不同水稻土对磷吸附的影响因素研究

贾学萍,刘勤,张焕朝

（1.宣城职业技术学院,安徽宣城242000；2.中科院南京土壤研究所常熟农田生态系统国家实验站,江苏南京210008；3.南京林业大学森林资源与环境学院,江苏南京210037）

不同水稻土对磷吸附的影响因素研究

贾学萍1,2,刘勤2,张焕朝3

（1.宣城职业技术学院,安徽宣城242000；2.中科院南京土壤研究所常熟农田生态系统国家实验站,江苏南京210008；3.南京林业大学森林资源与环境学院,江苏南京210037）

选用典型的红壤、黄泥土、潮沙土3种水稻土为研究对象,分析3种土壤对有机磷、无机磷的吸附特征.结果表明：吸附量表现出相同的规律,即红壤＞黄泥土＞潮沙土,有机磷＞无机磷；低分子有机酸能有效减少土壤对磷的吸附,减少程度为柠檬酸＞草酸＞酒石酸＞乙酸,对于种类相同的有机酸,其浓度越大,减少的程度越大；环境的酸碱度对磷吸附的影响是分阶段的,高酸环境下,磷的吸附量随pH值的升高而降低,弱酸时出现拐点,在碱性环境下,磷的吸附量随pH值的升高而升高；随着离子浓度的升高,磷吸附量逐渐升高,但影响的程度不大；土壤对磷的吸附速度表现为先快后慢的特征.

水稻土；磷；吸附；影响因素

磷是植物需要的大量元素之一,土壤中磷的量对作物的生长起着重要作用,它直接参与了植物代谢过程.磷在土壤中以多种形式存在,化学性质不稳定,形态之间易相互转化[1].溶解态的五价无机磷是动植物的营养元素,有机磷酸物参与细胞的构成,传递遗传信息,对保持生物性状起着重要作用.我国大部分耕地土壤有效磷缺乏严重,磷肥的用量在逐年增加,但是作物对磷元素的利用率不高,当季有效利用率仅有5%～10%,大部分磷以植物难以吸收的状态吸附于土壤中,导致土壤全磷量高,有效率量不足的现状.土壤对磷的吸附固定强度能反映出作物磷养分需求量和磷肥需要量[2].土壤中磷肥的大量补给,导致一部分区域地表和地下水中含磷量超标,污染环境[3].水稻土具有特殊土壤剖面结构,有适当的土壤水分渗漏量[4-5].水稻生长季要保持长时间的淹水,水分渗漏量占总耗水量的40%以上[6].对水稻土磷的吸附-解吸的研究显得尤为重要.

土壤对磷吸附-解吸的影响因素很多,与黏粒含量、土粒比表面以及无定形氧化铁铝含量等都存在一定的相关性,磷的施用方式也影响磷的吸附动力.外界条件pH值、温度、有机质含量、有机酸等也影响磷的吸附-解吸.磷转移的研究能够更好地服务农业生产,控制水体磷富营养化污染[7].本研究选用3种不同水稻土对磷吸附的影响因素进行试验,以期得到对农业生产和控制水体磷富营养化污染具有指导性的数据.

1 研究区概况和研究方法

1.1 样品采集及土壤理化性质测定

3种水稻土分别来自不同区域,其土壤类型、母质及采集地点见表1.

1.1.1 样品采集

表1 样品采集Tab.1 Situation of the soil for test

1.1.2 土壤理化性质测定

pH值测定：水浸提（1∶2.5）,玻璃电极；

阳离子交换量测定：用1 mol/L的醋酸铵（pH 7.0）法；

有机质含量：重铬酸钾外加热容量法；

速效磷测定：NaHCO3钼锑抗比色法；

全磷测定：HClO4和H2SO4消煮,钼锑抗比色法；

游离氧化铁、游离氧化铝测定用DOC方法.

供试土壤的基本理化性质见表2.

表2 供试土壤基本性质Tab.2 Basic physical and chemical properties of soil samples

供试无机磷为KH2PO4,有机酸为肌醇六磷酸,试验用HCl和NaOH调溶液pH值,故在磷的吸附试验中,参与吸附的有机磷的形态为肌醇六磷酸钠和未电离的分子.

1.2 等温吸附试验

风干土壤过20目筛,称2.50 g于100 mL离心管中,加入KH2PO4溶液,使磷质量浓度分别为0、2、5、10、15、20、30、50、75 mg/L,溶剂为0.01 mol/L的KCl溶液（pH=7.0）,加氯仿3滴,密封,置恒温振荡器中振荡20 h（25℃,振速200 r/min）,离心15 min（4 000 r/min）,过滤,测上清液磷质量浓度（钼蓝比色法）.根据溶液中磷质量浓度差,计算土壤磷吸附量.有机磷测试方法同上,试验为2个重复,数值取平均数.

1.3 吸附影响因素试验

1.3.1 低分子有机酸影响

有机酸种类影响：称取土样2.50 g于50 mL离心管中,按1∶20固液比分别加入有机酸和磷的混合溶液,有机酸种类为草酸、酒石酸、柠檬酸、乙酸,有机酸浓度分别为2.0 mmol/L和5.0 mmol/L,磷质量浓度为20 mg/L（pH=7.0）,测量在不同有机磷干扰下无机磷的吸附量.

有机酸浓度影响：称取土样2.50 g于50 mL离心管中,按1∶20固液比分别加入草酸、柠檬酸和磷的混合溶液,有机酸浓度为1.0、2.0、5.0、8.0、10.0 mmol/L；磷质量浓度为20 mg/L,调节pH值为7.0,测量不同质量浓度有机磷干扰下无机磷的吸附量.

1.3.2 pH影响 称取土样2.50 g于50 mL离心管中,按1∶20固液比加入KH2PO4溶液（磷质量浓度为20 mg/L）,调节溶液的pH值分别为0、2、4、5、6、7、8、10、12.测量不同pH值条件下无机磷的吸附量.

1.3.3 离子浓度的影响 称取土样2.50 g于50 mL离心管中,按1∶20固液比加入KH2PO4溶液（磷质量浓度为20 mg/L,pH=7.0）,分别以0.001、0.01、0.1、1、5 mol/L的KCl溶液为溶剂,测量不同离子浓度下无机磷的吸附量.

1.3.4 吸附动力学试验 称取土样2.50 g于50 mL离心管中,加入含磷量为20 mg/L的KH2PO4溶液（pH=7.0,溶剂为0.01 mol/L的KCl溶液）,振荡,分别在5、15 min及0.5、1、3、5、8、12、16、24 h取样测量无机磷的吸附量,对比不同时间下无机磷的吸附动力学.

2 结果与分析

2.1 不同水稻土无机磷、有机磷的吸附曲线

式中：B、C、D为最大值为1的随机函数的绝对值；ki=(i/10)，i=1, 2, 3, ……, 14；A按式(19)取值。

图1 3种水稻土中无机磷、有机磷的等温吸附曲线Fig.1 Inorganic and organic phosphate adsorption cruves of three paddy soils

由图1可知,土壤对磷的吸附量随加入磷源质量浓度的增加而增加,当加入的磷质量浓度小于10 mg/L时,土壤对磷吸附的提高速度较快；磷质量浓度约在10～20 mg/L时呈现拐点；当磷质量浓度较高时,吸附量随质量浓度的提高增幅降低,趋于平缓状态.这是由于当磷质量浓度较低时,离土壤吸附磷的饱和度较远,吸附能高,吸附速度快,吸附率高；随着磷质量浓度的增加,离饱和度近,吸附能变低,吸附速度慢,吸附率低.

3种水稻土对无机、有机磷吸附均表现出相同的规律,即吸附量红壤＞黄泥土＞潮沙土,这与3种土壤的理化性质和粘粒含量有关.对于相同质量浓度的不同磷源,土壤对有机磷的吸附量大于无机磷,这是由于土壤与不同磷源相互作用能力存在差异.

2.2 不同水稻土对无机磷、有机磷等温吸附的方程模拟

3种水稻土对无机磷吸附的等温拟合参数见表3,对有机磷吸附的等温拟合参数见表4.

表3 3种水稻土对无机磷吸附的等温拟合参数Tab.3 Inorganic phosphate adsorption parameters in three paddy soils

表4 3种水稻土对有机磷吸附的等温拟合参数Tab.4 Organic phosphate adsorption parameters in three paddy soils

由表3、表4可知,3种水稻土对无机磷吸附方程的拟合系数r为0.932～0.991,对有机磷吸附方程的拟合系数r为0.944～0.990,均为显著相关,3种方程对3种土壤拟合都很好.最大吸附量均表现出红壤＞黄泥土＞潮沙土,这是由于红壤粘粒含量高、结合能大的原因.对于同一土壤的3种方程,无机磷表现为Langmuir方程较好,有机磷表现为Temkin方程较好.

2.3 不同水稻土对有机肥中磷的吸附状况

图2 3种水稻土对鸡粪中无机磷、有机磷的等温吸附曲线Fig.2 Inorganic and organic phosphate of chichen manure adsorption cruves of three paddy soils

由图2可知,以鸡粪为外加磷源时,吸附曲线表现与纯试剂不用.当鸡粪量小时,无论是有机磷还是无机磷,吸附量都随着磷加入量的增加而增大,到达一定的拐点后,吸附量反而下降.当鸡粪中无机磷质量浓度与纯化学试剂中质量浓度相同时,纯化学试剂的无机磷吸附量大于鸡粪中无机磷吸附量,原因是鸡粪中有机质含量高,抑制土壤对磷的吸附,磷的存在状态复杂,导致有机磷和无机磷竞争吸附.

2.4 不同水稻土对磷吸附影响因素的分析

2.4.1 低分子有机酸种类对磷吸附的影响 不同低分子有机酸对3种水稻土无机磷吸附的影响见图3.

图3 不同低分子有机酸对3种水稻土无机磷吸附的影响Fig.3 The affection of low molecular organic acids on inorganic phosphate adsorption

由图3可知,不同浓度的4种低分子有机酸都降低了土壤对磷的吸附量.由于低分子有机酸减弱了土壤固体表面的吸附能,降低了土壤对磷酸根离子的束缚,这时被吸附的磷酸根能量位点低,加速了磷的解吸.3种土壤表现相同的趋势：低分子有机酸的加入使磷的吸附量降低,降低的程度大小为柠檬酸＞草酸＞酒石酸＞乙酸.

2.4.2 低分子有机酸浓度对磷吸附的影响 低分子有机酸浓度对磷吸附的影响见图4.

图4 不同浓度有机酸对磷吸附的影响Fig.4 The affection of density of low molecular organic acids on inorganic phosphate adsorption

由图4可知,草酸和柠檬酸对不同水稻土吸附磷的影响表现出相同的规律：两种酸浓度从1.0 mmol/L到5.0 mmol/L,均降低了磷的吸附,在有机酸的干扰下,土壤对无机磷的吸附量随着酸浓度的增大逐渐减少.这是由于在有机酸的存在下,土壤对磷的吸附更容易解吸的缘故.有机酸对无机磷吸附量的降低程度随着酸浓度的增大而增大.

2.4.3 pH对磷吸附的影响 不同pH值条件下,3种水稻土对磷的吸附量见图5.

图5 不同pH对无机磷吸附的影响Fig.5 The affection of pH on inorganic phosphate adsorption

由图5可知,溶液的pH值对磷的吸附量有一定的影响.当pH值在0～5时,吸附量都随着pH值的升高而降低；当pH约等于6时,吸附量达到低谷；当pH值大于6时,吸附量又随着pH值的升高而升高.这是由于pH值影响了磷的存在形式,当主要成分是H2PO4-时,土壤中硅酸盐、镁盐、Fe（OH）3以及铝硅酸盐都影响了吸附过程.在pH较高时,更促进了磷的吸附.

2.4.4 离子浓度对磷吸附的影响 不同离子浓度条件下3种水稻土对有机磷的吸附量见图6.

图6 不同离子浓度对有机磷吸附的影响Fig.6 The affection of ionic strength on inorganic phosphate adsorption

由图6可知,当加入缓冲液由0.001 mol/L增加至5.0 mol/L时,3种土壤对磷的吸附均表现相同的规律：随着离子浓度的增大,土壤对磷的吸附量逐渐增加,但影响的程度不大.

2.4.5 土壤磷吸附动力学 3种水稻土的磷吸附动力学曲线见图7.

图7 磷吸附动力学曲线Fig.7 The dynamics curves of inorganic phosphate adsorption

由图7可知,3种水稻土的磷吸附均表现出相同的规律：吸附达到平衡的24 h内,前30 min的吸附率达到60%～70%,速度增加较快,之后变慢,逐渐达到平衡.这是由于在吸附初期,属于快过程,随着时间的持续,土壤表面能够吸附磷离子的“活性点”减少,同时,溶液中磷离子的浓度也随之减小,吸附曲线变平缓,这个过程属于吸附的慢过程[10].

3 结论与讨论

本研究结果表明：3种土壤对磷的最大吸附量均表现为红壤＞黄泥土＞潮沙土,有机磷＞无机磷,所以在农田施肥的过程中,红壤和黄泥土水稻田应适当增加磷的使用量,以满足作物生长需要；在鸡粪中磷吸附试验中,最大吸附量均小于纯试剂磷源,这主要是鸡粪中有机质含量多,加速了磷的解吸作用,并且存在有机磷和无机磷竞争吸附的缘故；低分子有机酸的加入能够有效减少土壤对磷的吸附,减少的程度为柠檬酸＞草酸＞酒石酸＞乙酸,对于种类相同的有机酸,其浓度越大,减少的程度越大；环境的酸碱度对磷吸附的影响是分阶段的,高酸环境下,磷的吸附量随着pH值的升高而降低,弱酸时出现拐点,在碱性环境下,磷的吸附量随着pH值的升高而升高；随着离子浓度的升高,磷吸附量逐渐升高,但影响的程度不大；3种水稻土对磷的吸附速度表现为先快后慢的特征.从环境角度考虑,潮沙土对磷的固定能力弱,磷容易流失,这种稻田应减少磷的施入,以防造成地下水和周边地表水的污染.

[1]Maguire R O,Sims J T,Coale F J.Phosphorus solubility in biosolids-amended farm soils in the Mid-Atlantic region of the USA[J]. Journal of Environmental Quality,2000,29（4）：1225-1233.

[2]罗安程,Subedi T B,章永松,等.有机肥对水稻根际土壤中微生物和酶活性的影响[J].植物营养与肥料学报,1999,5（4）：321-327.

[3]Manna M C,Swarup A,Wanjari R H,et al.Long-term effect of fertilizer and manure application on soil organic carbon storage,soil quality and yield sustainability under sub-humid and semi-arid tropical India[J].Field Crops Research,2005,93（2/3）：264-280.

[4]李庆逵.中国水稻土[M].北京：科学出版社,1992.

[5]王德建,林静慧,夏立忠.太湖地区稻麦轮作农田的氮素淋洗特点[J].中国生态农业学报,2001,9（1）：16-18.

[6]王道涵,梁成华.农业磷素流失途径及控制方法研究进展[J].土壤与环境,2002,11（2）：183-188.

[7]张树楠,贾兆月,肖润林,等.生态沟渠底泥属性与磷吸附特性研究[J].环境科学,2013,34（3）：1101-1106.

[8]陈斌,吉训凤,丁华萍,等.稻麦连续施用鸡粪的效应研究[J].中国生态农业学报,2005,13（4）：127-130.

[9]纪雄辉,郑圣先,刘强,等.施用有机肥对长江中游地区双季稻田磷素径流损失及水稻产量的影响[J].湖南农业大学学报, 2006,32（3）：283-287.

[10]聂敏,肖和艾,廖敦秀,等.亚热带可变电荷土壤磷素淋失临界点及其与土壤特性的关系[J].环境科学学报,2013,33（2）：579-586.

（责任编辑：邓天福）

The influencing factors of adsorption to phosphorus in the different types of paddy soils

Jia Xueping1,2,Liu Qin2,Zhang Huanchao3
（1.Xuancheng Vocational and Technical College,Xuancheng 242000,China；2.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences,Farmland Ecosystem Experiment Station in Changshu,Nanjing 210008, China；3.College of Forest Resources and Environment,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037, China）

Three kinds of typical paddy soils were choosed：red soil,yellow soil,chaosha soil,the adsorption characteristic of organic and inorganic phosphorus in the three types of paddy soils were studied.The results showed that：no matter the inorganic or organophosphorus phosphorus adsorption showed the same disciplinarian：red soil＞yellow soil＞ chaosha soil,organo phosphorus＞ inorganic phosphorus.The low molecular organic acids could effectively reduce adsorption of phosphorus,the degree as：citric acid＞oxalic acid＞tartaric acid＞acetic acid.For the same type of organic acid,the greater the concentration,the greater the degree of reduction.The environmental pH effected phosphorus adsorption in stages,in high acid environment,the higher of pH,the more of odsorption,there was a turning point in weak acid environment,in alkaline environment,the adsorption of phosphorus rises as the pH.With the increase of ionic strength,phosphorus adsorption capacity increased,but the degree of influence was weak；the characteristics of adsorptiion was fast in earlier stage and slow in later stage.

paddy soil；phosphorus；adsorption；influencing factors

S158

A

：1008-7516（2015）04-0007-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.04.002

2015-05-15

中国科学院知识创新工程重要方向项目（KSCXZ-YW-N-037）；中国科学院知识创新工程项目（KZCX3-SW-435）；安徽省教育厅教学研究项目（2013JYXM370）

贾学萍（1977―）,女,河南开封人,硕士研究生,讲师.主要从事农田土壤养分循环与环境效应研究.