魯少波，宋慶豐，趙淑琴，李琛澤，王曉燕，楊新兵

(1.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083;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;3.河北省林業(yè)局，石家莊 050081;4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001)

土壤中Ca、Mg 大量營養(yǎng)元素和Cu、Zn、Fe、B、Mo等微量營養(yǎng)元素，它們不僅對農(nóng)作物產(chǎn)量的提高有著顯著作用，而且對產(chǎn)品品質(zhì)、提高抗病性起著決定性作用[1]。李光仁等研究表明在干旱區(qū)沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中 ，表層土壤 Cu 、Mn、Zn 、Ni、Nb、Cr、Pb 等金屬元素含量先減少后增加;W、Co、Cs、Tl、U 、K 元素含量先增加后減少;而Ba、Si元素含量逐漸減少。顯然，干旱區(qū)沙漠化土地逆轉(zhuǎn)過程不僅恢復(fù)了固沙植被，改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤肥力，也明顯改變了植物必需礦質(zhì)元素及重金屬元素含量[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。施肥措施對土壤重金屬元素影響，因土壤類型、氣候條件和種植作物不同而異。為了探究施肥對土壤重金屬的影響，廖文華對近年來國內(nèi)外部分含鎘磷肥施入后對土壤含鎘量的影響、作物減產(chǎn)的機(jī)理、Cd在土壤中轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)，提出了適合含鎘磷肥低強(qiáng)度、非點源污染特點的具體土壤修復(fù)技術(shù)[3]。李見云等研究表明重金屬Cu、Zn、Pb含量隨大棚棚齡的增加有一定的增加，Cd含量沒有明顯的規(guī)律性[4]。Bingham等報道了K肥中的伴隨離子Cl-、SO2-4可增加瑞士甜菜對Cd的吸收[5]。單施化肥、有機(jī)肥或二者配施均可提高土壤有效Fe含量[6-7]。本文利用室內(nèi)模擬肥料對巖石粉中金屬元素釋放的作用，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)一步實施提供技術(shù)支撐。

1 試驗區(qū)概況

河北省平山縣的自然條件概括為“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)。土壤類型屬于褐土性土亞類，主要有以下幾種類型土壤。(1)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。(2)非耕種頁巖褐土性土屬。間分布于石灰?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 N含量0.098%，全P含量0.023%。(3)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N含量0.031%，全P含量0.016%，pH8.5，石灰量1.5%，礫石41.1%。

2 試驗方法

2.1 試驗設(shè)計

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) 5個處理的施肥量，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)，如:文中出現(xiàn)的在緩釋復(fù)混肥(HK)處理中的CK3-1，即為水+HK1處理梯度。

表1 室內(nèi)模擬不同肥料的處理梯度

2.2 試驗方法

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)。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 ，去濾液5 ml置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)分別測定溶液中Na，F(xiàn)e，Cr，Al等金屬元素濃度。

3 結(jié)果與分析

3.1 Ca元素釋放分析

如圖1所示，在水對照中，測定時期內(nèi)Ca元素含量基本相同，而水+巖石粉末對照隨著時間延伸，Ca元素最大釋放量(3.078 mg/L)出現(xiàn)在第20天，其他均呈現(xiàn)出隨著時間的延伸而增加的趨勢，說明水分對巖石中Ca元素釋放有促進(jìn)作用，可能是因為Ca2+與溶液中的CO2-3離子形成CaCO3沉淀導(dǎo)致釋放量的降低。在HK處理上，水+肥料對照處理中，Ca元素含量隨著肥料用量的增加，在各測定時間點上均呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，而在CK3-2處理在第40天、50天出現(xiàn)了釋放量低谷，同樣可能是因為Ca2+形成Ca-CO3沉淀所致，同時肥料不同用量處理下，隨著測定時間的延伸，其釋放量均呈現(xiàn)出先降低在升高的趨勢，在 CK3-4處理的第 50天出現(xiàn)最大釋放量(2.335 mg/L);在肥料溶液+巖石處理中，各處理間Ca元素釋放量變化趨勢較復(fù)雜，基本上呈現(xiàn)出隨著測定時間的延伸不斷增加，最大釋放量均出現(xiàn)在第50天，綜合最大釋放量出現(xiàn)在HK2處理的第50天(10.482 mg/L)。在YJ處理上，水+肥料對照處理中，Ca元素釋放量變化較復(fù)雜，不同肥料用量上，基本呈現(xiàn)隨著肥料的增加而增加的趨勢，而在不同測定時間點上，除了CK3-4最大釋放量出現(xiàn)在第50天測定處，其他最大釋放量均出現(xiàn)在第40天;肥料溶液+巖石處理中，不同肥料用量對Ca元素釋放量變化同樣較復(fù)雜，其趨勢與水+肥料對照處理一致，而在不同測定時間點上，除了YJ4最大釋放量(12.203 mg/L)出現(xiàn)在第40天，其余處理均出現(xiàn)在第20天。在SW處理上，水+肥料對照中，Ca元素釋放量變化趨勢與 YJ處理相同，但 CK3-4的最大釋放量(5.666 mg/L)出現(xiàn)在第20天;肥料溶液+巖石處理中，Ca元素釋放量均呈現(xiàn)出隨著肥料用量的增加和測定時間的延伸而增加的趨勢，其最大釋放量(8.194 mg/L)出現(xiàn)在SW4處理的第50 d。

圖1 Ca元素釋放量

3.2 K元素釋放分析

如圖2所示，室內(nèi)模擬肥料對K元素釋放作用在水對照的測定時間上K元素含量基本相同，而水+巖石粉末對照隨著時間延伸，K元素呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，最大釋放量(0.489 mg/L)出現(xiàn)在第50天，說明水分對巖石中K元素釋放有促進(jìn)作用。在HK處理上，水+肥料對照處理中，隨著肥料用量的增加以及測定時間的延伸，K元素釋放量均呈現(xiàn)增加的趨勢，在CK3-4處理的第50天出現(xiàn)最大值(97.137 mg/L)，且CK3-3與CK3-4之間差異很大;在肥料溶液+巖石處理中，K元素釋放量在每個肥料用量處理上的每個測定時間處的變化趨勢與水+肥料對照處理相同，最大釋放量出現(xiàn)在HK4處理的第50天(113.712 mg/L)，但是，HK4處理上的 10～30 d測定的3個釋放量值均小于水+肥料對照，說明在此時間段內(nèi)巖石所釋放的K元素與其他金屬元素發(fā)生了耦合。在YJ處理上，水+肥料對照處理與HK中水+肥料對照處理中K元素釋放量變化相同，最大釋放量出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(10.007 mg/L)，而在CK3-3處理的第30天，K元素釋放量出現(xiàn)了降低，這可能是由于測定誤差所致;肥料溶液+巖石處理中，不同肥料用量間測定值均呈現(xiàn)增高的趨勢，但是在YJ3處理上除了第40天，其他的均出現(xiàn)了明顯低谷，不同施肥量在各測定時間處，均呈現(xiàn)出隨著時間的延伸而增加的趨勢，在YJ4處理的第50天出現(xiàn)最大值(7.957 mg/L)，但是YJ4處理上所有測定時間點的數(shù)值均小于水+肥料對照處理。

在SW處理上，水+肥料對照處理中，K元素釋放量所有的變化趨勢與YJ處理上水+肥料對照處理相同，最大釋放量出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(11.232 mg/L)，但是，此對照組出現(xiàn)了某些測定值小于水對照處理的現(xiàn)象;肥料溶液+巖石處理中，不同施肥量間對K元素釋放量作用的變化趨勢均呈現(xiàn)SW4＜SW2＜SW1＜SW3，且SW4處理每個測定時間點上釋放值均小于CK3-4。在連續(xù)測定時間點上，相同肥料用量處理下，K元素釋放量逐漸的增加，在SW3處理下的第50天出現(xiàn)最大值(25.067 mg/L)，且SW3處理在30～50 d測定處K元素釋放量土壤增高。

3.3 Pb元素釋放分析

如圖3所示，“0”并不代表沒有含量，而是含量太低，試驗儀器無法讀出合理數(shù)值。室內(nèi)模擬肥料對Pb元素釋放作用在水對照的測定時間上Pb元素含量基本相同，而水+巖石粉末對照隨著時間延伸，元素呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，最大釋放量(0.001 1 mg/L)出現(xiàn)在第50天，說明水分對巖石中Pb元素釋放有促進(jìn)作用。在HK處理上，水+肥料對照處理與肥料溶液+巖石處理在不同肥料用量和不同測定時間點上所測得的Pb釋放量的變化趨勢一致，均呈現(xiàn)隨著肥料用量的增加和測定時間的延伸而增加，水+肥料最大值出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(0.031 mg/L);肥料溶液+巖石的最大值出現(xiàn)在HK4處理的第50天(0.058 mg/L)。在YJ處理上，水+肥料對照處理對Pb元素釋放量的變化較為復(fù)雜，同種肥料用量在不同的測定時間點上均呈現(xiàn)出隨著時間的延伸而增加，而不同肥料用量間的差異沒有規(guī)律可循;肥料溶液+巖石處理中，Pb元素釋放量在不同測定時間點上的變化規(guī)律與水+肥料對照處理相同，在不同肥料用量間的差異同樣沒有規(guī)律可循。在SW處理上，水+肥料對照處理上，不同肥料用量間對Pb元素釋放量的變化總體上呈現(xiàn)隨著肥料用量的增加而增加的趨勢，在不同測定時間上規(guī)律亦是如此，隨著時間的延伸而增加，最大含量出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(0.029 mg/L);肥料溶液+巖石處理中，Pb元素釋放規(guī)律與YJ處理下相同，最大釋放量出現(xiàn)在SW4處理的第50天(0.049 mg/L)。

圖2 K元素釋放量

圖3 Pb元素釋放量

3.4 Mg元素釋放分析

室內(nèi)模擬肥料對Mg元素釋放作用如圖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，元素呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，最大釋放量(0.640 mg/L)出現(xiàn)在第50天，說明水分對巖石中Mg元素釋放有促進(jìn)作用。在HK處理上，水+肥料對照處理與肥料溶液+巖石處理中，Mg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而逐漸增加的趨勢，水+肥料對照處理最大值出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(3.690 mg/L);肥料溶液+巖石處理最大釋放量出現(xiàn)在HK4處理的第50天(5.421 mg/L)，且肥料溶液+巖石處理下Mg元素含量高于水+肥料對照處理，說明，HK處理對巖石中Mg元素的釋放起到了促進(jìn)作用。在YJ處理上，水+肥料對照處理與肥料溶液+巖石處理中，Mg元素的釋放量變化規(guī)律與HK相同，水+肥料對照處理最大值出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(4.501 mg/L);肥料溶液+巖石處理最大釋放量出現(xiàn)在HK4處理的第50天(6.452 mg/L)，且肥料溶液+巖石處理下Mg元素含量高于水+肥料對照處理，說明，YJ處理對巖石中Mg元素的釋放起到了促進(jìn)作用。在SW處理下，水+肥料對照處理與肥料溶液+巖石處理中，Mg元素的釋放量變化規(guī)律亦是與以上兩種肥料處理相同。

圖4 Mg元素釋放量

4 結(jié)論

3種肥料對巖石中金屬元素釋放的影響作用不同，Ca元素釋放量在各處理上的變化趨勢較為復(fù)雜，主要是因為Ca2+形成CaCO3沉淀導(dǎo)致風(fēng)化出來的Ca2+又重新被固定住;K元素以HK處理最為明顯，主要是因為HK本身含有大量的K元素，其他兩種肥料的影響較為復(fù)雜，但總體均較水+巖石對照處理釋放量高;Pb元素各肥料及每個梯度處理下釋放量均明顯高于水+巖石對照處理，且肥料溶液處理下Pb含量高于水+肥料處理;Mg元素各肥料及每個梯度處理下的釋放規(guī)律相同，且均較水對照、水+巖石對照和水+肥料對照中Mg元素含量增加。Ca、K、元素在某處理及測定時間點上有肥料溶液+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。但是以上金屬元素含量均大于水+巖石對照處理，說明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YJ作用最為理想。

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