華北花崗片麻巖山地土壤促成技術(shù)研究——室內(nèi)模擬肥料對(duì)巖石金屬元素釋放作用Ⅰ

周國娜，宋慶豐，楊新兵

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定071001;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京100091)

土壤中重金屬及難于被微生物降解而在土壤中累積，進(jìn)而通過食物鏈危害人體健康，所以關(guān)于重金屬在土壤中的化學(xué)行為己經(jīng)引起人們的高度關(guān)注。土壤重金屬主要有汞 、鎘 、鉛 、銅 、鉻 、砷 、鎳 、鐵 、錳 、鋅等[1]。Nicholson等人研究表明大氣沉降、下水道污泥、牲畜糞便、農(nóng)藥、灌溉水和工業(yè)“三廢”及其混合物是農(nóng)業(yè)土壤中重金屬 Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、Cr、As、Hg富集的主要來源，并計(jì)算出各來源占總輸入量的變化范圍[2]。華北花崗片麻巖山地大量植被遭到破壞，降雨形成薄層分散的地表徑流，將土壤中可溶性物質(zhì)及比較細(xì)小的土粒以懸移方式為主沖走，造成土壤質(zhì)地明顯變粗，土層漸薄，土地生產(chǎn)能力不斷下降而棄耕，進(jìn)而需要對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤進(jìn)行促成，其中施肥是有效的措施。隨著巖石的風(fēng)化過程，會(huì)有大量的金屬元素釋放出來。目前施肥對(duì)土壤重金屬的研究國內(nèi)外已經(jīng)很多，涉及到很多植物生長必須的中量元素和微量元素。長期不施肥土壤中的有效Fe含量下降[3]，單施化肥、有機(jī)肥或二者配施均可提高土壤有效Fe含量[4-6]。為了探究施肥對(duì)重金屬元素含量的影響，任順榮等采用6種不同施肥處理后，無論是化肥還是有機(jī)肥 ，土壤 0-20 cm 土層重金屬 Cu、Zn 、Cd 、Cr、Hg和As的含量測(cè)定結(jié)果都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[7]。本文利用室內(nèi)模擬肥料對(duì)巖石金屬元素釋放作用，進(jìn)而找出土壤促成的最佳施肥技術(shù)，為華北花崗片麻巖山區(qū)植被恢復(fù)提供理論依據(jù)，也為花崗片麻巖區(qū)退耕還林的進(jìn)一步實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

平山縣的自然地貌為“八山一水一分田”，位于太行山中斷東麓滹沱河沿岸山西臺(tái)地與華北平原的過渡地帶[8]，該地貌類型屬于低山丘陵區(qū)，海拔高度小于300 m。土壤類型屬于褐土性土亞類，主要有以下幾種類型土壤。一是非耕種花崗片麻巖褐土性土屬。分布于海拔1 300 m以下的中山、低山、丘陵、陽坡，表層有機(jī)質(zhì)0.36%～1.61%，全氮含量0.023%～0.105%，全磷含量0.01%～0.031%，碳酸鈣0.28%～1.92%，砂礫量24.4%～51.23%，pH6.4～7.9。土層薄，不足30 cm，侵蝕嚴(yán)重，肥力低下。代表土種為花崗片麻巖薄層多礫砂壤質(zhì)褐土性土。二是非耕種頁巖褐土性土屬，分布于石灰?guī)r區(qū)，僅頁巖薄層多礫輕壤質(zhì)褐土性土種，土層少于25 cm，石灰反應(yīng)不明顯，pH7.3～7.4，表層有機(jī)質(zhì) 1.67%，全氮含量0.098%，全磷含量0.023%。三是花崗片麻巖褐土性土屬。只有花崗巖片麻巖薄層壤質(zhì)褐土性土種，表層有機(jī)質(zhì) 0.38%，全氮含量 0.031%，全磷含量0.016%，pH8.5，石灰量1.5%，礫石41.1%。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用巖石粉末采自試驗(yàn)地，巖石類型為花崗片麻巖 。巖石中含有 Ca、K 、Na、Mg、Al、Fe、P、Zn 、Mn、Cu、Cr、Pb、B 等金屬元素。試驗(yàn)所用肥料為緩釋復(fù)混肥(slow release fertilizer，簡稱 HK);生物有機(jī)肥(bio-organic fertilizer，簡稱 YJ);微生物菌肥(microbial agent，簡稱SW)，每種肥料均設(shè)4個(gè)處理的施肥量，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，見表1。對(duì)照設(shè)置有水對(duì)照(CK1)、水+巖石對(duì)照(CK2)、水+肥料對(duì)照(CK3)。

表1 室內(nèi)模擬不同肥料使用量

2.2 試驗(yàn)方法

在150 ml的三角瓶中，加入取回的巖石粉(過100目篩)5 g，然后加入不同量的肥料，最后加入100 ml去離子水充分?jǐn)嚢瑁?5℃左右搖床上進(jìn)行培養(yǎng)，搖床的擺動(dòng)頻率為350 r/min。每隔10 d取一次上清液，共取5次，樣品用針頭過濾器(Millipore，Whatman濾膜，孔徑 0.22 μ m)過濾 ，取濾液 5 ml，置于 50 ml的容量瓶中定容(稀釋10倍)，取5 ml稀釋液放置10 ml離心管中，加1滴濃硝酸，使其酸化待測(cè)。用電感耦合等離子-發(fā)射光譜儀(美國Varian公司Vista MPX型)分別測(cè)定Na、Fe、Cr、Al等金屬元素質(zhì)量濃度。

3 結(jié)果與分析

3.1 Na元素釋放分析

室內(nèi)模擬肥料對(duì)Na元素釋放作用如圖1所示，水對(duì)照在測(cè)定時(shí)間上Na元素含量基本相同，而水+巖石粉末對(duì)照隨著時(shí)間延伸，Na元素呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，最大釋放量(0.043 mg/L)出現(xiàn)在第50天，說明水分對(duì)巖石中Na元素釋放有促進(jìn)作用。在HK處理上，水+肥料對(duì)照中，Na元素釋放量隨著肥料用量和測(cè)定時(shí)間的延伸，其含量不斷增加，最大釋放量(4.075 mg/L)出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天，說明肥料中Na元素隨著時(shí)間的延伸，釋放量不斷增加;肥料溶液+巖石處理，Na元素釋放量同樣呈現(xiàn)出隨著肥料用量和測(cè)定時(shí)間的延伸，其含量不斷增加，最大釋放量(5.058 mg/L)出現(xiàn)在HK4處理的第 50天，說明HK處理對(duì)巖石中Na元素的釋放隨著處理肥料用量和時(shí)間的延伸不斷增加。

在YJ處理上，水+肥料對(duì)照處理中，同 HK中水+肥料對(duì)照相同，最大釋放量(8.694 mg/L)出現(xiàn)在CK3-4處理上;肥料溶液+巖石處理上，亦同水+肥料對(duì)照處理相同，其最大釋放量(9.678 mg/L)出現(xiàn)在YJ4處理的第50天，說明YJ處理對(duì)巖石中Na元素的釋放隨著處理肥料用量和時(shí)間的延伸不斷增加。在SW處理上，水+肥料對(duì)照處理與肥料溶液+巖石處理中，Na元素釋放量趨勢(shì)同以上兩種肥料處理下相同，最大釋放量分別出現(xiàn)在CK3-4(5.550 mg/L)和SW4(7.438 mg/L)的第50天。同樣可以說明SW處理對(duì)巖石中Na元素的釋放隨著處理肥料用量和時(shí)間的延伸不斷增加。

圖1 Na元素釋放量

3.2 Fe元素釋放分析

如圖2所示，室內(nèi)模擬肥料對(duì)Fe元素釋放作用在水對(duì)照的測(cè)定時(shí)間上Fe元素含量基本相同，而水+巖石粉末對(duì)照隨著時(shí)間延伸，F(xiàn)e元素不斷增加，最大釋放量(0.259 mg/L)出現(xiàn)在第50天，說明水分對(duì)巖石中Fe元素釋放有促進(jìn)作用。在HK處理上，水+肥料對(duì)照處理中，各肥料用量處理與測(cè)定時(shí)間上Fe元素的釋放量變化較復(fù)雜，隨著肥料用量增加，其釋放量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，CK3-2處理達(dá)到最大，在不同測(cè)定時(shí)間上，最大釋放量均出現(xiàn)在第40天，其他測(cè)定時(shí)間上釋放量的變化無規(guī)律可尋，說明HK中Fe元素的釋放規(guī)律很復(fù)雜，從而導(dǎo)致其肥力作用不穩(wěn)定;肥料溶液+巖石處理中，F(xiàn)e元素釋放規(guī)律同樣復(fù)雜，甚至有低于水、水+巖石、水+肥料對(duì)照的處理，不同肥料用量處理，除了在第10天最大釋放量出現(xiàn)在HK1上外，其余測(cè)定時(shí)間均呈現(xiàn)隨肥料增加而增加的趨勢(shì)，最大釋放量出現(xiàn)在HK4處理的第40天(0.259 mg/L)，與水+巖石對(duì)照處理的50天測(cè)定值相同，說明HK處理在一定程度上抑制了巖石中Fe元素的釋放或者HK中某些元素與Fe元素發(fā)生了耦合，導(dǎo)致了測(cè)定值降低。在YJ處理上，水+肥料對(duì)照處理中，甚至有些測(cè)定值低于水對(duì)照和水+巖石對(duì)照，在不同測(cè)定時(shí)間上，F(xiàn)e元素釋放量最大值均出現(xiàn)在第50天;肥料溶液+巖石處理中，同樣存在某些測(cè)定值小于其他3種對(duì)照的現(xiàn)象，其不同肥料用量處理以及不同測(cè)定時(shí)間上Fe元素釋放量變化同樣較為復(fù)雜，沒有規(guī)律可循，綜合最大釋放量出現(xiàn)在YJ4處理的第50天，可能因?yàn)閅J處理在一定程度上抑制了巖石中Fe元素的釋放或者HK中某些元素與Fe元素發(fā)生了耦合，從而導(dǎo)致了測(cè)定值的變化無規(guī)律可循。在SW處理上，水+肥料對(duì)照處理和肥料溶液+巖石處理中Fe元素釋放量同樣無規(guī)律可循，且存在某些測(cè)定值小于水對(duì)照和水+巖石對(duì)照處理，水+肥料對(duì)照處理的最大釋放量(0.253 mg/L)出現(xiàn)在SW3-3處理的第10天，而肥料溶液+巖石處理最大釋放量(0.302 mg/L)出現(xiàn)在SW4處理的第40天。

圖2 Fe元素釋放量

3.3 Cr元素釋放分析

如圖3所示，水對(duì)照與水+巖石對(duì)照處理中，Cr元素的含量相差不明顯，說明水分對(duì)于巖石中Cr元素的釋放作用不明顯。在HK、YJ和SW不同肥料用量以及不同測(cè)定時(shí)間點(diǎn)上的Cr元素釋放量基本相似，它們之間相差不大，HK處理的最大釋放量出現(xiàn)在HK4處理的第30天(0.065 mg/L);YJ處理的最大釋放量出現(xiàn)在YJ3處理的第50天(0.078 mg/L);SW處理的最大釋放量出現(xiàn)在SW1處理的第40天(0.59 mg/L)。但與水+肥料處理相比較，HK處理與水+肥料對(duì)照處理相差不大甚至小于對(duì)照，這種現(xiàn)象在SW處理中易見到，說明兩種肥料的某種元素與Cr元素產(chǎn)生了耦合。

3.4 Al元素釋放分析

如圖4所示，水對(duì)照在測(cè)定時(shí)間上元素含量基本相同，而水+巖石粉末對(duì)照隨著時(shí)間延伸，元素最大釋放量(3.078 mg/L)出現(xiàn)在第50天，其他均呈現(xiàn)隨時(shí)間延伸而增加的趨勢(shì)，說明水分對(duì)巖石中Al元素釋放有促進(jìn)作用。在HK、YJ和SW處理上，水+肥料對(duì)照處理與肥料溶液+巖石處理中，Al元素的釋放量變化均隨著肥料用量的增加以及測(cè)定時(shí)間的延伸逐漸增加，且肥料溶液+巖石處理下Al元素的釋放量均大于水+肥料對(duì)照處理下的含量。在HK處理下，水+肥料對(duì)照處理最大含量出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(1.643 mg/L)，肥料溶液+巖石處理的最大釋放量出現(xiàn)在HK4處理的第50天(1.984 mg/L);YJ處理下，水+肥料對(duì)照處理最大含量出現(xiàn)在CK3-4處理的第30天(3.609 mg/L)肥料溶液+巖石處理的最大釋放量出現(xiàn)在YJ4處理的第50天(5.837 mg/L);在SW處理下，水+肥料對(duì)照處理最大含量出現(xiàn)在CK3-4處理的第50天(2.950 mg/L)肥料溶液+巖石處理的最大釋放量出現(xiàn)在YJ4處理的第50天(5.912 mg/L)。

圖3 Cr元素釋放量

圖4 Al元素釋放量

4 結(jié)論

綜合以上分析可以得出，3種肥料處理中，以生物有機(jī)肥處理對(duì)巖石中Na元素釋放量的促進(jìn)作用最為明顯，且隨著肥料中Na元素釋放量的增加，巖石中Na元素也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì);Fe元素的釋放作用均較復(fù)雜，甚至有低于3種對(duì)照的測(cè)定值出現(xiàn)，可能是因?yàn)樘幚碓谝欢ǔ潭壬弦种屏藥r石中Fe元素的釋放或者HK中某些元素與Fe元素發(fā)生了耦合，從而導(dǎo)致了測(cè)定值的變化無規(guī)律可循;Cr元素釋放主要以生物有機(jī)肥處理最為明顯，且3種肥料處理下Cr元素均明顯高于水+巖石對(duì)照處理;Al元素的釋放規(guī)律相同，且均較水對(duì)照、水+巖石對(duì)照和水+肥料對(duì)照中Al元素含量增加。但Na、Fe、Cr元素在某處理及測(cè)定時(shí)間點(diǎn)上有肥料溶液+巖石處理處金屬元素含量小于水+肥料對(duì)照處理的現(xiàn)象發(fā)生，可能由于金屬元素與肥料中的某種元素產(chǎn)生了耦合反應(yīng)或者是金屬離子與溶液中CO2反應(yīng)形成碳酸鹽而又重新被固定。3種肥料處理對(duì)巖石中綜合分析得知3種肥料對(duì)巖石中金屬元素釋放有促進(jìn)作用，進(jìn)而揭示3種肥料能夠加快巖石風(fēng)化速率，且以生物有機(jī)肥作用最為理想。

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