32.氧化还原条件下红壤磷吸附与解吸特性及需磷量探讨

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土壤(Soils)，2010，42(2)：207~212氧化还原条件下红壤磷吸附与解吸特性及需磷量探讨①邵兴华，张建忠，毛勇，王中敏(江西省上饶师范学院生科系，江西上饶334000)摘要：研究了5个酸性红壤由氧化条件转为还原条件的P吸附和解吸特性，以及确定供试红壤作为水田或旱地相应的施P量。结果表明：5个土样P吸附量随P液浓度的增加而增加，土壤对P的吸附曲线均可用Langmuir方程拟合，氧化条件下P最大吸附量变化范围为794．22—956．75mg／kg，还原条件下P最大吸附量变化范围为867．31～l195．62mgg。P解吸量随P吸附量的增加而增加，P解吸率的结果表明，淹水不同程度地降低土壤P解吸量。以Langmuir方程计算土壤溶液中P浓度在O．2mg／kg时的土壤需P量作为施P量的依据，淹水后土壤标准需P量增加。关键词：氧化还原；吸附解吸：需磷量中图分类号：S153．6土壤溶液中的P是植物生长所需P素的主要来供试土壤在氧化或还原状态时的需P量，一方面可以源，P肥施入土壤后往往会受到土壤固相的吸附固定，大大提高施用P肥的科学性，另一方面可预防由施肥当季利用率不足20％。南方红壤区由于人为或季节的引起的环境问题，为指导江西省合理施用P肥提供参原因，土壤常年以淹水和风干状态交替存在，土壤淹考。水和风干会使土体内部环境发生一系列物理化学变1材料与方法化，有人研究认为淹水条件下土壤对P的吸附作用减少，原因在于淹水后土壤氧化还原电位降低，酸性土1．1试验材料及处理壤pH值升高，对P有固定作用的矿物溶解性和化学供试土壤采自江西省上饶地区新开垦的5块耕形态发生变化，使土壤的解P能力增加，进而P的地，5块耕地开垦前均为荒地，坡地上面自然生长着有效性增加【1】。但也有研究表明淹水后土壤对P的吸杂草、灌木。因近些年建筑、修路、工业用地占去部附增强，P的解吸降低，进而P的有效性降低【2l。鉴分耕地，所以被开垦。采样时取耕作层0～20cm土壤，于不同研究者对于淹水后土壤P吸附解吸特性得出土壤基本理化性状见表l。每块耕地均按蛇形采样法不同结论，有必要进一步研究作为旱地或水田的耕地采20个点，所采土样充分混匀后装塑料袋，每个土样对P素的吸附解吸特性。P的吸附解吸特性，可以利取土约lOkg，带回室内自然风干，过2mm筛装袋备用P的等温吸附方程来表征，用吸附解吸等温线评价用。土壤P的营养状况，能直接看到不同P供应强度下1．2测定及数据处理方法土壤对P的吸附和解吸行为，反映不同土壤之间PP吸附试验：分别称取2．000g上述5种风干土样素养分状况差异l3】，而且可以利用等温吸附方程得到置于5Oml离心管中，称取离心管和土样总重，每种磷酸盐的最大吸附量及其他重要参数【4】。土样分别加入含P量为0，10，20，40，80，120，160人口不断增加，工业化、城市化的推进，造成中mg／L的0．01mol／LCaC12溶液40ml，同时加2滴甲苯国的农业大省之一江西省人均耕地面积锐减l，红壤以抑制微生物的活动，在空气浴恒温(25℃4-l℃)摇是江西省的主要土壤类型，该类型土壤矿物释放的养床中振荡1h，使土壤充分吸附溶液中的P，静置24h分十分有限，植物生长所需养分主要靠肥料投入。本后，再恒温离心(23℃～25℃，5000r／min，5min)，文就5块新垦耕地对P的吸附解吸特性，以及作为取上清液，用钼蓝比色法测上清液中P含量，用差减水田或早地的适宜施P量进行了探讨，目的在于确定法计算土样对P的吸附量。以吸附P量作纵坐标，平①基金项目：江西省自然科学基金项目(0630103)和江西省教育厅项目(赣教技字[2007]346号)资助。作者简介：邵兴华(1970一)，女，内蒙古人t博士，副教授，主要从事土壤磷素化学及肥料的环境效应研究。E-mail：nndshaoxh~yahoo．corn．Crl 208土壤第42卷注：按照土样全P含量的高低，人为地将其编号为Pl，P2，P3，P4，P5，下同。衡溶液中P浓度为横坐标，即可得到土壤的P吸附等5个供试土样的基本理化性状见表l，土样的pH温线。并用Langumir方程进行拟合。据Langumir方值变化范围4。7～4．8，有机质含量变化范围4．21～4．34程确定土壤的最大固P量()、标准需P量(SPR)g／kg，土样间差别不大。各种形态P含量差别较大，和最大缓冲容量(Bc)等参数，作为表征土样在氧速效P和全P的变化范围分别为1．43～4．08mg／kg和化条件下固P和供P能力的指标。SPR值是平衡溶液0．17～0．32g／kg。全N和速效N5个土样间有一定差中的P浓度为0．2mg／L时土壤的吸P量【2】。别，从表1可知供试土样速效K的含量都较高。P解吸试验：弃去离心管中的上清液，土壤用无P素在土壤中的吸附特征可以用等温吸附曲线来水乙醇清洗掉表面的水分，向上述经离心后的样品中表征。图l(a、b)分别为5个土样在氧化、还原条件分别加入0．01mol／LCaLl2溶液40ml，同时加2滴甲下对P的吸附曲线。相同点：无论是氧化状态还是还苯以抑制微生物的活动，在空气浴恒温(25℃-4-1℃)原状态，土壤对P的吸附均表现为低磷酸盐浓度时强摇床中振荡lh(1500r／vain)，静置24h后，离心，烈吸附P，随着溶液浓度的增加，吸附曲线渐趋平缓根据离心液中P浓度计算土壤P的解吸量。P的解吸直至达到吸附平衡。已有研究表明，土壤对P的吸附量占吸附量的百分数为P的解吸率。以上试验均重复涉及快反应和慢反应等过程【7】，研究中吸附曲线很陡2次。的一部分(在低平衡液浓度区域，即液相P浓度为0～为了测定淹水条件下土壤固P和供P参数的变化，40mg／L时)属专性吸附区域，此时结合能很大，此阶进行了淹水培养实验，每种土样称取2g共7份于预段为土壤对P的快速吸附阶段；曲线较缓的部分(高先称重的50ml离心管中，加入20ml蒸馏水，使土面浓度区域，即液相P浓度大于40mg／L)，以物理吸附水深保持在3cm左右，将离心管避光放置于恒温室为主，结合能小，容易解吸，此阶段为土壤对P的慢(25℃)中培养，其间适当补充蒸馏水以保持3cm左速吸附阶段。不同点：氧化、还原条件下5个土样P右的水深。30天后将水轻轻倒去，用蒸馏水将离心管吸附曲线变化趋势不一致，图1(a)中5个土样当吸中的水补充至20ml(根据离心管重量的变化确定加水附量达到一定值后，吸附曲线变得平缓即土壤吸附P量)，再加入含P的0．01mol／LCaCI2溶液20m1，使离量将达到饱和；图l(b)中土样的吸附曲线在不同P心管中的含P量分别为0，10，20，40，80，120，160液浓度时，均表现为处于上升阶段，即仍需要吸附一mg／L，然后采用前述方法测定等温吸附曲线，并确定定量的P才能达到饱和。由此看出，淹水后土壤对P其他相关参数。淹水后土壤P解吸试验方法同上述P吸附量增加。解吸试验。衡量土壤吸P能力的指标很多，本文用Langmuir土壤基本理化性状全P、速效P、有机质、pH、曲线拟合计算出的P素吸附特征值Qm(最大吸附量)、草酸可提取态Fe、草酸可提取态P、全N、速效N、MBC(最大缓冲容量)和值来作为衡量土壤吸P能速效K的测定参照文献【6】。力的指标。试验数据用Excel软件处理。Langmuir曲线的计算公式为：C／Q=C／+1／(KxQm)2结果与分析式中，C为平衡液P浓度(mg／L)：为P最大吸附2．1氧化、还原条件下土壤磷的吸附特征量(mg／kg)，可表征土壤吸P容量，l朋越大代表土壤 第2期邵兴华等：氧化还原条件下红壤磷吸附与解吸特性及需磷量探讨209，0OOOO00OOO98765432lO董耋0204060801001201400406O8Olo0平衡液浓度(me／g)平衡液浓度(mg／g)图1氧化(a)、还原(b)条件下土壤P等温吸附曲线Fig．1Curvesofsoilphosphateisothermaladsorptionunderoxidizedcondition(a)andreducedcondition(b)●OOOO0O0O0O98765432●O能吸附P的点位越多；为与结合能有关的参数，可参数值都比淹水前有所增加。最大吸P量增加说明表征土壤吸P强度，越大，代表土壤与P素结合越淹水增加土壤对P的吸附量，这从氧化、还原状态下牢固，也即土壤吸附的P素越难解吸：MBC(最大缓的等温吸附曲线也可以看出，最大吸P量淹水后增加冲容量)是Q埘与的乘积，是P吸附的强度与容量最多的是P2，增加了341meCkg，增加最少的是Pl，两个因子的综合参数，该值越大，说明土壤贮存P的增加了58．58mg／kg，5个土样最大吸P量平均增幅为能力越强。21．3％。淹水后值增幅超过了300％，参数值增加5个供试土壤处于氧化(淹水前)和还原(淹水说明淹水后土壤P的解吸量减少，土壤对P的固定能后)状态时的P素吸附特征值见表2，用Langmuir方力增强，吸附的P和淹水前相比更难解吸，这与其他研程来拟合供试土壤的等温吸附曲线，显著性水平都达究者I8_9】的研究结果相同。5个土样最大缓冲容量增幅超到了1％，说明可以用该方程来描述土壤对P的吸附并过了400％，增加最多的是P4，增加了148．81L／kg，增据此计算其他相关参数。从表2可以看出，淹水后5加最少的是P5，增加了61．86L／kg。淹水后标准需P量个土样的最大吸P量、最大缓冲容量、标准需P量，增幅超过了160％，再次说明淹水后土壤固P能力增强。表2土壤淹水前后与固P能力有关的特征参数变化Table2Psorptionparametersofsoilsbeforeanda~rwaterlogging2．2土壤对吸附磷的解吸以解吸P量与解吸前的吸附P量作图，即得供试P的解吸是吸附的逆过程，它可能是一个比吸附土壤的解吸曲线(图2)，可以看出，吸附的P在一定更为重要的过程，因为它不仅涉及到被吸附P的再程度上均能部分被解吸下来，随吸附P量的增加，解利用，提高土壤中P的有效性，也涉及到一些环境问吸量有增加的趋势。由于每个土样的供P强度及容量题【Io】。不同(C)，解吸的难易程度也不同。 2l0土壤第42卷∞∞加m：兮0誉盘一趔眭0020．40．60．8100O．2040．60．81．0l2P吸附值(mg／g)P吸附值(mg／g)图2氧化(a)、还原(b)条件下土壤P解吸曲线Fig2Curvesofsoilphosphatcdesorptionunderoxidizedconditionandreducedcondition从图2可以看出，土壤的解吸曲线存在2或3吸率可以指示土壤的供P能力，解吸率越小，土壤解个转折点，这说明P的解吸过程可能是分阶段进行吸的P越少，对于植物来说可利用的P越少，也即的：①快速阶段，将范德华力和静电引力吸附的P该土壤需要施肥以满足植物生长的需要【l2】。表3中解吸下来¨O；一②O中mO速∞O阶∞O段，O将￡0能}0级较低的共价键吸附的淹水前后解吸率的变化表明，淹水后土壤吸附P的释P解吸下来；③慢速阶段，解吸由高能共价键所吸附放量减少，也就是说淹水增加土壤对P的吸附固定。的P【“】。P解吸的快、中、慢阶段，与其他研究者所由解吸率的变化可知，土壤含P量较低时，土壤对P得研究结果较为接近[11-12]。图2(a)中P液浓度≤的吸附固定能力较强，土壤P不易被解吸，作物易缺40mg／L时，土壤P解吸量随吸附量增加而增加，PP；土壤含P量较高时，土壤对P的保持能力不强，液浓度>40mg／L后，土壤对P的吸附趋于饱和，吸容易造成P的损失，还可能存在一定的环境风险。淹附量增加幅度很小的情况下P的解吸量并没有因此水还原条件下红壤固P能力有了较大幅度的提高，土而减少。图2(b)中淹水后P解吸量随吸附量的增壤P向液相的释放量总体上较淹水前减少。因此，淹加而增加，曲线形状呈S型，因为土壤对P的解吸水能增强土壤对P的吸持能力，减少P向水体流失存在快、中、慢阶段，因此解吸曲线不会成直线。解的风险和数量。表3淹水前后土壤释放P量占吸附P量的百分比(％)Table3Percentageofphosphorrisdesorptioncapacitytophosphorusadsorptioncapacitybysoilbeforeandafterwaterlogging2．3据磷的吸附特性预测土壤的施磷量量称为“标准需P量”，也就是P肥的最佳施用量【I3】，土壤溶液中P浓度维持在0．2mg／kg时，一般作可通过P的等温吸附方程计算出相当于这一浓度的需物的生长量即可达到最高生长量的95％左右。故把平P量【l钔。衡溶液中P浓度保持在0．2mg／kg时，土壤对P的吸附表2中淹水后土壤的标准需P量增加，P1，P2， 第2期邵兴华等：氧化还原条件下红壤磷吸附与解吸特性及需磷量探讨2l1P3，P4，P5增幅分别为9O％，92％，298％，301％，参考文献：298％。P1，P2需P量增幅低于另外3个土样，原因ScalengheR，EdwardsAC，AjmoneMETheefectofreducing在于P1，P2两个土样含P量低于另外3个土样，所以conditionsonthesolubilityofphosphorusinadiverserangeof处于氧化状态时P1，P2土样的需P量高于另外3个土Europeanagriculturalsoils．EuropeanJournalofSoilScience，样，处于还原状态时尽管标准需P量也增加了，但增2O02，53：439-447加幅度没有另外3个土样大。高超，张桃林，吴蔚东．氧化还原条件对土壤磷素固定与释放的影响．土壤学报，2002，39(4)：542—5493结论夏文建，梁国庆，周卫，汪洪，王秀斌，孙静文．长期施肥条件(1)红壤是在长期高温和干湿季交替条件下形成下石灰性潮土磷的吸附解吸特征．植物营养与肥料学报，2008，的土壤，具有深厚的红色黏土层，坚实黏重，铁铝胶14(3)：431—438体含量丰富，理化性状表现出黏、酸、瘦、缺P的特张新明，李华兴，刘远金．广东省主要母质发育水稻土对磷的点，一方面缺P，另一方面固P能力强。在本试验条吸附特性．应用生态学报，2000，Il(4)：553-556件下，供试土壤P吸附等温线无论在氧化状态还是还张素娟，赵先贵，任桂镇，董林林，耿海波．江西省耕地压力原状态均可用Langmuir方程拟合，显著性水平都达到时空差异分析及预测．土壤，2009，4l(1)：142—146鲁如坤主编．土壤农业化学分析方法．北京：中国农业科技出了1％。淹水后Ⅲ5个土样其吸P参数最大吸P量、最大嘲嘲㈣㈣版社，1999缓冲容量、K(与吸附能有关的参数)、标准需P量增王永，徐仁扣．可变电荷土壤对水体中磷酸根的吸附去除作用．加。这些参数值增加说明淹水即还原条件增加土壤对生态与农村环境学报，2008，24(4)：63—67P的吸附。邵兴华，章永松，林成永，都绍婷，于承艳．三种铁氧化物的(2)土壤对吸附P的解吸表现为随着P吸附量的磷吸附解吸特性及与磷吸附饱和度的关系．植物营养与肥料增加，P解吸量增加。由解吸率结果可知，P的解吸可学报，2006，12(2)：208—212分为快、中、慢3个阶段，因此解吸曲线不会成直线。王道涵，陈新，梁成华．水田土壤剖面磷素吸附-解吸特征．中淹水后土壤固P能力增强，因此如果土壤自身含P量国农学通报，2006，22(6)：249—251低，淹水后可能引起作物缺P；相比较而言，含P量邵兴华，张建忠．红壤磷吸附解吸特性及环境效应研究．广东高的土壤早作比水田更易释P，更可能引起环境问题。农业科学，2007(11)：85—87(3)据P的吸附特性预测土壤施P量，氧化条件夏瑶，娄运生，杨超光，梁永超．几种水稻土对磷的吸附与解下Pl，P2，P3，P4，P5标准需P量依次为20．81，22．87，吸特性研究．中国农业科学，2002，3501)：1369—13746．26，6．31，12．41mg／kg，还原条件下需P量依次为曹志洪，李庆逵．黄土性土壤对磷的吸附与解吸．土壤学报，39．49，43．96，24．91，25．28，49．37mg／kg，淹水增加1988，25(3)：218—226土壤的需P量。淹水后需P量增加，可能的原因是淹FoxRL．Phosphateisothermsforevaluatingthephosphate水后固P能力增强，部分作物能利用的可溶态P变为requirementofsoiJ．S0jISoc．Amer,Proc．，1970，34：902—907难溶态P。5块耕地在开垦后初次施P肥，如果作为水张新明，李华兴，卢维盛，刘远金．水稻土的标准需磷量对水田则施P量要高于作为旱地的施P量。稻籽粒产量及吸磷量的影响．土壤，2004，36(4)：49—451 212土壤第42卷StudyonAdsorptionandDesorptionCharacteristicsofSoilsandPhosphorusRequirementUnderOxidizedandReducedConditionsSHAOXing-hua,ZHANGJian-zhong，MAOYong，WANGZhong-ml‘n(DepartmentofLifeScience,ShangraoNormalCollege,Shang'rao,Jiangxi334000,China)Abstract：PhosphaterequirementofpaddyoruplandWereinvestigatedbyadsorption／desorptionexperimentunderoxidizedandreducedconditionsinfiveredsoils．ResultsshowedthatPadsorptioncapacityincreasedwiththeincreaseofaddedPconcentration．PhosphateadsorptioncurvesofsoilsfittedwellwithLangmuirequation．TherangeofthemaximumcapacitiesofPadsorption()rangedfrom794．22to956．75meCkgunderoxidizedconditionandfrom867．31toI195．62mg／kgunderreducedcondition．ThecapacityofdesorptionPincreasedwiththeincreaseofthecapacityofPadsorption，PdesorptionrateofsoilsWaslowerunderreducedconditionthanthatunderoxidizedcondition．PhosphorusrequirementWascalculatedfromtheLangumirequationonthebasisofPconcen~ationinsoilsolutionat0．2mg／kg．Phosphorusrequirementofsoilsincreasedalterwaterlogging．Keywords：Oxidizedandreducedconditions，Adsorptionanddesorption,Phosphaterequirement