周國娜，宋慶豐，楊新兵

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定071001;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京100091)

土壤中重金屬及難于被微生物降解而在土壤中累積，進(jìn)而通過食物鏈危害人體健康，所以關(guān)于重金屬在土壤中的化學(xué)行為己經(jīng)引起人們的高度關(guān)注。土壤重金屬主要有汞 、鎘 、鉛 、銅 、鉻 、砷 、鎳 、鐵 、錳 、鋅等[1]。Nicholson等人研究表明大氣沉降、下水道污泥、牲畜糞便、農(nóng)藥、灌溉水和工業(yè)“三廢”及其混合物是農(nóng)業(yè)土壤中重金屬 Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、Cr、As、Hg富集的主要來源，并計(jì)算出各來源占總輸入量的變化范圍[2]。華北花崗片麻巖山地大量植被遭到破壞，降雨形成薄層分散的地表徑流，將土壤中可溶性物質(zhì)及比較細(xì)小的土粒以懸移方式為主沖走，造成土壤質(zhì)地明顯變粗，土層漸薄，土地生產(chǎn)能力不斷下降而棄耕，進(jìn)而需要對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤進(jìn)行促成，其中施肥是有效的措施。隨著巖石的風(fēng)化過程，會有大量的金屬元素釋放出來。目前施肥對土壤重金屬的研究國內(nèi)外已經(jīng)很多，涉及到很多植物生長必須的中量元素和微量元素。長期不施肥土壤中的有效Fe含量下降[3]，單施化肥、有機(jī)肥或二者配施均可提高土壤有效Fe含量[4-6]。為了探究施肥對重金屬元素含量的影響，任順榮等采用6種不同施肥處理后，無論是化肥還是有機(jī)肥 ，土壤 0-20 cm 土層重金屬 Cu、Zn 、Cd 、Cr、Hg和As的含量測定結(jié)果都呈現(xiàn)增加趨勢[7]。本文利用室內(nèi)模擬肥料對巖石金屬元素釋放作用，進(jìn)而找出土壤促成的最佳施肥技術(shù)，為華北花崗片麻巖山區(qū)植被恢復(fù)提供理論依據(jù)，也為花崗片麻巖區(qū)退耕還林的進(jìn)一步實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

平山縣的自然地貌為“八山一水一分田”，位于太行山中斷東麓滹沱河沿岸山西臺地與華北平原的過渡地帶[8]，該地貌類型屬于低山丘陵區(qū)，海拔高度小于300 m。土壤類型屬于褐土性土亞類，主要有以下幾種類型土壤。一是非耕種花崗片麻巖褐土性土屬。分布于海拔1 300 m以下的中山、低山、丘陵、陽坡，表層有機(jī)質(zhì)0.36%～1.61%，全氮含量0.023%～0.105%，全磷含量0.01%～0.031%，碳酸鈣0.28%～1.92%，砂礫量24.4%～51.23%，pH6.4～7.9。土層薄，不足30 cm，侵蝕嚴(yán)重，肥力低下。代表土種為花崗片麻巖薄層多礫砂壤質(zhì)褐土性土。二是非耕種頁巖褐土性土屬，分布于石灰?guī)r區(qū)，僅頁巖薄層多礫輕壤質(zhì)褐土性土種，土層少于25 cm，石灰反應(yīng)不明顯，pH7.3～7.4，表層有機(jī)質(zhì) 1.67%，全氮含量0.098%，全磷含量0.023%。三是花崗片麻巖褐土性土屬。只有花崗巖片麻巖薄層壤質(zhì)褐土性土種，表層有機(jī)質(zhì) 0.38%，全氮含量 0.031%，全磷含量0.016%，pH8.5，石灰量1.5%，礫石41.1%。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用巖石粉末采自試驗(yàn)地，巖石類型為花崗片麻巖 。巖石中含有 Ca、K 、Na、Mg、Al、Fe、P、Zn 、Mn、Cu、Cr、Pb、B 等金屬元素。試驗(yàn)所用肥料為緩釋復(fù)混肥(slow release fertilizer，簡稱 HK);生物有機(jī)肥(bio-organic fertilizer，簡稱 YJ);微生物菌肥(microbial agent，簡稱SW)，每種肥料均設(shè)4個處理的施肥量，每個處理設(shè)3個重復(fù)，見表1。對照設(shè)置有水對照(CK1)、水+巖石對照(CK2)、水+肥料對照(CK3)。

表1 室內(nèi)模擬不同肥料使用量

2.2 試驗(yàn)方法

在150 ml的三角瓶中，加入取回的巖石粉(過100目篩)5 g，然后加入不同量的肥料，最后加入100 ml去離子水充分?jǐn)嚢瑁?5℃左右搖床上進(jìn)行培養(yǎng)，搖床的擺動頻率為350 r/min。每隔10 d取一次上清液，共取5次，樣品用針頭過濾器(Millipore，Whatman濾膜，孔徑 0.22 μ m)過濾 ，取濾液 5 ml，置于 50 ml的容量瓶中定容(稀釋10倍)，取5 ml稀釋液放置10 ml離心管中，加1滴濃硝酸，使其酸化待測。用電感耦合等離子-發(fā)射光譜儀(美國Varian公司Vista MPX型)分別測定Na、Fe、Cr、Al等金屬元素質(zhì)量濃度。

3 結(jié)果與分析

3.1 Na元素釋放分析

室內(nèi)模擬肥料對Na元素釋放作用如圖1所示，水對照在測定時間上Na元素含量基本相同，而水+巖石粉末對照隨著時間延伸，Na元素呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，最大釋放量(0.043 mg/L)出現(xiàn)在第50天，說明水分對巖石中Na元素釋放有促進(jìn)作用。在HK處理上，水+肥料對照中，Na元素釋放量隨著肥料用量和測定時間的延伸，其含量不斷增加，最大釋放量(4.075 mg/L)出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天，說明肥料中Na元素隨著時間的延伸，釋放量不斷增加;肥料溶液+巖石處理，Na元素釋放量同樣呈現(xiàn)出隨著肥料用量和測定時間的延伸，其含量不斷增加，最大釋放量(5.058 mg/L)出現(xiàn)在HK4處理的第 50天，說明HK處理對巖石中Na元素的釋放隨著處理肥料用量和時間的延伸不斷增加。

在YJ處理上，水+肥料對照處理中，同 HK中水+肥料對照相同，最大釋放量(8.694 mg/L)出現(xiàn)在CK3-4處理上;肥料溶液+巖石處理上，亦同水+肥料對照處理相同，其最大釋放量(9.678 mg/L)出現(xiàn)在YJ4處理的第50天，說明YJ處理對巖石中Na元素的釋放隨著處理肥料用量和時間的延伸不斷增加。在SW處理上，水+肥料對照處理與肥料溶液+巖石處理中，Na元素釋放量趨勢同以上兩種肥料處理下相同，最大釋放量分別出現(xiàn)在CK3-4(5.550 mg/L)和SW4(7.438 mg/L)的第50天。同樣可以說明SW處理對巖石中Na元素的釋放隨著處理肥料用量和時間的延伸不斷增加。

圖1 Na元素釋放量

3.2 Fe元素釋放分析

如圖2所示，室內(nèi)模擬肥料對Fe元素釋放作用在水對照的測定時間上Fe元素含量基本相同，而水+巖石粉末對照隨著時間延伸，F(xiàn)e元素不斷增加，最大釋放量(0.259 mg/L)出現(xiàn)在第50天，說明水分對巖石中Fe元素釋放有促進(jìn)作用。在HK處理上，水+肥料對照處理中，各肥料用量處理與測定時間上Fe元素的釋放量變化較復(fù)雜，隨著肥料用量增加，其釋放量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，CK3-2處理達(dá)到最大，在不同測定時間上，最大釋放量均出現(xiàn)在第40天，其他測定時間上釋放量的變化無規(guī)律可尋，說明HK中Fe元素的釋放規(guī)律很復(fù)雜，從而導(dǎo)致其肥力作用不穩(wěn)定;肥料溶液+巖石處理中，F(xiàn)e元素釋放規(guī)律同樣復(fù)雜，甚至有低于水、水+巖石、水+肥料對照的處理，不同肥料用量處理，除了在第10天最大釋放量出現(xiàn)在HK1上外，其余測定時間均呈現(xiàn)隨肥料增加而增加的趨勢，最大釋放量出現(xiàn)在HK4處理的第40天(0.259 mg/L)，與水+巖石對照處理的50天測定值相同，說明HK處理在一定程度上抑制了巖石中Fe元素的釋放或者HK中某些元素與Fe元素發(fā)生了耦合，導(dǎo)致了測定值降低。在YJ處理上，水+肥料對照處理中，甚至有些測定值低于水對照和水+巖石對照，在不同測定時間上，F(xiàn)e元素釋放量最大值均出現(xiàn)在第50天;肥料溶液+巖石處理中，同樣存在某些測定值小于其他3種對照的現(xiàn)象，其不同肥料用量處理以及不同測定時間上Fe元素釋放量變化同樣較為復(fù)雜，沒有規(guī)律可循，綜合最大釋放量出現(xiàn)在YJ4處理的第50天，可能因?yàn)閅J處理在一定程度上抑制了巖石中Fe元素的釋放或者HK中某些元素與Fe元素發(fā)生了耦合，從而導(dǎo)致了測定值的變化無規(guī)律可循。在SW處理上，水+肥料對照處理和肥料溶液+巖石處理中Fe元素釋放量同樣無規(guī)律可循，且存在某些測定值小于水對照和水+巖石對照處理，水+肥料對照處理的最大釋放量(0.253 mg/L)出現(xiàn)在SW3-3處理的第10天，而肥料溶液+巖石處理最大釋放量(0.302 mg/L)出現(xiàn)在SW4處理的第40天。

圖2 Fe元素釋放量

3.3 Cr元素釋放分析

如圖3所示，水對照與水+巖石對照處理中，Cr元素的含量相差不明顯，說明水分對于巖石中Cr元素的釋放作用不明顯。在HK、YJ和SW不同肥料用量以及不同測定時間點(diǎn)上的Cr元素釋放量基本相似，它們之間相差不大，HK處理的最大釋放量出現(xiàn)在HK4處理的第30天(0.065 mg/L);YJ處理的最大釋放量出現(xiàn)在YJ3處理的第50天(0.078 mg/L);SW處理的最大釋放量出現(xiàn)在SW1處理的第40天(0.59 mg/L)。但與水+肥料處理相比較，HK處理與水+肥料對照處理相差不大甚至小于對照，這種現(xiàn)象在SW處理中易見到，說明兩種肥料的某種元素與Cr元素產(chǎn)生了耦合。

3.4 Al元素釋放分析

如圖4所示，水對照在測定時間上元素含量基本相同，而水+巖石粉末對照隨著時間延伸，元素最大釋放量(3.078 mg/L)出現(xiàn)在第50天，其他均呈現(xiàn)隨時間延伸而增加的趨勢，說明水分對巖石中Al元素釋放有促進(jìn)作用。在HK、YJ和SW處理上，水+肥料對照處理與肥料溶液+巖石處理中，Al元素的釋放量變化均隨著肥料用量的增加以及測定時間的延伸逐漸增加，且肥料溶液+巖石處理下Al元素的釋放量均大于水+肥料對照處理下的含量。在HK處理下，水+肥料對照處理最大含量出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(1.643 mg/L)，肥料溶液+巖石處理的最大釋放量出現(xiàn)在HK4處理的第50天(1.984 mg/L);YJ處理下，水+肥料對照處理最大含量出現(xiàn)在CK3-4處理的第30天(3.609 mg/L)肥料溶液+巖石處理的最大釋放量出現(xiàn)在YJ4處理的第50天(5.837 mg/L);在SW處理下，水+肥料對照處理最大含量出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(2.950 mg/L)肥料溶液+巖石處理的最大釋放量出現(xiàn)在YJ4處理的第50天(5.912 mg/L)。

圖3 Cr元素釋放量

圖4 Al元素釋放量

4 結(jié)論

綜合以上分析可以得出，3種肥料處理中，以生物有機(jī)肥處理對巖石中Na元素釋放量的促進(jìn)作用最為明顯，且隨著肥料中Na元素釋放量的增加，巖石中Na元素也呈現(xiàn)出增加的趨勢;Fe元素的釋放作用均較復(fù)雜，甚至有低于3種對照的測定值出現(xiàn)，可能是因?yàn)樘幚碓谝欢ǔ潭壬弦种屏藥r石中Fe元素的釋放或者HK中某些元素與Fe元素發(fā)生了耦合，從而導(dǎo)致了測定值的變化無規(guī)律可循;Cr元素釋放主要以生物有機(jī)肥處理最為明顯，且3種肥料處理下Cr元素均明顯高于水+巖石對照處理;Al元素的釋放規(guī)律相同，且均較水對照、水+巖石對照和水+肥料對照中Al元素含量增加。但Na、Fe、Cr元素在某處理及測定時間點(diǎn)上有肥料溶液+巖石處理處金屬元素含量小于水+肥料對照處理的現(xiàn)象發(fā)生，可能由于金屬元素與肥料中的某種元素產(chǎn)生了耦合反應(yīng)或者是金屬離子與溶液中CO2反應(yīng)形成碳酸鹽而又重新被固定。3種肥料處理對巖石中綜合分析得知3種肥料對巖石中金屬元素釋放有促進(jìn)作用，進(jìn)而揭示3種肥料能夠加快巖石風(fēng)化速率，且以生物有機(jī)肥作用最為理想。

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