黎塘岩溶区铁锰结核胁迫下土壤溶液的化学特征分析

苏春田，唐健生，潘晓东，邹胜章

摘要：对黎塘岩溶区铁锰结核胁迫下土壤溶液化学特征进行了分析。结果表明，与农田灌溉用水相比较，浅层、深层K、Na均表现为减少，Ca、Mg表现为增加，Mg浓度分别是农田灌溉用水的3.98倍、2.36倍，而微量元素浓度表现为显著减少；主要元素K、Na、Ca、Mg以及微量元素Pb、Cr、Cu淋淀系数小于100%，Fe、Zn、Mn的淋淀系数大于100%；相关分析表明，pH与Fe、Mn含量达到了极显著正相关，相关系数分别为0.69、0.66，电导率与Fe、Mn含量达到了显著正相关，相关系数分别为0.47、0.50，氧化还原电位与Fe、Mn含量达到了显著负相关，相关系数均为-0.52，说明铁锰结核的形成受pH、电导率、氧化还原电位的影响。

关键词：铁锰结核；土壤溶液；化学特征；黎塘岩溶区

中图分类号：S153.5 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）07-1531-04

Chemical Characteritics of Soil Solution under Fe-Mn Nodules in Litang Karst Area

SU Chun-tian，TANG Jian-sheng，PAN Xiao-dong，ZOU Sheng-zhang

（Institute of Karst Geology/Ministry of Land and Resouces， Key Laboratory of Karst Dynamics of the Guangxi Zhuang Autonomous Region，Guilin 541004，Guangxi，China）

Abstract： The chemical characteritics of soil solution under Fe-Mn nodules in Litang karst area were analyzed. The results showed that compared with water for farmland irrigation， in shallow and deep soil，the contents of K、Na decreased while Ca、Mg increased. The content of Mg were 3.98 times and 2.36 times more than that of water for farmland irrigation. The content of trace element showed significant reduction. Filtering and precipitation of K，Na，Ca，Mg and Pb，Cr，Cu were less than 100%，while Fe，Mn，Zn were more than 100%. The correlation analysis showed that pH had signifinantly positive correlation with Fe，Mn， with the correlation coefficients of 0.69 and 0.66， respectively. Conductivity had significantly positive correlation with Fe、Mn， with the correlation coefficients of 0.47 and 0.50 respectively. Redox potential had significantly negative correlation with Fe、Mn， with the correlation coefficients of both -0.52， showing that there were significant effects of pH，conductivity and redox potential on the formation of Fe-Mn nodules.

Key words： Fe-Mn nodules； soil solution； chemical characteritics； Litang karst area

土壤溶液是土壤中发生化学反应的介质，同时也是土壤与环境间物质交换的载体[1，2]。它将固态养分转化为液态有效养分，养分元素自岩土进入土壤溶液是养分循环的开端[3]。植物所必需的营养元素主要通过根系从土壤溶液中摄取，土壤溶液是提供作物有效养分的基本途径，其养分浓度比土壤中有效养分的含量更能反映土壤养分的供应状

况[2，4，5]。土壤溶液中若离子浓度适宜，则满足植物生长所需，若某种离子浓度过高，特别是重金属离子过高，则会对植物产生毒害作用。

铁锰结核作为土壤重要的新生体，是土壤形成过程中一定时期的产物[6，7]。目前，土壤学界对土壤铁锰结核的结构、形成机理、微形态特征、元素组成、重金属吸附等方面已有较多研究。然而研究成果仅仅局限于铁锰结核本身，缺乏其对环境效应的研究，对铁锰结核胁迫下土壤溶液化学特征的分析更鲜有报道。作者对黎塘岩溶区土壤铁锰结核研究发现，它的存在对土壤理化性质及作物生长环境质量影响显著，尤其是铁锰结核对土壤中Cr、Zn、Pb、Cu等元素具有强烈的富集效应，对土壤造成一定程度的污染，同时对农作物也产生毒害作用[8-10]。为此，探讨土壤溶液的化学特征，以期为抑制铁锰结核分布区重金属活性，提高农作物品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黎塘镇位于广西中部偏南宾阳县东部，地貌为岩溶平原区，地处东经109°02′-109°18′，北纬23°04′-23°20′，是广西交通要道，区位优势明显。黎塘镇有丰富的农业资源，农业生产以种植水稻、玉米、甘蔗、蔬菜等作物为主，主要名特优产品有莲藕、萝卜、淮山药、苦瓜等，是全国莲藕主产区之一，同时也是南宁市高效蔬菜生产黎塘万亩示范基地，建立莲藕套种晚稻、苦瓜-茄子-淮山药、春甜玉米-夏萝卜-胡萝卜等高效农业种植示范基地10个。

黎塘镇属亚热带季风气候，据宾阳气象站的观测资料，多年平均降雨量1 584 mm，4～9月为丰水期，占全年降雨量的77.9%，多年平均蒸发量1631.2 mm，年平均气温20.9 ℃，区内太阳辐射强，太阳年辐射总量为1.92×103 kJ/cm2，年平均日照时数为1 316.5 h，年平均无霜期332 d。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤溶液、农田灌溉用水的取样与测定 用土壤溶液取样器（SPSS 200，法国SDEC公司）收集0～25 cm和25～40 cm的土壤溶液， 0～25 cm处收集7次，25～40 cm处收集11次；农田灌溉用水为地表河水，收集1次。pH、电导率、氧化还原电位现场测定，pH、电导率采用多参数测试仪Multi3410（德国WTW公司）测定，氧化还原电位采用IQ150土壤原位测试仪（美国IQ公司）测定。将土壤水、农田灌溉用水带回实验室内进行测试分析，K、Na采用火焰光度法测定，Ca、Mg采用EDTA滴定法测定，微量元素采用ICP原子吸收法测定。

1.2.2 数据处理 采用SPSS 13.0软件进行数据分析，分析项目包括最小值、最大值、平均值和标准差、变异系数。

2 结果与分析

2.1 土壤溶液化学成分含量及变化特征

2.1.1 土壤溶液主要元素含量及变化特征 对土壤溶液主要元素含量进行分析（表1）可知，溶液在浅层、深层中均以Ca含量最高，其平均含量分别为57.47、53.84 mg/L，变异系数分别为8.66%、17.19%；其次为Mg， 平均含量分别为30.30、17.94 mg/L，变异系数分别为28.72%、24.43%；含量最低的为K，平均含量分别为1.04、0.37 mg/L，变异系数分别为10.49%、11.40%，土壤溶液中主要元素含量大小顺序为Ca、Mg、Na、K。

与农田灌溉用水相比较， 土壤溶液无论在浅层还是在深层，K、Na均表现为减少，以深层减少幅度最为明显，Ca表现为增加，但增加幅度较小，Mg表现为增加，浅层、深层分别是农田灌溉用水的3.98倍、2.36倍。

2.1.2 土壤溶液微量元素含量及变化特征 对土壤溶液微量元素进行分析（表2）可知，土壤溶液在浅层、深层均以Fe含量最高，平均含量分别为13.87、30.96 μg/L，变异系数分别为13.78%、34.64%；其次为Cr，平均含量分别为9.16、8.92 μg/L，变异系数分别为15.89%、34.44%；浅层溶液含量最少的为Cu，平均含量为0.89 μg/L，变异系数为51.91%，而深层溶液中Pb含量未检出；土壤溶液微量元素含量浅层大小顺序为Fe、Cr、Pb、Zn、Mn、Cu，深层为Fe、Cr、Zn、Mn、Cu、Pb。

与农田灌溉用水相比较，浅层、深层土壤溶液中微量元素浓度明显减少，浅层溶液以Pb减少幅度最小，其浓度是农田灌溉用水的32.67%，Fe、Mn、Cr、Cu、Zn减少幅度较大；深层溶液Pb未检出，Mn减少幅度最小，其浓度是农田灌溉用水的17.64%。

2.2 土壤溶液化学元素的垂直变化特征

土壤溶液是直接观察化学元素在剖面垂直迁移变化的重要依据，其垂直变化规律可以用元素的淋淀系数来表示，若元素淋淀系数大于100%，表示该元素含量增多，易随土壤溶液迁移而淋失；若元素淋淀系数小于100%，表示该元素含量减少，在土壤中发生淀积[11]。

由表3可知，主要元素中K、Na、Ca、Mg淋淀系数均小于100%，K最小，为35.13%，淋淀系数的大小顺序为Na、Ca、Mg、K；微量元素中Pb、Cr、Cu淋淀系数小于100%，但Cr、Cu的淋淀系数接近100%，Fe、Zn、Mn的淋淀系数均大于100%，以Fe、Mn最为突出，分别为223.22%、223.20%，淋淀系数的大小顺序为Fe、Mn、Zn、Cr、Cu、Pb。

2.3 土壤溶液pH、电导率、氧化还原电位变化特征

对土壤溶液pH、电导率、氧化还原电位进行分析（表4）可知，土壤溶液在浅层、深层中pH分别为9.17、9.30，变异系数分别为0.75%、0.59%，为碱性；电导率分别为611.86、463.18 μS/cm，变异系数分别为15.55%、20.94%；氧化还原电位分别为84.49、75.91 mV，变异系数分别为8.19%、3.77%。

与农田灌溉用水相比较，浅层、深层土壤溶液pH表现为增大，分别是农田灌溉用水的1.23倍、1.24倍；电导率同样表现为增大，分别是农田灌溉用水的1.74倍、1.32倍；氧化还原电位表现为减小，分别是农田灌溉用水的88.38%、79.40%。

2.4 土壤溶液pH、电导率、氧化还原电位与Fe、Mn含量的相关性

对土壤溶液pH、电导率、氧化还原电位与Fe、Mn含量的相关分析可知，pH与Fe、Mn含量的相关系数分别为0.69、0.66，达到极显著正相关；电导率与Fe、Mn含量的相关系数分别为0.47、0.50，达到了显著正相关；氧化还原电位与Fe、Mn含量的相关系数均为-0.52，达到了显著负相关。

3 结论与讨论

1）K元素是农作物所需的大量营养元素之一，农田灌溉用水进入土壤之后，由于土壤吸附以及农作物的吸收而使溶液中K元素大量减少，Na元素的减少同样与土壤吸附有关。土壤呼吸释放CO2，铁锰结核的存在又增大了呼吸速率，研究区成土母岩为石炭系大塘阶的白云岩、白云质灰岩，在岩溶动力系统作用之下，促使碳酸盐岩溶解而使岩石中Ca、Mg伴随岩溶作用发生正向迁移而进入土壤溶液中[12]，从而使Ca、Mg表现为增加，尤以Mg增加显著。铁锰结核对土壤中微量元素具有强烈的富集效应，同一种微量元素的含量在铁锰结核中要比土壤中大数倍以上，富集效应使土壤溶液中微量元素浓度明显低于农田灌溉用水，同时微量元素的减少也与植物的选择性吸收有关。

2）主要元素K、Na、Ca、Mg以及微量元素Pb、Cr、Cu淋淀系数小于100%，易在土壤中淀积，Fe、Zn、Mn的淋淀系数大于100%，易随土壤溶液迁移而淋失。

3）岩溶地区低pH的农田灌溉用水进入富钙偏碱的地球化学背景区后，使土壤溶液pH无论浅层还是深层均增大，呈碱性；土壤溶液电导率高于农田灌溉用水，而浅层溶液又高于深层溶液，说明农田灌溉用水进入土壤之后离子总含量增加；土壤溶液氧化还原电位低于农田灌溉用水，浅层氧化还原电位高于深层。

4）一般认为，铁锰结核的形成是土壤在渍水条件下，铁锰氧化物还原成Fe2+、Mn2+，在MnO2的催化下，Fe2+快速氧化并沉积在MnO2表面，土壤进一步变干，周围活性Fe2+、Mn2+又被氧化沉积在铁锰氧化物表面，干湿交替，氧化还原反复进行，形成铁锰聚合体——铁锰结核[13-15]，氧化还原电位与Fe、Mn含量均表现为显著负相关，也证明了此点，同时铁锰结核的形成还受pH、电导率等因素的明显影响。

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2）主要元素K、Na、Ca、Mg以及微量元素Pb、Cr、Cu淋淀系数小于100%，易在土壤中淀积，Fe、Zn、Mn的淋淀系数大于100%，易随土壤溶液迁移而淋失。

3）岩溶地区低pH的农田灌溉用水进入富钙偏碱的地球化学背景区后，使土壤溶液pH无论浅层还是深层均增大，呈碱性；土壤溶液电导率高于农田灌溉用水，而浅层溶液又高于深层溶液，说明农田灌溉用水进入土壤之后离子总含量增加；土壤溶液氧化还原电位低于农田灌溉用水，浅层氧化还原电位高于深层。

4）一般认为，铁锰结核的形成是土壤在渍水条件下，铁锰氧化物还原成Fe2+、Mn2+，在MnO2的催化下，Fe2+快速氧化并沉积在MnO2表面，土壤进一步变干，周围活性Fe2+、Mn2+又被氧化沉积在铁锰氧化物表面，干湿交替，氧化还原反复进行，形成铁锰聚合体——铁锰结核[13-15]，氧化还原电位与Fe、Mn含量均表现为显著负相关，也证明了此点，同时铁锰结核的形成还受pH、电导率等因素的明显影响。

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2）主要元素K、Na、Ca、Mg以及微量元素Pb、Cr、Cu淋淀系数小于100%，易在土壤中淀积，Fe、Zn、Mn的淋淀系数大于100%，易随土壤溶液迁移而淋失。

3）岩溶地区低pH的农田灌溉用水进入富钙偏碱的地球化学背景区后，使土壤溶液pH无论浅层还是深层均增大，呈碱性；土壤溶液电导率高于农田灌溉用水，而浅层溶液又高于深层溶液，说明农田灌溉用水进入土壤之后离子总含量增加；土壤溶液氧化还原电位低于农田灌溉用水，浅层氧化还原电位高于深层。

4）一般认为，铁锰结核的形成是土壤在渍水条件下，铁锰氧化物还原成Fe2+、Mn2+，在MnO2的催化下，Fe2+快速氧化并沉积在MnO2表面，土壤进一步变干，周围活性Fe2+、Mn2+又被氧化沉积在铁锰氧化物表面，干湿交替，氧化还原反复进行，形成铁锰聚合体——铁锰结核[13-15]，氧化还原电位与Fe、Mn含量均表现为显著负相关，也证明了此点，同时铁锰结核的形成还受pH、电导率等因素的明显影响。

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