賈學(xué)萍,劉勤,張煥朝

（1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽宣城242000；2.中科院南京土壤研究所常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家實驗站,江蘇南京210008；3.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210037）

不同水稻土對磷吸附的影響因素研究

賈學(xué)萍1,2,劉勤2,張煥朝3

（1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽宣城242000；2.中科院南京土壤研究所常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家實驗站,江蘇南京210008；3.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210037）

選用典型的紅壤、黃泥土、潮沙土3種水稻土為研究對象,分析3種土壤對有機磷、無機磷的吸附特征.結(jié)果表明：吸附量表現(xiàn)出相同的規(guī)律,即紅壤＞黃泥土＞潮沙土,有機磷＞無機磷；低分子有機酸能有效減少土壤對磷的吸附,減少程度為檸檬酸＞草酸＞酒石酸＞乙酸,對于種類相同的有機酸,其濃度越大,減少的程度越大；環(huán)境的酸堿度對磷吸附的影響是分階段的,高酸環(huán)境下,磷的吸附量隨pH值的升高而降低,弱酸時出現(xiàn)拐點,在堿性環(huán)境下,磷的吸附量隨pH值的升高而升高；隨著離子濃度的升高,磷吸附量逐漸升高,但影響的程度不大；土壤對磷的吸附速度表現(xiàn)為先快后慢的特征.

水稻土；磷；吸附；影響因素

磷是植物需要的大量元素之一,土壤中磷的量對作物的生長起著重要作用,它直接參與了植物代謝過程.磷在土壤中以多種形式存在,化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,形態(tài)之間易相互轉(zhuǎn)化[1].溶解態(tài)的五價無機磷是動植物的營養(yǎng)元素,有機磷酸物參與細胞的構(gòu)成,傳遞遺傳信息,對保持生物性狀起著重要作用.我國大部分耕地土壤有效磷缺乏嚴重,磷肥的用量在逐年增加,但是作物對磷元素的利用率不高,當季有效利用率僅有5%～10%,大部分磷以植物難以吸收的狀態(tài)吸附于土壤中,導(dǎo)致土壤全磷量高,有效率量不足的現(xiàn)狀.土壤對磷的吸附固定強度能反映出作物磷養(yǎng)分需求量和磷肥需要量[2].土壤中磷肥的大量補給,導(dǎo)致一部分區(qū)域地表和地下水中含磷量超標,污染環(huán)境[3].水稻土具有特殊土壤剖面結(jié)構(gòu),有適當?shù)耐寥浪譂B漏量[4-5].水稻生長季要保持長時間的淹水,水分滲漏量占總耗水量的40%以上[6].對水稻土磷的吸附-解吸的研究顯得尤為重要.

土壤對磷吸附-解吸的影響因素很多,與黏粒含量、土粒比表面以及無定形氧化鐵鋁含量等都存在一定的相關(guān)性,磷的施用方式也影響磷的吸附動力.外界條件pH值、溫度、有機質(zhì)含量、有機酸等也影響磷的吸附-解吸.磷轉(zhuǎn)移的研究能夠更好地服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),控制水體磷富營養(yǎng)化污染[7].本研究選用3種不同水稻土對磷吸附的影響因素進行試驗,以期得到對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和控制水體磷富營養(yǎng)化污染具有指導(dǎo)性的數(shù)據(jù).

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 樣品采集及土壤理化性質(zhì)測定

3種水稻土分別來自不同區(qū)域,其土壤類型、母質(zhì)及采集地點見表1.

1.1.1 樣品采集

表1 樣品采集Tab.1 Situation of the soil for test

1.1.2 土壤理化性質(zhì)測定

pH值測定：水浸提（1∶2.5）,玻璃電極；

陽離子交換量測定：用1 mol/L的醋酸銨（pH 7.0）法；

有機質(zhì)含量：重鉻酸鉀外加熱容量法；

速效磷測定：NaHCO3鉬銻抗比色法；

全磷測定：HClO4和H2SO4消煮,鉬銻抗比色法；

游離氧化鐵、游離氧化鋁測定用DOC方法.

供試土壤的基本理化性質(zhì)見表2.

表2 供試土壤基本性質(zhì)Tab.2 Basic physical and chemical properties of soil samples

供試無機磷為KH2PO4,有機酸為肌醇六磷酸,試驗用HCl和NaOH調(diào)溶液pH值,故在磷的吸附試驗中,參與吸附的有機磷的形態(tài)為肌醇六磷酸鈉和未電離的分子.

1.2 等溫吸附試驗

風干土壤過20目篩,稱2.50 g于100 mL離心管中,加入KH2PO4溶液,使磷質(zhì)量濃度分別為0、2、5、10、15、20、30、50、75 mg/L,溶劑為0.01 mol/L的KCl溶液（pH=7.0）,加氯仿3滴,密封,置恒溫振蕩器中振蕩20 h（25℃,振速200 r/min）,離心15 min（4 000 r/min）,過濾,測上清液磷質(zhì)量濃度（鉬藍比色法）.根據(jù)溶液中磷質(zhì)量濃度差,計算土壤磷吸附量.有機磷測試方法同上,試驗為2個重復(fù),數(shù)值取平均數(shù).

1.3 吸附影響因素試驗

1.3.1 低分子有機酸影響

有機酸種類影響：稱取土樣2.50 g于50 mL離心管中,按1∶20固液比分別加入有機酸和磷的混合溶液,有機酸種類為草酸、酒石酸、檸檬酸、乙酸,有機酸濃度分別為2.0 mmol/L和5.0 mmol/L,磷質(zhì)量濃度為20 mg/L（pH=7.0）,測量在不同有機磷干擾下無機磷的吸附量.

有機酸濃度影響：稱取土樣2.50 g于50 mL離心管中,按1∶20固液比分別加入草酸、檸檬酸和磷的混合溶液,有機酸濃度為1.0、2.0、5.0、8.0、10.0 mmol/L；磷質(zhì)量濃度為20 mg/L,調(diào)節(jié)pH值為7.0,測量不同質(zhì)量濃度有機磷干擾下無機磷的吸附量.

1.3.2 pH影響 稱取土樣2.50 g于50 mL離心管中,按1∶20固液比加入KH2PO4溶液（磷質(zhì)量濃度為20 mg/L）,調(diào)節(jié)溶液的pH值分別為0、2、4、5、6、7、8、10、12.測量不同pH值條件下無機磷的吸附量.

1.3.3 離子濃度的影響 稱取土樣2.50 g于50 mL離心管中,按1∶20固液比加入KH2PO4溶液（磷質(zhì)量濃度為20 mg/L,pH=7.0）,分別以0.001、0.01、0.1、1、5 mol/L的KCl溶液為溶劑,測量不同離子濃度下無機磷的吸附量.

1.3.4 吸附動力學(xué)試驗 稱取土樣2.50 g于50 mL離心管中,加入含磷量為20 mg/L的KH2PO4溶液（pH=7.0,溶劑為0.01 mol/L的KCl溶液）,振蕩,分別在5、15 min及0.5、1、3、5、8、12、16、24 h取樣測量無機磷的吸附量,對比不同時間下無機磷的吸附動力學(xué).

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻土無機磷、有機磷的吸附曲線

式中：B、C、D為最大值為1的隨機函數(shù)的絕對值；ki=(i/10)，i=1, 2, 3, ……, 14；A按式(19)取值。

圖1 3種水稻土中無機磷、有機磷的等溫吸附曲線Fig.1 Inorganic and organic phosphate adsorption cruves of three paddy soils

由圖1可知,土壤對磷的吸附量隨加入磷源質(zhì)量濃度的增加而增加,當加入的磷質(zhì)量濃度小于10 mg/L時,土壤對磷吸附的提高速度較快；磷質(zhì)量濃度約在10～20 mg/L時呈現(xiàn)拐點；當磷質(zhì)量濃度較高時,吸附量隨質(zhì)量濃度的提高增幅降低,趨于平緩狀態(tài).這是由于當磷質(zhì)量濃度較低時,離土壤吸附磷的飽和度較遠,吸附能高,吸附速度快,吸附率高；隨著磷質(zhì)量濃度的增加,離飽和度近,吸附能變低,吸附速度慢,吸附率低.

3種水稻土對無機、有機磷吸附均表現(xiàn)出相同的規(guī)律,即吸附量紅壤＞黃泥土＞潮沙土,這與3種土壤的理化性質(zhì)和粘粒含量有關(guān).對于相同質(zhì)量濃度的不同磷源,土壤對有機磷的吸附量大于無機磷,這是由于土壤與不同磷源相互作用能力存在差異.

2.2 不同水稻土對無機磷、有機磷等溫吸附的方程模擬

3種水稻土對無機磷吸附的等溫擬合參數(shù)見表3,對有機磷吸附的等溫擬合參數(shù)見表4.

表3 3種水稻土對無機磷吸附的等溫擬合參數(shù)Tab.3 Inorganic phosphate adsorption parameters in three paddy soils

表4 3種水稻土對有機磷吸附的等溫擬合參數(shù)Tab.4 Organic phosphate adsorption parameters in three paddy soils

由表3、表4可知,3種水稻土對無機磷吸附方程的擬合系數(shù)r為0.932～0.991,對有機磷吸附方程的擬合系數(shù)r為0.944～0.990,均為顯著相關(guān),3種方程對3種土壤擬合都很好.最大吸附量均表現(xiàn)出紅壤＞黃泥土＞潮沙土,這是由于紅壤粘粒含量高、結(jié)合能大的原因.對于同一土壤的3種方程,無機磷表現(xiàn)為Langmuir方程較好,有機磷表現(xiàn)為Temkin方程較好.

2.3 不同水稻土對有機肥中磷的吸附狀況

圖2 3種水稻土對雞糞中無機磷、有機磷的等溫吸附曲線Fig.2 Inorganic and organic phosphate of chichen manure adsorption cruves of three paddy soils

由圖2可知,以雞糞為外加磷源時,吸附曲線表現(xiàn)與純試劑不用.當雞糞量小時,無論是有機磷還是無機磷,吸附量都隨著磷加入量的增加而增大,到達一定的拐點后,吸附量反而下降.當雞糞中無機磷質(zhì)量濃度與純化學(xué)試劑中質(zhì)量濃度相同時,純化學(xué)試劑的無機磷吸附量大于雞糞中無機磷吸附量,原因是雞糞中有機質(zhì)含量高,抑制土壤對磷的吸附,磷的存在狀態(tài)復(fù)雜,導(dǎo)致有機磷和無機磷競爭吸附.

2.4 不同水稻土對磷吸附影響因素的分析

2.4.1 低分子有機酸種類對磷吸附的影響 不同低分子有機酸對3種水稻土無機磷吸附的影響見圖3.

圖3 不同低分子有機酸對3種水稻土無機磷吸附的影響Fig.3 The affection of low molecular organic acids on inorganic phosphate adsorption

由圖3可知,不同濃度的4種低分子有機酸都降低了土壤對磷的吸附量.由于低分子有機酸減弱了土壤固體表面的吸附能,降低了土壤對磷酸根離子的束縛,這時被吸附的磷酸根能量位點低,加速了磷的解吸.3種土壤表現(xiàn)相同的趨勢：低分子有機酸的加入使磷的吸附量降低,降低的程度大小為檸檬酸＞草酸＞酒石酸＞乙酸.

2.4.2 低分子有機酸濃度對磷吸附的影響 低分子有機酸濃度對磷吸附的影響見圖4.

圖4 不同濃度有機酸對磷吸附的影響Fig.4 The affection of density of low molecular organic acids on inorganic phosphate adsorption

由圖4可知,草酸和檸檬酸對不同水稻土吸附磷的影響表現(xiàn)出相同的規(guī)律：兩種酸濃度從1.0 mmol/L到5.0 mmol/L,均降低了磷的吸附,在有機酸的干擾下,土壤對無機磷的吸附量隨著酸濃度的增大逐漸減少.這是由于在有機酸的存在下,土壤對磷的吸附更容易解吸的緣故.有機酸對無機磷吸附量的降低程度隨著酸濃度的增大而增大.

2.4.3 pH對磷吸附的影響 不同pH值條件下,3種水稻土對磷的吸附量見圖5.

圖5 不同pH對無機磷吸附的影響Fig.5 The affection of pH on inorganic phosphate adsorption

由圖5可知,溶液的pH值對磷的吸附量有一定的影響.當pH值在0～5時,吸附量都隨著pH值的升高而降低；當pH約等于6時,吸附量達到低谷；當pH值大于6時,吸附量又隨著pH值的升高而升高.這是由于pH值影響了磷的存在形式,當主要成分是H2PO4-時,土壤中硅酸鹽、鎂鹽、Fe（OH）3以及鋁硅酸鹽都影響了吸附過程.在pH較高時,更促進了磷的吸附.

2.4.4 離子濃度對磷吸附的影響 不同離子濃度條件下3種水稻土對有機磷的吸附量見圖6.

圖6 不同離子濃度對有機磷吸附的影響Fig.6 The affection of ionic strength on inorganic phosphate adsorption

由圖6可知,當加入緩沖液由0.001 mol/L增加至5.0 mol/L時,3種土壤對磷的吸附均表現(xiàn)相同的規(guī)律：隨著離子濃度的增大,土壤對磷的吸附量逐漸增加,但影響的程度不大.

2.4.5 土壤磷吸附動力學(xué) 3種水稻土的磷吸附動力學(xué)曲線見圖7.

圖7 磷吸附動力學(xué)曲線Fig.7 The dynamics curves of inorganic phosphate adsorption

由圖7可知,3種水稻土的磷吸附均表現(xiàn)出相同的規(guī)律：吸附達到平衡的24 h內(nèi),前30 min的吸附率達到60%～70%,速度增加較快,之后變慢,逐漸達到平衡.這是由于在吸附初期,屬于快過程,隨著時間的持續(xù),土壤表面能夠吸附磷離子的“活性點”減少,同時,溶液中磷離子的濃度也隨之減小,吸附曲線變平緩,這個過程屬于吸附的慢過程[10].

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明：3種土壤對磷的最大吸附量均表現(xiàn)為紅壤＞黃泥土＞潮沙土,有機磷＞無機磷,所以在農(nóng)田施肥的過程中,紅壤和黃泥土水稻田應(yīng)適當增加磷的使用量,以滿足作物生長需要；在雞糞中磷吸附試驗中,最大吸附量均小于純試劑磷源,這主要是雞糞中有機質(zhì)含量多,加速了磷的解吸作用,并且存在有機磷和無機磷競爭吸附的緣故；低分子有機酸的加入能夠有效減少土壤對磷的吸附,減少的程度為檸檬酸＞草酸＞酒石酸＞乙酸,對于種類相同的有機酸,其濃度越大,減少的程度越大；環(huán)境的酸堿度對磷吸附的影響是分階段的,高酸環(huán)境下,磷的吸附量隨著pH值的升高而降低,弱酸時出現(xiàn)拐點,在堿性環(huán)境下,磷的吸附量隨著pH值的升高而升高；隨著離子濃度的升高,磷吸附量逐漸升高,但影響的程度不大；3種水稻土對磷的吸附速度表現(xiàn)為先快后慢的特征.從環(huán)境角度考慮,潮沙土對磷的固定能力弱,磷容易流失,這種稻田應(yīng)減少磷的施入,以防造成地下水和周邊地表水的污染.

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（責任編輯：鄧天福）

The influencing factors of adsorption to phosphorus in the different types of paddy soils

Jia Xueping1,2,Liu Qin2,Zhang Huanchao3
（1.Xuancheng Vocational and Technical College,Xuancheng 242000,China；2.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences,Farmland Ecosystem Experiment Station in Changshu,Nanjing 210008, China；3.College of Forest Resources and Environment,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037, China）

Three kinds of typical paddy soils were choosed：red soil,yellow soil,chaosha soil,the adsorption characteristic of organic and inorganic phosphorus in the three types of paddy soils were studied.The results showed that：no matter the inorganic or organophosphorus phosphorus adsorption showed the same disciplinarian：red soil＞yellow soil＞ chaosha soil,organo phosphorus＞ inorganic phosphorus.The low molecular organic acids could effectively reduce adsorption of phosphorus,the degree as：citric acid＞oxalic acid＞tartaric acid＞acetic acid.For the same type of organic acid,the greater the concentration,the greater the degree of reduction.The environmental pH effected phosphorus adsorption in stages,in high acid environment,the higher of pH,the more of odsorption,there was a turning point in weak acid environment,in alkaline environment,the adsorption of phosphorus rises as the pH.With the increase of ionic strength,phosphorus adsorption capacity increased,but the degree of influence was weak；the characteristics of adsorptiion was fast in earlier stage and slow in later stage.

paddy soil；phosphorus；adsorption；influencing factors

S158

A

：1008-7516（2015）04-0007-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.04.002

2015-05-15

中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目（KSCXZ-YW-N-037）；中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程項目（KZCX3-SW-435）；安徽省教育廳教學(xué)研究項目（2013JYXM370）

賈學(xué)萍（1977―）,女,河南開封人,碩士研究生,講師.主要從事農(nóng)田土壤養(yǎng)分循環(huán)與環(huán)境效應(yīng)研究.