外源鎂對(duì)強(qiáng)酸性紫色土壤陽(yáng)離子交換效應(yīng)的研究

詹江渝　陳洪　程永毅　趙新儒　楊劍虹

摘要[目的]為研究外源鎂對(duì)強(qiáng)酸性紫色土壤陽(yáng)離子交換效應(yīng)。[方法]選擇重慶地區(qū)強(qiáng)酸性紫色土壤為對(duì)象，采用1∶5的土水比，用10 cmol（+）/L MgSO4溶液對(duì)土壤進(jìn)行多次交換處理。[結(jié)果]在實(shí)驗(yàn)條件下，外源鎂能快速取代土壤膠體上吸附的各種鹽基離子，但對(duì)致酸離子（H+、Al3+）則難以達(dá)到快速、完全取代，經(jīng)5次交換后，鹽基飽和度由46.6%上升至72.4%，土壤pH僅上升0.7個(gè)單位；Mg2+與Ca2+、Na+的交換分別可以用指數(shù)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）進(jìn)行很好地?cái)M合；Mg2+與K+的交換后期明顯表現(xiàn)出有部分土壤次生黏土礦物層間固定的K+會(huì)被交換出來，導(dǎo)致被交換出的K+總量增加。[結(jié)論]在無(wú)酸堿中和的條件下，外源鎂可以改變土壤膠體鹽基離子的構(gòu)成，但對(duì)于改良強(qiáng)酸性土壤并無(wú)實(shí)際意義，反之，過量的外源鎂還可能造成土壤其他鹽基離子的損失。

關(guān)鍵詞強(qiáng)酸性土壤；外源鎂；陽(yáng)離子交換；效應(yīng)

中圖分類號(hào)S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）04-01056-03

基金項(xiàng)目“十二五”國(guó)家水專項(xiàng)（2012 ZX 07104003）。

作者簡(jiǎn)介詹江渝（1989-），女，重慶人，碩士研究生，研究方向：土壤化學(xué)。*通訊作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事土壤化學(xué)方面的研究。

鎂作為葉綠素組成成分和多種酶的催化劑，是植物生長(zhǎng)的必要元素[1]。植物對(duì)鎂的需求全部來源于根系從土壤（或營(yíng)養(yǎng)液）中的吸收。在正常情況下，土壤中的鎂大多能滿足植物生長(zhǎng)的需要。然而，在我國(guó)南方的一些強(qiáng)酸性土壤中，土壤交換性鹽基離子被H+和Al3+大量取代而造成淋失，致使交換性鹽基中的交換性Mg2+（有效態(tài)鎂）含量可能降至極低的水平。因而，植物因缺鎂所導(dǎo)致的葉片失綠、生長(zhǎng)緩慢等情況時(shí)有發(fā)生[2-4]，南方土壤交換性鎂含量一般在7～267 mg/kg范圍內(nèi)[2]。有研究認(rèn)為，我國(guó)南方甚至有54%的土壤需要不同程度地補(bǔ)充鎂[5]。土壤可交換態(tài)Mg2+的含量影響著植物吸收利用Mg2+的能力。在一般情況下，Mg2+含量與土壤鹽基飽和度呈正相關(guān)，與土壤酸度呈負(fù)相關(guān)，土壤pH的減少將伴隨著可溶性Mg2+濃度數(shù)量級(jí)的增加[6]。這也是強(qiáng)酸性土壤易發(fā)生缺鎂癥的主要原因。因此，一些學(xué)者認(rèn)為[7-9]在強(qiáng)酸性土壤上施用含鎂肥料，不但能增加土壤鎂的營(yíng)養(yǎng)，而且在一定程度上能達(dá)到降低土壤酸度，改善土壤陽(yáng)離子交換性能的目的。但是，也有研究表明，在酸性土壤中施用酸性鎂肥料會(huì)使土壤pH下降[10]。此外，關(guān)于紫色土中Mg2+與其他陽(yáng)離子的交換吸附研究較少。筆者以重慶地區(qū)強(qiáng)酸化的紫色土壤為研究對(duì)象，通過添加酸性鎂—硫酸鎂，并從交換性陽(yáng)離子在土壤膠體表面競(jìng)爭(zhēng)吸附的角度，研究外源鎂對(duì)強(qiáng)酸性土壤陽(yáng)離子交換效應(yīng)及土壤酸堿性能的影響。

1材料與方法

1.1供試土壤研究土樣于2013年8月下旬采自重慶市涪陵區(qū)睦和村。樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干，剔去石礫、植物殘?bào)w等，磨碎，過1 mm尼龍篩。該土壤發(fā)育于中生代侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）紫色泥頁(yè)巖風(fēng)化物，分類學(xué)上屬中性紫色土亞類、灰棕紫泥土屬。因長(zhǎng)期在不合理施肥條件下長(zhǎng)期種植榨菜，該地區(qū)的部分土壤已經(jīng)嚴(yán)重酸化，土壤陽(yáng)離子交換性能已極度惡化[11]。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)于2013年10月上旬采用多次交換處理法進(jìn)行，設(shè)5次交換處理。為便于操作，各次交換按1∶5土水比（忽略殘留水分）進(jìn)行。具體操作如下：稱取10.00 g過1 mm篩孔的風(fēng)干土壤5份于5支干燥的100 ml離心管中，編號(hào)①～⑤（同樣處理設(shè)3次重復(fù)），于離心管中各加10 cmol（+）/L MgSO4 （0.05 mol/L MgSO4）溶液50 ml，將離心管于振蕩機(jī)上振蕩10 min后，離心分離（4 000轉(zhuǎn)/min，4 min），將上層清液（交換液）通過濾紙收集于100 ml燒杯中；將①號(hào)處理的離心管單獨(dú)取出，按1∶1的土水比加純水10 ml，攪拌，放置10 min，測(cè)定pH后，棄去。同樣，將處理①燒杯中交換液做適當(dāng)稀釋后測(cè)定Ca2+、K+、Na+及Mg2+的濃度，其余各處理溶液棄去；將剩余的②～⑤號(hào)處理重新加入50 ml 10 cmol（+）/L MgSO4，重復(fù)上述步驟，完成處理②的pH和Ca2+、K+、Na+及Mg2+的濃度測(cè)定后繼續(xù)完成處理③～⑤的測(cè)定。

1.3指標(biāo)測(cè)定與方法

1.3.1K+、Na+的測(cè)定。將交換液在火焰光度計(jì)上直接測(cè)定mg/L濃度，并換算成K+、Na+ cmol（+）/L，以10 cmol（+）/L MgSO4溶液為基體配制K+、Na+的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3.2Ca2+的測(cè)定。將交換液按處理①稀釋500倍，處理②稀釋50倍，處理③～⑤稀釋5倍，并加入適量濃度5% LaCl3溶液（釋放劑）后，在火焰原子吸收分光光度計(jì)（日立Z5000型）上測(cè)定Ca2+mg/L濃度，并換算成Ca2+cmol（+）/L；以10 cmol（+）/L MgSO4為基礎(chǔ)，按樣品相同稀釋倍數(shù)的溶液為基體，配制各處理Ca2+的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3.3Mg2+的測(cè)定。將各交換液按1 000倍稀釋后在火焰原子吸收分光光度計(jì)上測(cè)定Mg2+mg/L濃度，并換算成Mg2+cmol（+）/L，以水為基體配制Mg2+的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2 結(jié)果與分析

2.1外源鎂在土壤膠體上的交換吸附特征由表1可知，隨著交換次數(shù)的增加，土壤膠體上其他交換性陽(yáng)離子被Mg2+逐步交換取代，第5次交換后，土壤膠體吸附Mg2+達(dá)21.0 cmol（+）/kg，但各次的交換吸附量明顯的快速降低。由圖1可知，將各次交換后土壤吸附Mg2+的增加量（cmol（+）/kg）與交換次數(shù)進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，二者與二次方程的擬合極好，R2達(dá)0.941 2**。由此可知， Mg2+具有強(qiáng)的交換力，能快速交換取代土壤膠體上其他鹽基離子，但相對(duì)于土壤中的致酸離子（H+、Al3+），在該試驗(yàn)條件下Mg2+的交換力尚不足以達(dá)到快速交換取代的效果，經(jīng)5次交換后，土壤膠體上仍保留有約8 cmol（+）/kg的交換性酸，而Mg2+被土壤吸附的增加量不足0.5 cmol（+）/kg。

2.2外源Mg2+對(duì)Ca2+、Na+ 、K+交換特征的影響交換性Ca2+和Mg2+是土壤中最重要的鹽基離子[12]。由圖2可知，在試驗(yàn)條件下，隨著交換次數(shù)的增加，土壤膠體上吸附的交換性Ca2+含量快速降低，用指數(shù)方程y=14.998e-1.484 9擬合，相關(guān)系數(shù)（R2）達(dá)0.998 3**，表明外源Mg2+對(duì)Ca2+的交換曲線符合指數(shù)方程。5次交換后，Mg2+對(duì)Ca2+的交換率可達(dá)99.9%以上。Ca和Mg同為堿土金屬，在元素化學(xué)周期表中位于主族的ⅡA族，在化學(xué)性質(zhì)上具有很多相似性。在土壤膠體吸附的所有鹽基離子中，Mg2+的吸附強(qiáng)度在同價(jià)離子中小于Ca2+，因此當(dāng)Ca2+的含量過高時(shí)，Ca2+就會(huì)將Mg2+交換出來，使得交換性鎂的含量降低。同時(shí)，植物對(duì)土壤中Mg2+的吸收也受到土壤中Ca2+濃度的影響。Ca2+濃度過高時(shí)會(huì)減少植物對(duì)Mg2+的吸收量，從而造成植物的缺鎂癥。該研究表明，當(dāng)Mg2+含量遠(yuǎn)高于Ca2+時(shí)，Mg2+與Ca2+發(fā)生陽(yáng)離子交換，Ca2+被交換出來，而Mg2+被吸附于土壤膠體上，增加了土壤中交換態(tài)鎂的含量。這雖然對(duì)缺鎂土壤鎂素的補(bǔ)充具有一定的作用，但過量的鎂會(huì)引起交換性Ca2+含量的降低。

2.3 外源Mg2+離子交換與土壤pH的變化對(duì)于強(qiáng)酸性土壤，一般認(rèn)為土壤交換性酸以Al3+占主導(dǎo)[15]。由于土壤膠體對(duì)Al3+的強(qiáng)吸附性，當(dāng)鹽基離子與之交換時(shí)，一是交換率低，即土壤經(jīng)5次交換后，土壤鹽基飽和度由交換前的46.6%僅提高到72.4%，且隨著交換次數(shù)的增加，提高速度逐漸降低；二是由于強(qiáng)酸性土壤的pH緩沖由Al3+緩沖區(qū)主導(dǎo)。在無(wú)酸堿中和的條件下，僅靠鹽基離子的交換作用來快速降低土壤酸容量（交換性酸），在強(qiáng)酸性土壤改良中幾乎無(wú)實(shí)際意義。

圖4為各次交換后土壤pH值變化曲線，用二次曲線方程擬合，R2= 0.996 6。由圖4可知，經(jīng)5次交換后，土壤pH由3.9提高到4.6，僅提高0.7個(gè)pH單位。有研究表明，硫酸鉀鎂肥作為生理酸性鹽會(huì)降低土壤pH，硫酸鎂同樣作為一種酸性鹽，卻提高土壤pH。在提高速率上，明顯表現(xiàn)為先慢后快。這表明隨著交換次數(shù)的增加，膠體上Al3+減少，Al3+緩沖效果逐漸減弱，因添加外源鎂—硫酸鎂在強(qiáng)酸性紫色土中pH提高幅度不大，僅靠鹽基離子的交換作用來降低土壤酸容量（交換性酸），因此對(duì)于強(qiáng)酸性土壤改良幾乎無(wú)實(shí)際意義。

3 結(jié)論

（1）按1∶5土水比、10 cmol（+）/L MgSO4溶液對(duì)過度酸化的紫色土壤樣品進(jìn)行交換，土壤膠體上其他鹽基離子能被Mg2+快速交換進(jìn)入溶液，但對(duì)于交換性酸（H+、Al3+），其交換能力則不足以達(dá)到快速、完全交換。因此，外源鎂對(duì)強(qiáng)酸性土壤陽(yáng)離子交換性能的影響主要表現(xiàn)在土壤鹽基離子上。

（2）土壤膠體上交換K+能快速地被外源鎂交換，但在Mg2+濃度較高、過度交換的條件下，土壤次生黏土礦物中固定的K+可能被同時(shí)交換出來，導(dǎo)致緩效性K+損失。

（3）土壤增加外源鎂可改善鎂的營(yíng)養(yǎng)狀況，但從對(duì)強(qiáng)酸性土改良的角度，施用鎂肥幾乎無(wú)實(shí)際意義，過量施用反而造成其他鹽基離子損失。

參考文獻(xiàn)

[1] 李明晶， 孫云華，劉亦凡.鎂在植物生長(zhǎng)中的作用及鎂肥[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程，2009（4）：36-39.

[2] 丁玉川， 焦曉燕， 聶督， 等.山西省主要類型土壤鎂素供應(yīng)狀況及鎂肥施用效果[J].水土保持學(xué)報(bào)，2011，25（9）：139-144.

[3] 黃玉溢， 王影， 陳桂芬， 等.低產(chǎn)柑橘園植株及土壤營(yíng)養(yǎng)狀況分析及評(píng)價(jià)[J].土壤通報(bào)，2009，40（1）：118-121.

[4] 宋傳俊， 葉斌.水稻缺鎂癥及鎂肥試驗(yàn)效果初報(bào)[J].土壤肥料，2003（1）：41-42.

[5] 自由路， 金繼運(yùn)， 楊俐萍.我國(guó)土壤有效鎂含量分布狀況與含鎂肥料的應(yīng)用前景研究[J].土壤肥料，2004（2）：3-4.

[6] TIPPING E，SMIT E J，LAWLOR A J，et al.Predicting the release of metal from ombrotrophic peat due to droughtinduced acidification[J].Environ Poll，2003，123（2）：239-253.

[7] 李伏生.紅壤地區(qū)鎂肥對(duì)作物的效應(yīng)[J].土壤與環(huán)境，2000，9（1）：53-55.

[8] 施潔斌， 秦遂初， 單英杰.酸性土壤小麥缺鎂與鋁及鈣、鉀元素的關(guān)系研究[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，1997（6）：282-284.

[9] 姚建武， 柯玉詩(shī)， 黃慶.活性鈣鎂肥水稻肥效試驗(yàn)研究[J].土壤肥料，2005（3）：45-47.

[10] 王龍， 王子芳， 金昆， 等.pH和有機(jī)質(zhì)對(duì)三種不同土壤鎂吸附特性的影響[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（7）：150-155.

[11] 李忠意.重慶涪陵榨菜區(qū)土壤酸化特征及其改良研究[D].重慶： 西南大學(xué)，2012.

[12] 姜勇， 張玉革， 梁文舉.溫室蔬菜栽培對(duì)土壤交換性鹽基離子組成的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2005，19（6）：78-81.

[13] 楊劍虹， 王成秋， 代亨林.土壤農(nóng)化分析與環(huán)境監(jiān)測(cè)[M].北京， 中國(guó)大地出版社， 2008.

[14] 王定勇， 石孝均， 毛知耘.長(zhǎng)期水旱輪作條件下紫色土養(yǎng)分供應(yīng)能力的研究[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2004， 10（2）： 120-126.