百色市不同土地利用类型土壤对磷吸附特性研究

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(百色学院，化学与环境工程学院，广西 百色 533000)

磷是地壳中常见的重要营养元素，同时也是水体营养化的重要限制因子[1]。磷能通过地表径流、壤中流等作用进入江流、湖泊，形成面源污染[2]。由于近30年来我国农田生态系统广泛使用磷肥，尤其是东部地区土壤的磷素水平显著提高，更加剧了农业面源污染的风险[3]。目前，针对不同类型土壤对磷的吸附解吸特性已在全国各地均有开展[4-6]，由于各地土壤类型。组成结构不尽相同，得出的结论均有所不同。基于此，本文选择百色市3种不同土地利用类型土壤，研究了3种类型土壤对磷的吸附特性，以期为百色市土地利用变更及土壤改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

分别在百色市及周边农田采集不同土地利用类型的土壤3种，分别为景观草坪土壤(A)、右江河流底泥(B)、农田耕作土壤(C)，为避免降雨带来的土壤径流冲刷等对土壤理化性质带来的影响，采样前5天均无降雨天气。土样采用四分法[鲍士旦]，采集目标土壤0～10cm的表层土壤，装袋并标记保存，运回实验室后剔除石块及肉眼可见的动植物残体后，于阴凉处自然风干10d，经过粗磨后，再过100目标准筛制得备用土样。

1.2 土壤理化性质测定

据研究表明，影响土壤对磷吸附的因素有很多，诸如土壤黏粒组成、无定型矿物构成、土壤有机质、无定型铁、pH、土壤含磷量、非晶质铁铝氧化物等均能对土壤吸附磷产生影响[7-11]，根据实验条件与实际情况综合考虑，本研究选取土壤有机质、土壤pH、土壤含磷量和土壤有效磷作为基本理化性质指标。具体测试方法见文献《土壤农化分析》[12]。

1.3 等温吸附实验

准确称取备用土样1.00 g于100 mL塑料离心管中，按1∶25的土水比加入不同浓度的含磷溶液(1～150 mg·L-1)，在往复式振荡器上以转速200 r·min-1恒温(25℃)振荡24h，使得土壤与溶液充分混合达到吸附平衡后取出，以5000 r·min-1离心10 min，取上清液过0.45μm水系滤膜后，测定溶液中磷的浓度，根据质量守恒原理，测定实验结束后上清液浓度差异计算土壤对磷的吸附量。磷溶液的浓度梯度设置为0，1，2，5，10，20，50，100和150 mg·L-1。磷溶液采用KH2PO4(优级纯)配置，实验背景电解液为0.01 mol/L KCl溶液，实验开始前加入2滴氯仿溶液以抑制微生物的活动。实验平行重复3次。

1.4 吸附动力学实验

为了解磷在3种土壤中随时间的吸附速率情况，对3种土壤进行吸附动力学实验，具体方法为：准确称取备用土样1.00 g于100 mL塑料离心管中，随后加入50mL浓度为50 mg·L-1的磷溶液，在摇床中以转速200 r·min-1恒温(25℃)振荡，取样时间分别设定为0，0.25，0.5，1，1.5，2，4，8，12，18，24，36，48h。取样后，以5000 r·min-1离心10 min，取上清液过0.45μm水系滤膜后，测定溶液中磷的浓度，根据实验前后上清液磷浓度，计算土壤对磷的吸附量。实验平行3次，结果取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 土壤基本理化性质

土壤基本理化性质如表1所示，3种土壤基本理化性质差异明显，其中，景观草坪土壤(A)的土壤有机质含量最高，而农田耕作土壤(C)最低，这可能与人为开采耕作有一定关系，景观草坪土壤保护较好，土壤中的腐殖质得以较好的积累，而农田由于耕种行为，土壤有机质含量逐渐消耗，河流底泥中由于水体冲刷沉降作用，底泥中的有机质亦得到一定的累积；在土壤总磷含量中，农田土壤由于施肥耕作的缘故，含量最高，景观草坪土壤的总磷含量最低，而底泥中的磷来源于降雨冲刷带入河流的沉积以及土壤径流输入，其含磷量要高于景观草坪土壤。

表1 百色市不同土地利用类型土壤的基本理化性质

2.2 等温吸附曲线

由图1可知，3种不同利用方式土壤，在不同浓度磷溶液下，土壤对磷的吸附量均不相同。随着初始溶液中磷溶液浓度不断提高，在体系达到吸附平衡时，土壤对磷的吸附量亦逐渐增加。当磷溶液浓度低于50mg/L时，其曲线的特征呈现出急剧上升型；而随着磷溶液浓度的增加(>50mg/L)，吸附曲线逐渐变缓，说明土壤中能吸附磷的点位逐渐达到饱和状态，对于磷吸附的量则趋于稳定。

图1 三种不同类型土壤对磷的等温吸附曲线

土壤对及各种元素的吸附过程可以用Langmuir模型方程来拟合[3,13-14]，因此，本文对3种土壤的等温吸附过程在origin中采用非线性拟合，得到相关的等温吸附特征参数，结果见表2所示。

表2 Langmuir等温吸附方程拟合

Langmuir模型的表达式为：Q=K·Qm·C/(1+K·C)，其中，Q为单位质量土壤吸附磷的量(mg·kg-1)，C平衡溶液中磷的浓度(mg·L-1)，K是通过非线性方程拟合得出的表征土壤对磷吸附的表面强度的一个常数，其值越大，表明其吸附强度越大，Qm为理论上土壤对磷的最大吸附量(mg·kg-1)，MBC为K与Qm的乘积，表征土壤对磷的最大缓冲容量，综合了最大吸附量与吸附强度因素，表示固体对养分的吸附特性，MBC值越大，吸附能力越强，反之则吸附能力越弱。由表2可知，R2均大于0.95，拟合结果较好，说明这3种土壤对磷的等温吸附过程可用Langmuir模型方程来拟合。景观草坪土壤对磷具有最大吸附量，达到了1087.25 mg·kg-1，而农田耕作土壤的吸附量最低，为725.05 mg·kg-1；在K值中最大的是右江河流底泥，达到了0.075，这可能与底泥中的腐殖质腐化程度及组成结构有关，而农田耕作土壤的K值最低，除了有机质含量外，可能还与其本身土壤磷含量亦较高有关。最大缓冲容量(MBC)的大小顺序为右江河流底泥>景观草坪土壤>农田耕作土壤，大小顺序上与最大吸附量稍有出入，但差别不大。张红爱的研究表明，土壤Qm高而MBC低，则不利于土壤对磷的吸附与固持，土壤吸附磷后容易受土壤径流、雨水冲刷等作用从土壤中移除而流失，只有二者均较高时，土壤才具有较高的固磷能力[15]。因此，在所研究的3种类型土壤中，景观草坪土壤与右江河流底泥均具有较好的固磷能力，而农田耕作土壤的最大吸附量与最大缓冲容量均为最低，说明农田耕作土壤的固磷能力较差，在土壤改良及耕作施肥中应予以重视，提高土壤磷的利用率。

2.3 吸附动力学特征

由图2可知，3种土壤对磷的吸附量不尽相同，但吸附动力学过程均大致可以分为3个阶段：反应开始后的8h为快速吸附阶段，曲线的斜率较大，土壤胶体表面大量的配位体能快速吸附磷；8～24h为慢速吸附阶段，此时曲线斜率逐渐变缓，吸附速率开始下降；24h以后为吸附动态平衡阶段，此时土壤胶体表面的吸附点位已趋于饱和，在振荡的过程中吸附与解吸逐渐趋于平衡。研究表明，土壤对磷的吸附主要以配位体交换的吸附为主[16]，在实验初期，土壤颗粒表面的吸附点位较为充足，而体系中大量磷酸根离子的存在，会迅速地与土壤胶体表面的水合基或羟基发生配位交换；随着吸附时间的增长，这些吸附点逐渐趋于饱和，使得吸附的速率逐渐放缓。但土壤对磷的吸附需要达到平衡状态较为缓慢，有的研究指出在吸附实验几个月后，依然能够观察到土壤对磷的吸附，这可能与土壤有效磷含量有关[17]。

图2 三种不同类型土壤对磷的吸附动力学曲线

结合表1土壤基本理化性质来看，景观草坪土壤具有最大的磷吸附量，可能与它的土壤有机质含量最高有关，同时其土壤本身的含磷量亦最低。土壤有机质中的腐殖酸与富里酸能够与铁、铝发生螯合作用，以提供更多的吸附点位；右江河流底泥有机质含量低于景观草坪土壤，初始含磷量高于景观草坪土壤，因而其最大吸附量低于景观草坪土壤，但其最大缓冲容量却高于景观草坪土壤，说明该土壤其他内在物理或化学性质使其具有最高的固磷能力，例如有机质中腐殖酸与富里酸的比例、土壤粘粒组成情况、土壤pH值的影响等，这还需要进一步的分析与研究；而农田耕作土壤的最大磷吸附量与最大缓冲容量均最低，这可能与土壤本身含量磷最高并且土壤有机质含量较低有关。

3 结论

本研究测定了百色市3种不同土地利用类型土壤对磷的吸附特性，结果表明:(1)景观草坪土壤具有最高的磷吸附量，右江河流底泥对磷具有最大的吸附强度的最高的缓冲容量，而农田耕作土壤的吸附量、缓冲容量与吸附强度均最低，这可能与土壤组成结构、初始含磷量较高及有机质含量较低有关。(2)3种土壤吸附磷的动力学过程均较为一致，表现出快速吸附、慢速吸附与动态平衡3个阶段，反应开始后的前8h为快速吸附阶段。(3)3种土壤对磷的吸附特性表明，土壤有机质含量、土壤含磷量可能是影响土壤对磷固持能力的重要因素。