华北花岗片麻岩山地土壤促成技术研究——室内模拟肥料对岩石金属元素释放作用Ⅰ

周国娜，宋庆丰，杨新兵

(1.河北农业大学，河北保定071001;2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京100091)

土壤中重金属及难于被微生物降解而在土壤中累积，进而通过食物链危害人体健康，所以关于重金属在土壤中的化学行为己经引起人们的高度关注。土壤重金属主要有汞 、镉 、铅 、铜 、铬 、砷 、镍 、铁 、锰 、锌等[1]。Nicholson等人研究表明大气沉降、下水道污泥、牲畜粪便、农药、灌溉水和工业“三废”及其混合物是农业土壤中重金属 Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、Cr、As、Hg富集的主要来源，并计算出各来源占总输入量的变化范围[2]。华北花岗片麻岩山地大量植被遭到破坏，降雨形成薄层分散的地表径流，将土壤中可溶性物质及比较细小的土粒以悬移方式为主冲走，造成土壤质地明显变粗，土层渐薄，土地生产能力不断下降而弃耕，进而需要对试验区内土壤进行促成，其中施肥是有效的措施。随着岩石的风化过程，会有大量的金属元素释放出来。目前施肥对土壤重金属的研究国内外已经很多，涉及到很多植物生长必须的中量元素和微量元素。长期不施肥土壤中的有效Fe含量下降[3]，单施化肥、有机肥或二者配施均可提高土壤有效Fe含量[4-6]。为了探究施肥对重金属元素含量的影响，任顺荣等采用6种不同施肥处理后，无论是化肥还是有机肥 ，土壤 0-20 cm 土层重金属 Cu、Zn 、Cd 、Cr、Hg和As的含量测定结果都呈现增加趋势[7]。本文利用室内模拟肥料对岩石金属元素释放作用，进而找出土壤促成的最佳施肥技术，为华北花岗片麻岩山区植被恢复提供理论依据，也为花岗片麻岩区退耕还林的进一步实施提供技术支撑。

1 试验区概况

平山县的自然地貌为“八山一水一分田”，位于太行山中断东麓滹沱河沿岸山西台地与华北平原的过渡地带[8]，该地貌类型属于低山丘陵区，海拔高度小于300 m。土壤类型属于褐土性土亚类，主要有以下几种类型土壤。一是非耕种花岗片麻岩褐土性土属。分布于海拔1 300 m以下的中山、低山、丘陵、阳坡，表层有机质0.36%～1.61%，全氮含量0.023%～0.105%，全磷含量0.01%～0.031%，碳酸钙0.28%～1.92%，砂砾量24.4%～51.23%，pH6.4～7.9。土层薄，不足30 cm，侵蚀严重，肥力低下。代表土种为花岗片麻岩薄层多砾砂壤质褐土性土。二是非耕种页岩褐土性土属，分布于石灰岩区，仅页岩薄层多砾轻壤质褐土性土种，土层少于25 cm，石灰反应不明显，pH7.3～7.4，表层有机质 1.67%，全氮含量0.098%，全磷含量0.023%。三是花岗片麻岩褐土性土属。只有花岗岩片麻岩薄层壤质褐土性土种，表层有机质 0.38%，全氮含量 0.031%，全磷含量0.016%，pH8.5，石灰量1.5%，砾石41.1%。

2 试验方法

2.1 试验设计

试验所用岩石粉末采自试验地，岩石类型为花岗片麻岩 。岩石中含有 Ca、K 、Na、Mg、Al、Fe、P、Zn 、Mn、Cu、Cr、Pb、B 等金属元素。试验所用肥料为缓释复混肥(slow release fertilizer，简称 HK);生物有机肥(bio-organic fertilizer，简称 YJ);微生物菌肥(microbial agent，简称SW)，每种肥料均设4个处理的施肥量，每个处理设3个重复，见表1。对照设置有水对照(CK1)、水+岩石对照(CK2)、水+肥料对照(CK3)。

表1 室内模拟不同肥料使用量

2.2 试验方法

在150 ml的三角瓶中，加入取回的岩石粉(过100目筛)5 g，然后加入不同量的肥料，最后加入100 ml去离子水充分搅拌，25℃左右摇床上进行培养，摇床的摆动频率为350 r/min。每隔10 d取一次上清液，共取5次，样品用针头过滤器(Millipore，Whatman滤膜，孔径 0.22 μ m)过滤 ，取滤液 5 ml，置于 50 ml的容量瓶中定容(稀释10倍)，取5 ml稀释液放置10 ml离心管中，加1滴浓硝酸，使其酸化待测。用电感耦合等离子-发射光谱仪(美国Varian公司Vista MPX型)分别测定Na、Fe、Cr、Al等金属元素质量浓度。

3 结果与分析

3.1 Na元素释放分析

室内模拟肥料对Na元素释放作用如图1所示，水对照在测定时间上Na元素含量基本相同，而水+岩石粉末对照随着时间延伸，Na元素呈现不断增加的趋势，最大释放量(0.043 mg/L)出现在第50天，说明水分对岩石中Na元素释放有促进作用。在HK处理上，水+肥料对照中，Na元素释放量随着肥料用量和测定时间的延伸，其含量不断增加，最大释放量(4.075 mg/L)出现在CK3-4处理的第50天，说明肥料中Na元素随着时间的延伸，释放量不断增加;肥料溶液+岩石处理，Na元素释放量同样呈现出随着肥料用量和测定时间的延伸，其含量不断增加，最大释放量(5.058 mg/L)出现在HK4处理的第 50天，说明HK处理对岩石中Na元素的释放随着处理肥料用量和时间的延伸不断增加。

在YJ处理上，水+肥料对照处理中，同 HK中水+肥料对照相同，最大释放量(8.694 mg/L)出现在CK3-4处理上;肥料溶液+岩石处理上，亦同水+肥料对照处理相同，其最大释放量(9.678 mg/L)出现在YJ4处理的第50天，说明YJ处理对岩石中Na元素的释放随着处理肥料用量和时间的延伸不断增加。在SW处理上，水+肥料对照处理与肥料溶液+岩石处理中，Na元素释放量趋势同以上两种肥料处理下相同，最大释放量分别出现在CK3-4(5.550 mg/L)和SW4(7.438 mg/L)的第50天。同样可以说明SW处理对岩石中Na元素的释放随着处理肥料用量和时间的延伸不断增加。

图1 Na元素释放量

3.2 Fe元素释放分析

如图2所示，室内模拟肥料对Fe元素释放作用在水对照的测定时间上Fe元素含量基本相同，而水+岩石粉末对照随着时间延伸，Fe元素不断增加，最大释放量(0.259 mg/L)出现在第50天，说明水分对岩石中Fe元素释放有促进作用。在HK处理上，水+肥料对照处理中，各肥料用量处理与测定时间上Fe元素的释放量变化较复杂，随着肥料用量增加，其释放量呈现先增高后降低的趋势，CK3-2处理达到最大，在不同测定时间上，最大释放量均出现在第40天，其他测定时间上释放量的变化无规律可寻，说明HK中Fe元素的释放规律很复杂，从而导致其肥力作用不稳定;肥料溶液+岩石处理中，Fe元素释放规律同样复杂，甚至有低于水、水+岩石、水+肥料对照的处理，不同肥料用量处理，除了在第10天最大释放量出现在HK1上外，其余测定时间均呈现随肥料增加而增加的趋势，最大释放量出现在HK4处理的第40天(0.259 mg/L)，与水+岩石对照处理的50天测定值相同，说明HK处理在一定程度上抑制了岩石中Fe元素的释放或者HK中某些元素与Fe元素发生了耦合，导致了测定值降低。在YJ处理上，水+肥料对照处理中，甚至有些测定值低于水对照和水+岩石对照，在不同测定时间上，Fe元素释放量最大值均出现在第50天;肥料溶液+岩石处理中，同样存在某些测定值小于其他3种对照的现象，其不同肥料用量处理以及不同测定时间上Fe元素释放量变化同样较为复杂，没有规律可循，综合最大释放量出现在YJ4处理的第50天，可能因为YJ处理在一定程度上抑制了岩石中Fe元素的释放或者HK中某些元素与Fe元素发生了耦合，从而导致了测定值的变化无规律可循。在SW处理上，水+肥料对照处理和肥料溶液+岩石处理中Fe元素释放量同样无规律可循，且存在某些测定值小于水对照和水+岩石对照处理，水+肥料对照处理的最大释放量(0.253 mg/L)出现在SW3-3处理的第10天，而肥料溶液+岩石处理最大释放量(0.302 mg/L)出现在SW4处理的第40天。

图2 Fe元素释放量

3.3 Cr元素释放分析

如图3所示，水对照与水+岩石对照处理中，Cr元素的含量相差不明显，说明水分对于岩石中Cr元素的释放作用不明显。在HK、YJ和SW不同肥料用量以及不同测定时间点上的Cr元素释放量基本相似，它们之间相差不大，HK处理的最大释放量出现在HK4处理的第30天(0.065 mg/L);YJ处理的最大释放量出现在YJ3处理的第50天(0.078 mg/L);SW处理的最大释放量出现在SW1处理的第40天(0.59 mg/L)。但与水+肥料处理相比较，HK处理与水+肥料对照处理相差不大甚至小于对照，这种现象在SW处理中易见到，说明两种肥料的某种元素与Cr元素产生了耦合。

3.4 Al元素释放分析

如图4所示，水对照在测定时间上元素含量基本相同，而水+岩石粉末对照随着时间延伸，元素最大释放量(3.078 mg/L)出现在第50天，其他均呈现随时间延伸而增加的趋势，说明水分对岩石中Al元素释放有促进作用。在HK、YJ和SW处理上，水+肥料对照处理与肥料溶液+岩石处理中，Al元素的释放量变化均随着肥料用量的增加以及测定时间的延伸逐渐增加，且肥料溶液+岩石处理下Al元素的释放量均大于水+肥料对照处理下的含量。在HK处理下，水+肥料对照处理最大含量出现在CK3-4处理的第50天(1.643 mg/L)，肥料溶液+岩石处理的最大释放量出现在HK4处理的第50天(1.984 mg/L);YJ处理下，水+肥料对照处理最大含量出现在CK3-4处理的第30天(3.609 mg/L)肥料溶液+岩石处理的最大释放量出现在YJ4处理的第50天(5.837 mg/L);在SW处理下，水+肥料对照处理最大含量出现在CK3-4处理的第50天(2.950 mg/L)肥料溶液+岩石处理的最大释放量出现在YJ4处理的第50天(5.912 mg/L)。

图3 Cr元素释放量

图4 Al元素释放量

4 结论

综合以上分析可以得出，3种肥料处理中，以生物有机肥处理对岩石中Na元素释放量的促进作用最为明显，且随着肥料中Na元素释放量的增加，岩石中Na元素也呈现出增加的趋势;Fe元素的释放作用均较复杂，甚至有低于3种对照的测定值出现，可能是因为处理在一定程度上抑制了岩石中Fe元素的释放或者HK中某些元素与Fe元素发生了耦合，从而导致了测定值的变化无规律可循;Cr元素释放主要以生物有机肥处理最为明显，且3种肥料处理下Cr元素均明显高于水+岩石对照处理;Al元素的释放规律相同，且均较水对照、水+岩石对照和水+肥料对照中Al元素含量增加。但Na、Fe、Cr元素在某处理及测定时间点上有肥料溶液+岩石处理处金属元素含量小于水+肥料对照处理的现象发生，可能由于金属元素与肥料中的某种元素产生了耦合反应或者是金属离子与溶液中CO2反应形成碳酸盐而又重新被固定。3种肥料处理对岩石中综合分析得知3种肥料对岩石中金属元素释放有促进作用，进而揭示3种肥料能够加快岩石风化速率，且以生物有机肥作用最为理想。

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