷肥的逐年积累在淹水后可能持续释放到水体中,并产生面源污染。本课题以三峡库区消落带高阳平坝黄壤、高阳坡地紫色土为对象,研究了淹水期间土壤非晶形铁、晶形铁、草酸提取态磷的变化,着重比较了淹水前后土壤磷的等温吸附和形态的转化特征。通过合成几种含磷矿物来模拟土壤不同磷化合物之间的转化,研究Olsen-P和CaCl2-P、磷饱和率(PSR)和CaCl2-P之间的关系,及磷的释放动力学特征,从而揭示三峡库区消落带土壤磷素的流失风险。主要结果如下:1)供试土壤的非晶形铁(Feo)含量在淹水过程中有所增加,并且在第15天增幅最大,其中黄壤增幅达6.2%,紫色土增幅达10.2%。晶形铁(Fed-Feo)含量在淹水过程中有所下降,到淹水结束黄壤和紫色土降幅分别达13.1%和17.2%。草酸可提取态磷(P-ox)有所增加,与Feo含量正相关。2)高浓度磷在淹水前后土壤表面上的吸附曲线均为L型,Langmuir方程拟合结果表明,淹水后磷在土壤表面吸附的亲和力及最大吸附量均高于淹水前。与淹水前相比,磷在淹水后的黄壤上的吸附亲和力、最大吸附量都显著增强,增幅分别为116.4%和70.8%;而在紫色土的增幅分别为6.7%和16.9%。3)低浓度磷在供试土壤表面上的吸附曲线有所不同。淹水前后黄壤上磷的吸附曲线均为直线型,而在淹水前后紫色土壤的吸附曲线均为L型。用线性方程和Langmuir方程分别对其拟合结果表明,淹水后黄壤的本底吸附态磷(NAP)和EPC0(沉积物对磷的吸附解吸平衡浓度)均低于淹水前,降幅分别为23.6%和37.0%;与淹水前相比,而磷在淹水后高阳坡地土壤表面的最大吸附量、最大缓冲能力均有所增加。4)黄壤和紫色土Olsen-P在淹水过程中均有所下降,到淹水20天时降幅分别为36.0%和29.5%,达显著水平(p<0.05)。Fe-P均有所增加,在淹水15天时增幅分别为10.5%和33.8%;Al-P也表现为增加趋势,在淹水15天时增幅分别为30.9%和92.9%,达显著水平(p<0.05);Ca2-P在淹水前后没有发生变化。5)用0.11mol·L-1CaCl2淹水培养的黄壤和紫色土,其Olsen-P均有所下降,在淹水15天时降幅分别为30.0%、32.8%,达显著水平(p<0.05)。Fe-P均有所增加,在淹水15天时增幅分别为5.5%、15.6%;Ca2-P均有所增加,最大增幅分别为84.7%和18.0%,Al-P变化不明显。6)用pH分别为5、7、9的0.1 mol·L-1K+、Ca2+、NH4+淹水培养15天黄壤。在pH分别为5、9时K+、Ca2+、NH4+培养后土壤Olsen-P均有所增加;pH为7时K+、Ca2+培养后Olsen-P未发生变化,NH4+培养后土壤Olsen-P有所增加。Fe-P和Al-P在培养后均呈增加的趋势。7) Olsen-P和CaCl2-P呈非线性Q/I (quantity-intensity)关系,随着Olsen-P的增加,CaCl2-P也增加,并存在一个明显的突变点,即土壤磷酸盐潜在淋失临界值。供试土壤均存在土壤磷酸盐潜在淋失临界值。在突变点处黄壤的Olsen-P为107.7mg kg-1,CaCl2-P为2.8mg·kg-1;紫色土Olsen-P为32.9mg·kg-1, CaCl2-P为2.5mg·kg-1。8)PSR值和CaCl2-P呈非线性的关系,随着PSR值的增加,CaCl2-P也增加。并存在一个明显的突变点,即土壤磷流失的风险阈值。供试土壤均存在这样的阈值,且黄壤的PSR值较高,存在磷流失的风险。9)合成结晶度较高的KFeH14(PO4)8·4H2O在1mol·L-1 AICl3和CaCl2溶液中可以转化为结晶度相对较低的KFe3H8(PO4)6·6H2O。合成Ca2-P在1 mol·L-1 FeCl3中可以转化为非晶形Fe-P;非晶形Al-P不能转化为Ca-P,Fe-P可能转化为Ca-P;Al-P和Fe-P之间可以相互转化。
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