徐 敏, 宋 春, 毛 璐, 肖 霞

(四川農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院 生態(tài)環(huán)境研究所, 四川 成都 611130)

不同土地利用方式下紫色土磷吸附-解吸動力學特征

徐 敏, 宋 春, 毛 璐, 肖 霞

(四川農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院 生態(tài)環(huán)境研究所, 四川 成都 611130)

[目的] 研究川東紫色丘陵區(qū)旱耕地、林地、果園、荒草地、茶園、水稻田6種土地利用方式下土壤磷吸附與解吸特征及其影響因素,以期為四川低山丘陵區(qū)不同土地利用方式下紫色土磷潛在流失風險評估提供理論依據(jù)。[方法] 采取研究區(qū)內6種土地利用方式下的0—20 cm土層土壤樣品,通過土壤磷吸附解吸試驗,計算土壤磷吸附—解吸參數(shù),測定土壤相關理化指標,利用主成分分析和旋轉因子分析法評估土壤磷素流失風險及其主要影響因子。[結果] 土壤pH值，有機質，水溶性磷，速效磷，全磷，CaCO3，有效鋅是影響磷吸附的重要因子,主因素分析得出速效磷、全磷、CaCO3有效鋅對紫色土吸附磷能力貢獻率分別為86.9%,89.2%,89.4%,96.9%。通過因子分析法分析土壤磷吸附解吸參數(shù),得出可用最大吸磷量Qm,最大緩沖量MBC,易解吸磷RDP, 擬合吸附量與解吸量的相關關系式中的截距值b這4個參數(shù)來綜合預測紫色土磷素流失風險。[結論] 研究區(qū)域6種土地利用方式下,果園與旱耕地土壤磷素流失風險較大,水稻田及茶園磷素流失風險較低。

土地利用; 紫色土; 磷; 吸附—解吸

土地利用對土壤的各種要素都有著重要的影響。不同土地利用類型對土壤理化性質有著顯著的影響，研究表明土地利用對全氮、有機質、全磷、水溶性磷含量都有顯著影響(p<0.01)[1]，近年來對于不同土地利用方式下土壤磷素流失風險的報道較多，不同學者研究結果有一定差異，這與研究區(qū)域的成土母質有關[2]。劉海婷等[3]對泉州市不同土地利用方式磷吸附—解吸特征研究表明，磷的流失風險順序為輪作地>草地>林地>旱地，而胡艷等[4]對川西地區(qū)研究結果表明，川西山地旱地對磷的固定能力較差，水田土壤對磷的固定能力很強，茶園和林地土壤的磷流失風險則介于旱地和水之間。紫色土是在亞熱帶濕潤季風氣候條件下有紫色砂頁巖發(fā)育而成的，集中分布在四川盆地低山丘陵區(qū)和三峽庫區(qū)，面積達1.60×105km2多。紫色土因其土壤礦質元素豐富，使得其所在地區(qū)成為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。21世紀以來磷肥的大量施用降低了肥料利用率，過量磷素隨水流失，對環(huán)境造成嚴重的負面影響[5-6]。川東丘陵區(qū)，因其獨特的地形及氣候條件，使得紫色土區(qū)磷素流失更加嚴重。因此，研究該區(qū)域不同土地利用方式下土壤磷素的吸附—解吸特征及流失風險對紫色土磷素肥力可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文選擇川東丘陵區(qū)6種土地利用類型，擬通過研究土地利用方式對紫色土及紫色土長期種植水稻演變成的水稻土磷的吸附與解吸特征及其影響因素，以期為四川低山丘陵區(qū)不同土地利用方式下紫色土磷潛在流失風險評估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省和重慶市是中國紫色土分布最多且最集中的地區(qū)，占全國紫色土面積的51.28%。其中四川省紫色土面積為9.11×106hm2，占土地總面積的18.4%，耕種紫色土面積為4.07×106hm2，占紫色土總面積的44.6%，占全省耕地面積的36.4%[7]。本文以紫色土分布最廣的四川東部緩丘地區(qū)的紫色土及紫色土長期種植水稻演變成的水稻土為研究對象。研究區(qū)域屬于亞熱帶季風氣候，積溫達4 000～6 000 ℃，無霜期230～340 d，全年日照時間1 000～1 400 h，年降水量達1 000～1 200 mm。研究區(qū)域土地利用類型較多，其中耕地、林地、果園、草地分別占該區(qū)域土地總面積的27.01%，41.39%，3.89%，1.78%。

1.2 土樣的采集與基本理化性狀的測定

于2013年5月進行樣品的采集，共采集土壤樣本40個，其中旱耕地土壤12個，果園土壤6個，林地土壤8個，荒草地土壤8個，茶園土壤3個，水稻土3個。采用“S”形布點法，采集0—20 cm土層土樣，用四分法進行縮分，挑出植物殘體與石塊，帶回實驗室風干，磨細，過2與0.2 mm篩，裝袋備用。其基本理化性質見表1，其中pH值用電位法測定；有機質用K2Cr2O7—H2SO4外加熱法測定；速效氮用堿解擴散法；速效鉀用1 mol/L NH4OAC浸提火焰光度計法測定；速效磷用0.5 mol/L的NaHCO3浸提，鉬銻抗比色分光光度法測定；全磷用HClO4—H2SO4溶解，鉬銻抗比色分光光度法測定，CaCO3用中和滴定法；土壤有效鐵和有效鋅采用Mehlich 3法測定[8-9]。

1.3 吸附試驗

每個樣本稱取7份2.00 g過2 mm篩的土樣，分別放置于7個50 ml塑料離心管中，分別加入含磷量為0，10，20，40，60和150 mg/L的0.01 mol/L CaCl2溶液20 ml(pH值為7,用KH2PO4配制)，同時加入3滴甲苯以抑制微生物生長。將塑料管加塞后置于25 ℃下恒溫震蕩24 h，振速180 r/min，平衡后離心10 min(4 000 r/min)，取上清液測定磷濃度，計算土壤吸磷量。

表1 供試土壤基本理化性質

1.4 解吸試驗

吸附試驗結束后，用95%的酒精清洗土樣中游離的及塑料管壁殘留的磷酸鹽各2次，加入20 ml 0.01 mol/L CaCl2溶液，加塞，25 ℃下恒溫震蕩24 h，振速180 r/min，平衡后離心10 min(4 000 r/min)，取上清液測定溶液中磷濃度，計算磷解吸量。

1.5 吸附解吸參數(shù)計算

根據(jù)Langmuir等溫吸附模型[3]：

C/Q=C/Qm+1/(KQm)

(1)

式中：C——平衡溶液中磷的濃度(μmol/L)；Q——土壤吸磷量(mg/100 g)；K——與吸附能力有關的常數(shù)；Qm——土壤最大吸磷量(mg/kg)。

其中參數(shù)含義如下：最大吸磷量Qm(mg/kg)是土壤磷庫容量的一種標志，只有當磷庫達到一定容量時，土壤才有可能向作物提供生長所需的養(yǎng)分；吸附常數(shù)K在一定程度上反映了土壤吸附磷的能級，K為正值，說明吸附反應在常溫下是自發(fā)進行的。

根據(jù)吸附解吸試驗及Langmuir等溫吸附模型得出的系列參數(shù)，計算如下指標：

磷吸持指數(shù)PSI，即PSI=X/lnc，其中X(mg/100 g)為土液比為1∶10條件下，每1 g土加1.5 mg磷時，平衡后測得的土壤吸磷量；c(μmol/L)為與此條件下平衡液中的磷濃度?？梢杂靡员碚魍寥赖墓塘啄芰?其值越大表明土壤固磷能力越強[3]。

易解吸磷RDP(mg/kg)，加磷量為0時土壤中的磷進入溶液中的磷，即在0.01 mol/L CaCl2溶液濃度時，土壤磷素從固相向液相轉移的量，其大小可表征磷由固相進入液相的能力，其值越大表明土壤磷素越易流失[10]。

最大緩沖容量MBC(mg/kg)，MBC=KQm，一般認為它能較好地表征土壤的吸磷特征，該值越大,說明土壤貯存磷的能力越強。若土壤Qm高，而MBC低，土壤結合能力低，磷易流失，當Qm高，且MBC也較高時，土壤對磷固持能力才較強[11]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 20.0軟件進行相關性分析，數(shù)據(jù)標準化采用中心效果測度轉換，主成分分析選用旋轉因子分析。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下紫色土吸附特征

土壤磷等溫吸附曲線可以用Langmuir方程很好的擬合[12]。根據(jù)Langmuir方程可計算出一系列土壤磷吸附參數(shù)如表2所示。不同土地利用方式下土壤最大吸磷量Qm表現(xiàn)為：果園土壤>水稻土>荒草地土壤>旱耕地土壤>林地土壤>茶園土壤，表明果園與旱耕地相對于其他利用類型來說土壤磷素容量較大。K值表現(xiàn)為：茶園土壤>荒草地土壤>水稻土>林地土壤>旱耕地土壤>果園土壤，茶園土壤K值較高，表明其對磷素吸附能力較強，而其速效磷含量偏低(15.5 mg/kg，Olsen法，表1)，表明土壤可供植株吸收的磷較少，需適當施用磷肥來滿足植物生長需求。

表2 不同土地利用方式下土壤磷吸附的Langmuir方程及吸附參數(shù)

注：Qm(mg/kg)指最大吸磷量；K指吸附常數(shù)；PSI指磷吸持指數(shù)；RDP(mg/kg)指易解吸磷；MBC(mg/kg)指最大緩沖容量。下同。

RDP指數(shù)表現(xiàn)為：果園土壤>旱耕地土壤>林地土壤>荒草地土壤>水稻土>茶園土壤。這表明水稻土與茶園土壤對磷具有較強的吸附能力，這可能是因為水稻土有機質含量高，對磷的吸附位點較多，茶園土pH值較低，即H+較多，從而增加了此兩種利用方式下土壤對磷的吸附能力；而果園與旱耕地土壤由于水溶性磷和速效磷含量較高，使得土壤中的磷更易從固相中向液相中轉移，其土壤磷更易流失；林地、荒草地的易解吸磷居中，原因是林地具有較厚的枯枝落葉層，提高了土壤對水分養(yǎng)分的吸附性能，而荒草地由于常年的不耕作，使得土壤水溶性磷含量較低所致，加之土壤擾動較少，使二者保蓄磷素的能力均高于果園和旱耕地。

不同土地利用方式下，土壤MBC值表現(xiàn)為：水稻土>荒草地土壤>茶園土壤>旱耕地土壤>林地土壤>果園土壤，果園土壤具有較高的Qm，而MBC較低，表明果園土壤對磷的結合能力低[5]，使得果園土壤中的磷更易隨水流失，旱耕地也表現(xiàn)出相同的趨勢。水稻土磷吸附解吸參數(shù)則表現(xiàn)為Qm較高，且MBC也較高，表明水稻土對磷的固持能力較高，能夠吸附磷，表現(xiàn)出磷“匯”的作用，這與王彥[13]、高超[14]等研究結果表現(xiàn)出一致的趨勢。其原因可能是土壤在淹水條件下，土壤Eh為負值，處于還原狀態(tài)，微生物活動減弱，從而積累了大量的有機質，同時淹水條件增加了活性氧化鐵的含量(表1)，有機質與Fe等氧化物結合在一起，形成有機無機復合體，提高了土壤對磷的吸附能力[15]，而其土壤全磷、速效磷含量較低，可能會導致作物生長受阻，因此，水田注重施用一定量的磷肥也是十分必要的。

2.2 不同土地利用方式下紫色土解吸特征

磷在土壤中的解吸過程是吸附過程的逆過程，因此，影響吸附作用的因素同樣也影響解吸作用，眾多學者認為土壤磷素解吸過程與土壤吸附磷再利用、提高磷生物有效性及土壤向水體釋放磷素等相關[4,14]。由表3可以看出，隨著外源磷投入量濃度的增大，紫色土解吸的磷量增大，表明隨著外源磷添加量的提高，紫色土磷流失風險也隨之變大，這與李學平等[15]研究結果表現(xiàn)出一致的趨勢。

表4為用y=ax+b擬合吸附量與解吸量的相關關系，可以看出土壤對磷的吸附量與解吸量呈顯著或極顯著相關關系。b為單位吸附量的解吸量，b值越大，表明土壤對外源磷的緩沖能力越差，由此可以看出土壤對磷緩沖能力大小為：茶園>荒草地>耕地>林地>水田>果園，果園的緩沖能力最差，這與其較高的速效磷水平密切相關。因此，果園應投入較少磷素，在施用磷肥的方式上應該是有機無機肥混合施用，以增強土壤對磷的緩沖能力，降低磷素流失風險。

表3 不同土地利用方式下紫色土吸附磷的解吸量 mg/100 g

表4 不同土地利用方式下土壤磷的 解吸量(y)與吸附量(x)的關系

注：*表示顯著相關(p≤0.05)； **表示極顯著相關(p≤0.01)。下同。

2.3 土壤理化性質與磷吸附解吸參數(shù)之間的相關性

土壤磷素的吸附—解吸受土壤理化性質影響較大[2,16]。本試驗結果如表5所示。有機質與Qm，PSI呈極顯著正相關關系，表明土壤有機質對磷的吸附固持能力有顯著影響。目前大量研究表明，有機質在土壤磷吸附中的作用十分復雜，主要表現(xiàn)在兩方面：一是有機質分解過程中會產(chǎn)生大量有機酸，有機酸釋放的質子有利于增強土壤對磷的吸附能力，二是有機質產(chǎn)生的有機陰離子能夠結合磷吸附位點，降低土壤吸磷容量[2]。速效氮與K，RDP相關系數(shù)分別為0.925，-0.894，其對土壤磷流失其負效應，在這方面的類似研究還鮮見報道，其可能的原因是速效氮與土壤其他理化性質的相關影響，從而間接對土壤吸附磷能力造成影響。從相關性分析可以看出，速效氮與土壤pH值、CaCO3相關系數(shù)分別為-0.923，-0.821。土壤水溶性磷、速效磷、全磷與磷吸附解吸能力密切相關。由表5可以看出，水溶性磷、全磷與MBC的相關系數(shù)分別為-0.937，-0.923，均達極顯著水平，而速效磷與b呈顯著正相關關系，表明土壤磷含量越高，其緩沖能力越差，對土壤吸附能力具有負效應，對解吸能力具有正效應，與前人研究結果一致[17]。

土壤CaCO3與RDP值相關系數(shù)為0.872，由表1可知，本研究土壤pH值<7，在pH值<7的情況下，隨著CaCO3含量升高，土壤磷有效性會有所提高，進而使土壤更易釋放磷源。田春麗等[18]研究表明，土壤全磷與有效Fe存在顯著負相關關系，本研究也得出相同的結論，二者相關系數(shù)為-0.832，而淹水條件下能夠提高活性氧化鐵的含量，這就是水稻土全磷含量較低的主要原因。有效鋅與鉀，RDP相關系數(shù)分別為-0.852，0.882，對土壤吸附磷能力有重大的影響，目前大多數(shù)學者認為磷鋅具有拮抗作用，這可能是造成隨著有效鋅含量的增大，土壤對磷的吸附固定作用越強的主要原因。

表5 供試土壤對磷的吸附和解吸參數(shù)與其基本理化性質的相關性

注：b指用y=ax+b擬合吸附量與解吸量的相關關系式中的截距值。下同。

在此基礎上，對土壤理化性質進行主成分分析(如表6所示)，提取出2個主成分，共同積累貢獻率達到了80.79%，其中第1主成分貢獻率達48.16%，為主要的貢獻因子。第1主成分主要與速效氮、CaCO3，鋅有關，第2主成分主要與全磷和速效磷有關。大量研究表明，N與C含量密切相關，pH值與CaCO3含量密切相關，也就是說有機質，CaCO3，鋅是第1主成分的主要決定因子，而土壤磷含量構成第2主成分的主要決定因子，由此，有機質，CaCO3，鋅及土壤磷含量是影響土壤對磷吸附與解吸的主要因素，而宋春麗等[2]研究表明對不同質地紅壤發(fā)育而成的水稻土土壤的全磷含量、有機質和pH值與土壤磷吸附參數(shù)未表現(xiàn)出相關性，表明不同區(qū)域、不同母質、不同類型的土壤其理化性質對磷吸附—解吸影響程度不一致。

表6 主成分分析相關系數(shù)矩陣

2.4 評價土壤磷素流失潛力的主要吸附解吸特性參數(shù)分析

通過土壤磷吸附與解吸試驗及Langmuir方程，可以得出一系列評價磷吸附解吸能力的指標，對這些指標進行因子分析，能夠找出最適合評價磷素流失的指標[12,16]。如表7所示，對6個指標進行提取，提取出3個主成分，累積貢獻率達96.559%，主成分1的貢獻率高于主成分2和3，說明主成分1顯得更為重要。主成分1中K，RDP，b值為主要的反應對象，主成分2主要反應的是Qm和PSI值，主成分3主要反應的是MBC值。而Qm與PSI值相關系數(shù)為0.982，K與RDP值相關系數(shù)為-0.967，均達極顯著水平，因此，評估土壤磷素流失風險可以用其中之一。綜上，可以選擇Qm(或者PSI)，MBC，RDP(或者K)，b這4個指標來預測土壤磷素流失風險。

表7 旋轉因子載荷矩陣

3 結 論

四川丘陵區(qū)不同土地利用方式下紫色土對磷的吸附能力差異較大。果園土壤和旱地土壤對磷吸附能力較低，茶園土壤和水稻土對磷吸附能力較高。

土壤基本理化性質對土壤磷吸附解吸參數(shù)有重要的影響，主因素分析得出速效磷，全磷，CaCO3，鋅對土壤吸附磷能力的貢獻率分別86.9%，89.2%，89.4%，96.9%，而如何衡量這些因素對土壤固持磷能力的影響大小，還需進一步深入研究。

通過旋轉因子分析方法得出可以用Qm，MBC，RDP，b這4個指標綜合評價預測紫色土磷素流失風險。不同土地利用方式下紫色土磷流失風險表現(xiàn)為：果園>旱耕地>林地>荒草地>茶園>水田。

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Dynamics of Phosphorus Adsorption-Desorption in Purple Soil Under Different Land Use Types

XU Min, SONG Chun, MAO Lu, XIAO Xia

(InstituteofEcologicalandEnvironmentalSciences,CollegeofResourcesandEnvironment,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu,Sichuan611130,China)

[Objective] The paper aims to study the characteristics of soil phosphorus adsorption-desorption and its influencing factors under six types of land use, namely rainfed farmland, forest land, orchard, grass land, tea plantations and paddy field in purple hilly area of Eastern Sichuan, in order to provide theoretical support for the risk assessment of phosphorus loss in purple soil under different land use types. [Methods] Soil samples were collected at a depth of 0—20 cm layer from six types of land use in research region, and then soil phosphorus adsorption-desorption parameters were determined according to the culture experiment, and related soil physical and chemical properties were measured. Principal component analysis and twiddle factor analysis methods were used to evaluate the risk of soil phosphorus loss and its main influencing factors. [Results] Soil pH value, organic matter, soil water soluble phosphorus, available phosphorus, total phosphorus, CaCO3and available Zn were important factors affecting the adsorption of soil phosphorus. The principal component factor analysis showed that the contribution of soil available phosphorus, total phosphorus, CaCO3and available Zn to purple soil phosphorus adsorption capacity were 86.9%, 89.2%, 89.4%, 96.9%, respectively. According to factor analysis, the four parameters of maximum phosphorus absorption capacity(Qm), maximum buffering capacity(MBC), easy absorption of phosphorus(RDP), intercept valuebcould be used to forecast the risk of phosphorus loss in purple soil. [Conclusion] Among the six types of land use in the study area, orchard and dry farmland had the higher risk of phosphorus loss, whereas paddy fields and tea garden had the lower risk of phosphorus loss.

land use; purple soil; phosphorus; adsorption-desorption

2014-07-21

2014-09-14

四川省教育廳重點項目“不同土地利用方式下紫色土磷素形態(tài)及有效性研究”(12 ZA126); 國家自然科學基金項目“玉米—大豆帶狀復合種植模式下根際土壤磷有效性研究”(31201169)

徐敏(1991—),女(漢族),四川省廣安市人,碩士研究生,研究方向為土壤養(yǎng)分有效性方面研究。 E-mail:xumin_xyz@126.com。

宋春(1981—),男(漢族),黑龍江省訥河市人,博士,副教授,碩士生導師,主要從事農(nóng)田土壤生態(tài)領域的研究。 E-mail:songchun@sicau.edu.cn。

A

1000-288X(2015)05-0039-06

S158