外源镁对强酸性紫色土壤阳离子交换效应的研究

詹江渝　陈洪　程永毅　赵新儒　杨剑虹

摘要[目的]为研究外源镁对强酸性紫色土壤阳离子交换效应。[方法]选择重庆地区强酸性紫色土壤为对象，采用1∶5的土水比，用10 cmol（+）/L MgSO4溶液对土壤进行多次交换处理。[结果]在实验条件下，外源镁能快速取代土壤胶体上吸附的各种盐基离子，但对致酸离子（H+、Al3+）则难以达到快速、完全取代，经5次交换后，盐基饱和度由46.6%上升至72.4%，土壤pH仅上升0.7个单位；Mg2+与Ca2+、Na+的交换分别可以用指数方程y =14.998e-1.484 9x（R2=0.993 8）、二次方程y=0.011 1x2-0.100 5x+0.233（R2=0.986）进行很好地拟合；Mg2+与K+的交换后期明显表现出有部分土壤次生黏土矿物层间固定的K+会被交换出来，导致被交换出的K+总量增加。[结论]在无酸碱中和的条件下，外源镁可以改变土壤胶体盐基离子的构成，但对于改良强酸性土壤并无实际意义，反之，过量的外源镁还可能造成土壤其他盐基离子的损失。

关键词强酸性土壤；外源镁；阳离子交换；效应

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）04-01056-03

基金项目“十二五”国家水专项（2012 ZX 07104003）。

作者简介詹江渝（1989-），女，重庆人，硕士研究生，研究方向：土壤化学。*通讯作者，教授，博士，硕士生导师，从事土壤化学方面的研究。

镁作为叶绿素组成成分和多种酶的催化剂，是植物生长的必要元素[1]。植物对镁的需求全部来源于根系从土壤（或营养液）中的吸收。在正常情况下，土壤中的镁大多能满足植物生长的需要。然而，在我国南方的一些强酸性土壤中，土壤交换性盐基离子被H+和Al3+大量取代而造成淋失，致使交换性盐基中的交换性Mg2+（有效态镁）含量可能降至极低的水平。因而，植物因缺镁所导致的叶片失绿、生长缓慢等情况时有发生[2-4]，南方土壤交换性镁含量一般在7～267 mg/kg范围内[2]。有研究认为，我国南方甚至有54%的土壤需要不同程度地补充镁[5]。土壤可交换态Mg2+的含量影响着植物吸收利用Mg2+的能力。在一般情况下，Mg2+含量与土壤盐基饱和度呈正相關，与土壤酸度呈负相关，土壤pH的减少将伴随着可溶性Mg2+浓度数量级的增加[6]。这也是强酸性土壤易发生缺镁症的主要原因。因此，一些学者认为[7-9]在强酸性土壤上施用含镁肥料，不但能增加土壤镁的营养，而且在一定程度上能达到降低土壤酸度，改善土壤阳离子交换性能的目的。但是，也有研究表明，在酸性土壤中施用酸性镁肥料会使土壤pH下降[10]。此外，关于紫色土中Mg2+与其他阳离子的交换吸附研究较少。笔者以重庆地区强酸化的紫色土壤为研究对象，通过添加酸性镁—硫酸镁，并从交换性阳离子在土壤胶体表面竞争吸附的角度，研究外源镁对强酸性土壤阳离子交换效应及土壤酸碱性能的影响。

1材料与方法

1.1供试土壤研究土样于2013年8月下旬采自重庆市涪陵区睦和村。样品在室内自然风干，剔去石砾、植物残体等，磨碎，过1 mm尼龙筛。该土壤发育于中生代侏罗系中统沙溪庙组（J2s）紫色泥页岩风化物，分类学上属中性紫色土亚类、灰棕紫泥土属。因长期在不合理施肥条件下长期种植榨菜，该地区的部分土壤已经严重酸化，土壤阳离子交换性能已极度恶化[11]。

1.2试验设计试验于2013年10月上旬采用多次交换处理法进行，设5次交换处理。为便于操作，各次交换按1∶5土水比（忽略残留水分）进行。具体操作如下：称取10.00 g过1 mm筛孔的风干土壤5份于5支干燥的100 ml离心管中，编号①～⑤（同样处理设3次重复），于离心管中各加10 cmol（+）/L MgSO4 （0.05 mol/L MgSO4）溶液50 ml，将离心管于振荡机上振荡10 min后，离心分离（4 000转/min，4 min），将上层清液（交换液）通过滤纸收集于100 ml烧杯中；将①号处理的离心管单独取出，按1∶1的土水比加纯水10 ml，搅拌，放置10 min，测定pH后，弃去。同样，将处理①烧杯中交换液做适当稀释后测定Ca2+、K+、Na+及Mg2+的浓度，其余各处理溶液弃去；将剩余的②～⑤号处理重新加入50 ml 10 cmol（+）/L MgSO4，重复上述步骤，完成处理②的pH和Ca2+、K+、Na+及Mg2+的浓度测定后继续完成处理③～⑤的测定。

1.3指标测定与方法

1.3.1K+、Na+的测定。将交换液在火焰光度计上直接测定mg/L浓度，并换算成K+、Na+ cmol（+）/L，以10 cmol（+）/L MgSO4溶液为基体配制K+、Na+的标准溶液。

1.3.2Ca2+的测定。将交换液按处理①稀释500倍，处理②稀释50倍，处理③～⑤稀释5倍，并加入适量浓度5% LaCl3溶液（释放剂）后，在火焰原子吸收分光光度计（日立Z5000型）上测定Ca2+mg/L浓度，并换算成Ca2+cmol（+）/L；以10 cmol（+）/L MgSO4为基础，按样品相同稀释倍数的溶液为基体，配制各处理Ca2+的标准溶液。

1.3.3Mg2+的测定。将各交换液按1 000倍稀释后在火焰原子吸收分光光度计上测定Mg2+mg/L浓度，并换算成Mg2+cmol（+）/L，以水为基体配制Mg2+的标准溶液。

2 结果与分析

2.1外源镁在土壤胶体上的交换吸附特征由表1可知，随着交换次数的增加，土壤胶体上其他交换性阳离子被Mg2+逐步交换取代，第5次交换后，土壤胶体吸附Mg2+达21.0 cmol（+）/kg，但各次的交换吸附量明显的快速降低。由图1可知，将各次交换后土壤吸附Mg2+的增加量（cmol（+）/kg）与交换次数进行拟合后发现，二者与二次方程的拟合极好，R2达0.941 2**。由此可知， Mg2+具有强的交换力，能快速交换取代土壤胶体上其他盐基离子，但相对于土壤中的致酸离子（H+、Al3+），在该试验条件下Mg2+的交换力尚不足以达到快速交换取代的效果，经5次交换后，土壤胶体上仍保留有约8 cmol（+）/kg的交换性酸，而Mg2+被土壤吸附的增加量不足0.5 cmol（+）/kg。

2.2外源Mg2+对Ca2+、Na+ 、K+交换特征的影响交换性Ca2+和Mg2+是土壤中最重要的盐基离子[12]。由图2可知，在试验条件下，随着交换次数的增加，土壤胶体上吸附的交换性Ca2+含量快速降低，用指数方程y=14.998e-1.484 9拟合，相关系数（R2）达0.998 3**，表明外源Mg2+对Ca2+的交换曲线符合指数方程。5次交换后，Mg2+对Ca2+的交换率可达99.9%以上。Ca和Mg同为碱土金属，在元素化学周期表中位于主族的ⅡA族，在化学性质上具有很多相似性。在土壤胶体吸附的所有盐基离子中，Mg2+的吸附强度在同价离子中小于Ca2+，因此当Ca2+的含量过高时，Ca2+就会将Mg2+交换出来，使得交换性镁的含量降低。同时，植物对土壤中Mg2+的吸收也受到土壤中Ca2+浓度的影响。Ca2+浓度过高时会减少植物对Mg2+的吸收量，从而造成植物的缺镁症。该研究表明，当Mg2+含量远高于Ca2+时，Mg2+与Ca2+发生阳离子交换，Ca2+被交换出来，而Mg2+被吸附于土壤胶体上，增加了土壤中交换态镁的含量。这虽然对缺镁土壤镁素的补充具有一定的作用，但过量的镁会引起交换性Ca2+含量的降低。

2.3 外源Mg2+离子交换与土壤pH的变化对于强酸性土壤，一般认为土壤交换性酸以Al3+占主导[15]。由于土壤胶体对Al3+的强吸附性，当盐基离子与之交换时，一是交换率低，即土壤经5次交换后，土壤盐基饱和度由交换前的46.6%仅提高到72.4%，且随着交换次数的增加，提高速度逐渐降低；二是由于强酸性土壤的pH缓冲由Al3+缓冲区主导。在无酸碱中和的条件下，仅靠盐基离子的交换作用来快速降低土壤酸容量（交换性酸），在强酸性土壤改良中几乎无实际意义。

图4为各次交换后土壤pH值变化曲线，用二次曲线方程拟合，R2= 0.996 6。由图4可知，经5次交换后，土壤pH由3.9提高到4.6，仅提高0.7个pH单位。有研究表明，硫酸钾镁肥作为生理酸性盐会降低土壤pH，硫酸镁同样作为一種酸性盐，却提高土壤pH。在提高速率上，明显表现为先慢后快。这表明随着交换次数的增加，胶体上Al3+减少，Al3+缓冲效果逐渐减弱，因添加外源镁—硫酸镁在强酸性紫色土中pH提高幅度不大，仅靠盐基离子的交换作用来降低土壤酸容量（交换性酸），因此对于强酸性土壤改良几乎无实际意义。

3 结论

（1）按1∶5土水比、10 cmol（+）/L MgSO4溶液对过度酸化的紫色土壤样品进行交换，土壤胶体上其他盐基离子能被Mg2+快速交换进入溶液，但对于交换性酸（H+、Al3+），其交换能力则不足以达到快速、完全交换。因此，外源镁对强酸性土壤阳离子交换性能的影响主要表现在土壤盐基离子上。

（2）土壤胶体上交换K+能快速地被外源镁交换，但在Mg2+浓度较高、过度交换的条件下，土壤次生黏土矿物中固定的K+可能被同时交换出来，导致缓效性K+损失。

（3）土壤增加外源镁可改善镁的营养状况，但从对强酸性土改良的角度，施用镁肥几乎无实际意义，过量施用反而造成其他盐基离子损失。

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