亞熱帶花崗巖地區(qū)土壤礦物風(fēng)化過程中鹽基離子的釋放特征①

莊翔宇，楊金玲，張甘霖，王艷玲

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京　210008；2 南京信息工程大學(xué)，南京　210044）

?

亞熱帶花崗巖地區(qū)土壤礦物風(fēng)化過程中鹽基離子的釋放特征①

莊翔宇1，2，楊金玲1*，張甘霖1，王艷玲2

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京210008；2 南京信息工程大學(xué)，南京210044）

摘要：礦物風(fēng)化過程中鹽基離子釋放遵從一定的化學(xué)計量關(guān)系，這種化學(xué)計量關(guān)系一般只能通過模擬實驗來獲取。本研究采用pH 7.0的 EDTA-乙酸銨溶液將土壤中的交換性鹽基離子完全洗脫出來，然后用Batch方法模擬不同pH溶液淋溶洗脫鹽基和未洗脫鹽基土壤，旨在消除土壤中交換性鹽基離子的影響后更為準(zhǔn)確地判斷土壤礦物風(fēng)化的鹽基離子釋放特征。結(jié)果表明：未洗脫鹽基土壤的淋出液pH由3.73 ± 0.14逐漸上升到4.23 ± 0.06，主要原因是淋溶液中有高濃度的NH+4；洗脫鹽基土壤礦物風(fēng)化后淋出液pH從7.39 ± 0.02逐漸下降到5.39 ± 0.17，主要是由于土壤中可風(fēng)化礦物減少。土壤交換性鹽基離子會改變鹽基離子釋放特征、釋放總量：未洗脫鹽基土壤經(jīng)酸雨淋溶后，各鹽基離子釋放均呈現(xiàn)急速下降后逐漸平緩的趨勢，洗脫鹽基土壤礦物風(fēng)化后，K+及鹽基離子釋放總量呈波動上升趨勢，且鹽基離子釋放總量比未洗脫鹽基土壤低。土壤交換性鹽基離子的存在還會改變淋出液中的鹽基離子化學(xué)計量關(guān)系：未洗脫鹽基土壤的K+︰Ca2+︰Mg2+︰Na+化學(xué)計量關(guān)系為11︰13︰4︰1（當(dāng)量比），而洗脫鹽基土壤為7︰2︰2︰1。K+是鹽基離子中風(fēng)化釋放量最多的，大部分 K+來自于土壤中云母的風(fēng)化。因此，只有利用洗脫鹽基土壤的鹽基離子釋放量才能準(zhǔn)確計算礦物風(fēng)化速率并獲得準(zhǔn)確的化學(xué)計量關(guān)系。土壤礦物風(fēng)化作用隨著淋溶液酸度增大而增強，但模擬一年降雨量的情況下，pH 3.5、4.5和5.5三種不同pH溶液對礦物風(fēng)化后鹽基離子的釋放在實驗期間沒有顯著性影響，較長時間后的差異性有待觀察。本研究表明，可以通過預(yù)洗脫鹽基土壤然后模擬酸雨淋溶的方法，觀察礦物風(fēng)化特征，特別是鹽基離子釋放的化學(xué)計量特征。

關(guān)鍵詞：酸雨淋溶；礦物風(fēng)化；鹽基釋放特征；交換性鹽基；花崗巖

土壤礦物風(fēng)化是利用環(huán)境中的CO2和H+，在水的作用下，釋放礦質(zhì)元素的過程。礦物風(fēng)化速率是估算土壤形成速率和土壤酸化速率的基礎(chǔ)［1-2］，因此準(zhǔn)確估算土壤風(fēng)化速率對土壤的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

土壤中礦物風(fēng)化是一個緩慢過程，土壤礦物的野外風(fēng)化速率在短時間內(nèi)很難監(jiān)測。因此，有研究通過土壤經(jīng)模擬酸雨淋溶后鹽基離子的釋放速率來計算土壤礦物風(fēng)化速率［3］，但由于其中包含了大量土壤膠體上吸附的交換性鹽基離子，以此總量作為礦物風(fēng)化釋放量并不準(zhǔn)確。鹽基離子主要以3種不同形式存在于土壤中：①活性態(tài)，以離子態(tài)的形式存在于土壤溶液中；②吸附態(tài)，其中包括有機膠體和無機膠體的專性吸附，易與其他陽離子發(fā)生交換吸附反應(yīng)；③礦物態(tài)，與氧、硅、鋁、鐵等形成原生礦物和次生礦物，礦物化學(xué)風(fēng)化時才釋放出來［4］。因此，一般的淋溶實驗，淋出液中包含了陽離子交換作用和礦物化學(xué)風(fēng)化反應(yīng)所釋放的鹽基離子。如何消除交換性鹽基離子的影響而更為準(zhǔn)確地判斷土壤礦物風(fēng)化后鹽基離子的釋放特征是目前研究的難點。

礦物風(fēng)化計量關(guān)系對于準(zhǔn)確地估算土壤礦物風(fēng)化速率和土壤酸化速率也至關(guān)重要［5］。目前大多數(shù)研究通過單一礦物來研究礦物風(fēng)化后鹽基離子的釋放特征。單一礦物雖然能定量地研究礦物風(fēng)化后不同元素釋放、礦物風(fēng)化產(chǎn)物以及礦物結(jié)構(gòu)改變等［6-7］，但自然界中的土壤中并非只含一種礦物，且經(jīng)過不同強度的風(fēng)化后，礦物的成分比例會有所改變，因此自然界中的土壤礦物風(fēng)化是一個很復(fù)雜的過程。本研究選用亞熱帶地區(qū)典型花崗巖發(fā)育的土壤，將土壤中的交換性鹽基離子用EDTA-乙酸銨交換洗脫，然后與未洗脫鹽基土壤進(jìn)行對比淋溶實驗，觀測土壤中混合礦物風(fēng)化后鹽基離子的釋放特征及計量關(guān)系，以期探索一種能夠準(zhǔn)確得到礦物風(fēng)化鹽基離子釋放特征的有效方法，為礦物風(fēng)化速率和土壤酸化速率的更準(zhǔn)確估算提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1土壤樣品采集

供試土壤采自我國亞熱帶地區(qū)安徽省東南部的涇縣（30°33′ N， 118°02′ E）典型的花崗巖森林區(qū)域，由花崗巖風(fēng)化發(fā)育而成，為濕潤雛形土；采樣區(qū)年降雨量為1 585 mm，雨水pH 3.6 ～ 5.8，平均值為4.5［5］。選擇研究區(qū)域中具有代表性樣點，并采集表層土壤（0 ～ 12 cm），自然風(fēng)干后去除土壤中的根系、大石塊等雜物（直徑＞0.5 cm），土壤樣品輕輕壓碎后不過篩待測，這樣更符合土壤中混合礦物風(fēng)化的實際情況。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1　供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1　Basic properties of soil

1.2實驗設(shè)計

實驗采用分批次 Batch方法來研究土壤中混合礦物風(fēng)化后鹽基離子的釋放特征［7］。選用500 ml離心瓶，土壤200 g，既可以保證離心機正常運轉(zhuǎn)，也可以盡量避免土壤樣品太少而帶來的實驗誤差；研究采用常溫常壓、分批次進(jìn)行，具有反應(yīng)充分和能夠體現(xiàn)野外土壤混合礦物風(fēng)化等特點，這樣更加符合野外土壤礦物風(fēng)化的實際條件。

土壤洗脫鹽基離子采用pH為7.0的EDTA-乙酸銨（1 mol/L 乙酸銨和0.005 mol/L EDTA）溶液。向容量為500 ml的離心瓶中加入200 g土樣后加入200 ml乙酸銨溶液，攪拌均勻放入震蕩機中常溫震蕩2 ～ 3 h，使溶液與土壤充分混合反應(yīng)，放入配套離心機中離心10 min，收集上清液，測定上清液中的鹽基離子。重復(fù)上述實驗步驟，直至收集到的上清液中的鹽基離子含量不再變化為止，說明土壤中可交換性鹽基離子已完全洗脫出來。本研究總共淋洗了11次，淋洗液總量為2 200 ml。再利用無銨乙醇將土壤中多余的EDTA-乙酸銨洗凈，如此反復(fù)進(jìn)行至收集到的溶液與納氏試劑反應(yīng)無黃色為止。

本研究設(shè)計了pH 3.5、4.5、5.5三種不同pH溶液，洗脫鹽基處理土壤設(shè)置3個重復(fù)，CK表示未洗脫鹽基土壤，總共12個土壤樣品。選用NH4Cl和稀HCl配制成NH4+濃度為0.1 mol/L的淋溶液，以盡量避免已經(jīng)吸附在土壤膠體上的 NH4+與溶液中離子發(fā)生交換反應(yīng)以及避免在離心過程中有膠體析出。每次按照土水比1︰1加入淋溶液200 ml，共淋溶13次，根據(jù)離心瓶直徑6 cm計算，13次相當(dāng)于一年淋溶雨量（蒸發(fā)率按 40% 計算）。為更好地反映野外實際情況，實驗設(shè)計為7天一個周期，土壤與溶液充分反應(yīng)1天，間歇6天，讓土壤有一個干濕交替的過程和一定的反應(yīng)時間。向離心瓶中加入200 ml不同pH淋溶液，用玻璃棒攪拌均勻后，放入震蕩機中常溫震蕩24 h，確保土壤與溶液均勻并且充分地反應(yīng)，然后離心（7 000 r/min） 5 ～ 10 min，收集上清液，測定pH、K+、Ca2+、Mg2+和Na+。

1.3土樣和水樣的測定

土壤陽離子交換量采用乙酸銨提取，滴定法測定；土壤交換性K+、Ca2+、Mg2+和Na+采用乙酸銨交換，ICP法測定；礦物組成采用 X射線衍射法測定；土壤pH采用電位法（︰土水=1︰2.5）pH儀測定。淋出液pH用pH儀測定；淋出液K+、Ca2+、Mg2+和Na+用ICP法測定，具體測定方法詳見文獻(xiàn)［8］。

1.4數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用 SPSS 17.0軟件分析處理、Excel 2010軟件制圖。

2　結(jié)果與討論

2.1土壤洗脫鹽基過程

利用pH 7.0的EDTA-乙酸銨溶液淋洗土壤后，各鹽基離子（K+、Ca2+、Mg2+和Na+）淋出量及前1 400 ml的淋出總量見表2。在洗脫鹽基過程中，各鹽基離子均有相同的淋出特征：在最初的淋洗量200 ml時最高，之后逐漸下降，到1 400 ml時趨于平緩而基本不變（表2）。因此，可以認(rèn)為按照土水比為1︰1的淋洗條件，當(dāng)淋洗量為1 400 ml時，即達(dá)到土水比1︰7的情況下，土壤膠體上吸附的交換性鹽基離子全部被NH4+取代，即土壤被NH4+飽和。盡管礦物的溶解速率在中性環(huán)境溶液中很小［9］，但還是會有少量礦物溶解［10］，因此在淋洗量1 400 ml之后，淋出的鹽基離子大部分是礦物風(fēng)化所釋放。當(dāng)然，在這之前淋出的鹽基離子中不可避免會有少量來自于土壤中的礦物風(fēng)化，但主要還是來自陽離子交換作用。

淋洗量1 400 ml之前，土壤中的交換性鹽基離子主要被 NH4+取代，淋出的鹽基離子大部分為陽離子交換作用所釋放，因此計算出淋洗量1 400 ml之前的各鹽基離子淋出總量（表 2）與土壤中交換性鹽基離子大小順序（表1）一致，且在比例上，淋出液中K+43.20%、Ca2+38.57%、Mg2+11.16%、Na+7.07% 與土壤中交換性K+42.7%、Ca2+37.66%、Mg2+11.03%、Na+8.61%（按mmol/kg計算）也較一致，這也進(jìn)一步說明1 400 ml淋洗量之前的鹽基離子大部分來自于土壤中的陽離子交換作用。

表2　洗脫鹽基過程中交換性鹽基離子淋出量（mmol/kg）Table 2　Release of exchangeable base cations during leaching

2.2淋出液pH變化

未洗脫鹽基土壤經(jīng)不同pH模擬酸雨淋溶后，淋出液初始pH為3.73 ± 0.14，低于土壤本身的pH 4.4，隨著淋溶的進(jìn)行，pH有略微上升的趨勢，但上升幅度不大，至實驗結(jié)束上升至4.23 ± 0.06（圖1a）。這與已有的研究結(jié)果不同［11-12］，可能的原因是本研究淋溶液中有高濃度的NH4+（0.1 mol/L），NH4+與土壤膠體上吸附的酸基離子（Al3+和H+）有交換作用［13］，加之淋溶液中原本含有 H+，因此導(dǎo)致淋出液呈現(xiàn)出比原土樣較小的pH；但隨著淋溶的進(jìn)行，土壤膠體上吸附的酸基離子（Al3+和H+）越來越少，并不斷地有土壤礦物風(fēng)化后鹽基離子釋放，導(dǎo)致淋出液pH有略微上升的趨勢。

洗脫鹽基土壤經(jīng)不同pH模擬酸雨淋溶后，淋出液pH的變化趨勢與未洗脫鹽基土壤完全相反：淋出液初始pH為7.39 ± 0.02，至實驗結(jié)束后逐漸下降到5.39 ± 0.17（圖1b）。已有研究表明，當(dāng)有外界H+輸入時，土壤中的陽離子交換作用和土壤礦物風(fēng)化反應(yīng)會緩沖H+，從而延緩?fù)寥浪峄?4］。當(dāng)土壤中的交換性鹽基離子被完全洗脫后，H+主要和土壤中的原生礦物或者次生礦物發(fā)生反應(yīng)，釋放出鹽基離子，而隨著淋溶的進(jìn)行，土壤中易水解的礦物逐漸減少，當(dāng)有H+再次輸入時，土壤對H+的緩沖作用減弱；同時，盡管淋溶液中存在0.1 mol/L的NH4+，但土壤膠體上吸附著的 NH4+由于交換作用可能會有少量被 H+交換出來，隨著土壤膠體上吸附的 NH4+的減少，被交換到膠體上的H+也會減少，因此導(dǎo)致淋出液pH呈緩慢下降的趨勢。

圖1　模擬酸雨淋溶后淋出液pH變化Fig. 1　pH of leaching solution after leaching of soil with simulated acid rain

2.3土壤礦物風(fēng)化鹽基離子釋放特征及化學(xué)計量關(guān)系

未洗脫鹽基土壤經(jīng)模擬酸雨淋溶后K+、Ca2+、 Mg2+和Na+均具有非常明顯的變化趨勢：開始淋溶時鹽基離子有較高的淋出量，隨著H+繼續(xù)輸入，鹽基離子淋出量急速下降，直到淋溶量為1 400 ml時鹽基離子的淋出趨于平緩，之后便以比較穩(wěn)定的速率釋放（圖2），這與其他研究結(jié)果類似［15］，且與洗脫鹽基的用量基本一致。所以當(dāng)有外源H+進(jìn)入土壤中時，土壤首先以陽離子交換為主的緩沖機制來緩沖 H+，陽離子交換反應(yīng)較為迅速，但當(dāng)H+持續(xù)輸入時，土壤膠體上吸附的鹽基離子會越來越少，陽離子交換作用會減弱，土壤膠體上吸附的陽離子與溶液中的離子交換反應(yīng)趨于平衡。然后土壤便會以礦物風(fēng)化反應(yīng)為主來緩沖 H+，各鹽基離子的釋放量快速減少，鹽基離子的釋放也會相對比較平緩。其中 Na+含量呈現(xiàn)出波動下降的趨勢，與Na+自身含量較低、測定誤差的影響有關(guān)。

圖2　未洗脫鹽基處理土壤鹽基離子釋放特征Fig. 2　Release characteristics of base cations from the untreated soil （exchangeable base cations were not removed）

土壤中的交換性鹽基離子被 NH4+及 H+交換吸附后，土壤只能通過礦物風(fēng)化來緩沖 H+，因此淋出的鹽基離子主要為礦物風(fēng)化反應(yīng)所釋放。洗脫鹽基土壤礦物風(fēng)化后 K+、Ca2+、Mg2+和 Na+的釋放特征與未洗脫鹽基土壤模擬酸雨淋溶后有很大差別：雖然 Ca2+、Na+呈波動下降趨勢，Mg2+先小幅上升，后較為平穩(wěn)，但 K+和鹽基離子總量的釋放有波動上升趨勢（圖 3），與未洗脫鹽基土壤的鹽基離子釋放趨勢并不一致。XRD 礦物鑒定顯示供試土壤中主要有云母、高嶺石、長石、石英 4 種礦物（表 1），石英在弱酸性條件下基本不分解，在具有可風(fēng)化原生礦物情況下，次生礦物高嶺石一般不會水解，而且即使高嶺石水解，產(chǎn)物也只有三水鋁石和硅酸而沒有鹽基離子，因此本研究土壤中可風(fēng)化礦物主要為云母和長石。一般情況下，長石和云母在風(fēng)化成相對穩(wěn)定的次生礦物過程中會有很多中間階段，比如黑云母→水黑云母→黑云母/蛭石間層礦物→蛭石［16］、鉀長石→白云母→伊利石→高嶺土［17］，不同的中間階段在消耗相同的 H+條件下釋放出的鹽基離子量是不同的，例如伊利石風(fēng)化成高嶺土的過程和長石風(fēng)化成白云母的兩個過程中釋放的 K+量不一樣。因此，可能是本研究的風(fēng)化后期階段會釋放出較多的 K+，導(dǎo)致風(fēng)化后期 K+和鹽基離子總量的釋放有波動上升趨勢。

圖3　洗脫鹽基處理土壤礦物風(fēng)化后鹽基離子釋放特征Fig. 3　Release characteristics of base cations from mineral weathering of the treated soil with exchangeable base cations removed

2.4討論

通過計算洗脫鹽基和未洗脫鹽基土壤模擬酸雨淋溶后的鹽基離子累積釋放量，發(fā)現(xiàn)洗脫鹽基土壤經(jīng)模擬酸雨淋溶后鹽基離子釋放總量比未洗脫鹽基土壤低很多（表3），主要因為土壤中交換性鹽基離子洗脫之后，模擬酸雨淋溶后的鹽基離子僅來自于礦物的化學(xué)風(fēng)化，因此釋放量會顯著減少。從鹽基離子的釋放計量關(guān)系來看，未洗脫鹽基土壤 K+︰Ca2+︰Mg2+︰Na+為 11︰13︰4︰1（當(dāng)量比），而洗脫鹽基土壤的為7︰2︰2︰1（表3）。可見，與未洗脫鹽基土壤相比，洗脫鹽基土壤礦物風(fēng)化后的鹽基離子化學(xué)計量關(guān)系發(fā)生了很大變化，K+是鹽基離子中釋放量最多的，相對于Na+，K+、Ca2+ 和Mg2+ 的釋放量均有所下降，其中 Ca2+ 是下降最多的。主要原因是未洗脫鹽基土壤中存在有交換性鹽基離子，而且交換性Ca2+占交換性鹽基離子的比例最大（表1），模擬酸雨淋溶后，未洗脫鹽基土壤釋放出的 Ca2+ 大部分來自于土壤中交換性Ca2+，而洗脫鹽基土壤釋放出的鹽基離子主要來源于礦物風(fēng)化反應(yīng)。綜上，說明模擬酸雨淋溶后土壤中存在的交換性鹽基離子不僅會顯著增加鹽基離子總量的釋放，同時也會改變鹽基離子的化學(xué)計量關(guān)系，如果未將土壤中交換性鹽基離子完全洗脫就用鹽基離子釋放量或某種單一礦質(zhì)元素來估算土壤礦物風(fēng)化速率，會產(chǎn)生較大的誤差。洗脫鹽基土壤礦物風(fēng)化后鹽基離子中 K+的釋放量最大和 Na+釋放量最小，說明在弱酸性條件下，含鉀礦物是本研究區(qū)域中土壤風(fēng)化過程中水解最多的礦物，而含鈉礦物是水解最少的礦物。土壤礦物風(fēng)化后K+主要來源于云母和鉀長石的水解，長石中K+位于相連四面體的空隙中，結(jié)構(gòu)解體才能釋放出來，云母是由硅層堆積而成，K+位于相鄰的硅層之間，硅層破壞即可釋放K+［18-20］，因此在酸性條件下云母釋放K+的能力比長石強。相同條件下 3種長石的穩(wěn)定性依次為：鉀長石＞鈉長石＞鈣長石［21］，由鈉長石風(fēng)化而來的Na+含量很少（表3），由鉀長石風(fēng)化而來的K+含量就會更少。因此，本研究中土壤礦物風(fēng)化后K+的釋放大部分應(yīng)該是來自于云母的水解。

表3　礦物風(fēng)化后鹽基離子釋放總量（mmol/kg）Table 3　Total amount of base cations released from soil mineral weathering

土壤礦物在化學(xué)風(fēng)化過程中會消耗 H+，同時釋放 Si和 K+、Ca2+等鹽基離子［22-23］，所以溶液中的H+濃度越高，土壤礦物風(fēng)化作用會越強，同時鹽基離子釋放量也會越多。土壤礦物在不同pH條件下風(fēng)化后，鹽基離子累積釋放量的數(shù)量關(guān)系為：pH 3.5 ＞pH 4.5 ＞ pH 5.5（表3），說明酸度越低，土壤礦物風(fēng)化作用越強，鹽基離子釋放量會越多。但通過顯著性分析發(fā)現(xiàn)，在3種不同pH環(huán)境下，土壤礦物風(fēng)化后鹽基離子釋放總量沒有顯著性差異（表3），說明3種不同 pH在模擬一年酸雨量的淋溶條件下差異還不明顯，對礦物風(fēng)化后鹽基離子的釋放沒有顯著性影響。繼續(xù)淋溶較長時間之后的差異性有待觀察。從其他研究的結(jié)果來看［3］，研究區(qū)域土壤在當(dāng)前酸雨條件下（雨水平均pH 4.5），土壤礦物會加速風(fēng)化，導(dǎo)致土壤中營養(yǎng)元素流失，土層變薄，酸緩沖性能下降，對土壤資源的可持續(xù)利用和生態(tài)建設(shè)有不利的影響，因此有必要采取有效措施預(yù)防酸雨的形成及酸沉降對生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

3　結(jié)論

1） 未洗脫鹽基土壤經(jīng)酸雨淋溶后，各鹽基離子釋放均呈現(xiàn)急速下降后逐漸平緩的趨勢，而洗脫鹽基土壤礦物風(fēng)化后K+及鹽基離子總量的釋放呈波動上升的趨勢，且鹽基離子釋放總量比未洗脫鹽基土壤低，同時具有不同的鹽基離子計量關(guān)系。這表明土壤中存在的交換性鹽基離子不僅會高估土壤礦物風(fēng)化速率，還會改變土壤礦物風(fēng)化后鹽基離子的化學(xué)計量關(guān)系。

2） 用pH為7.0 的EDTA-乙酸銨溶液按照土水比1︰1分批次處理土壤能夠?qū)⑼寥乐薪粨Q性鹽基離子完全洗脫出來，這有利于更精確地利用模擬酸雨淋溶研究自然土壤中混合礦物風(fēng)化后鹽基離子的釋放特征。

3） 淋溶液酸性越強，土壤礦物風(fēng)化作用越強，但不同pH溶液的一年酸雨量淋溶對礦物風(fēng)化后鹽基離子的釋放沒有顯著性差異，更長淋溶時間的模擬試驗還有待進(jìn)一步開展。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 楊金玲， 張甘霖， 黃來明. 典型亞熱帶花崗巖地區(qū)森林流域巖石風(fēng)化和土壤形成速率研究［J］. 土壤學(xué)報， 2013，50（2）： 253-259

［2］ Forsius M， Kleemola S， Starr M， et al. Ion mass budgets for small forested catchments in Finland［J］. Water， Air， and Soil Pollution， 1995， 79： 19-38

［3］ 段雷， 郝吉明， 葉雪梅， 等. 中國土壤風(fēng)化速率研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報， 2000， 20（增刊）： 1-7

［4］ 岑慧賢， 王樹功， 仇榮亮. 模擬酸雨對土壤鹽基離子的淋溶釋放影響［J］. 環(huán)境污染與防治， 2001， 23（1）： 12-15

［5］ Yang J L， Zhang G L， Huang L M， et al. Estimating soil acidification rate at watershed scale based on the stoichiometric relations between silicon and base cations［J］. Chemical Geology， 2013， 337-338： 30-37

［6］ Zhu C， Lu P. Alkali feldspar dissolution and secondary mineral precipitation in batch system： 3. Saturation states of product minerals and reaction paths［J］. Geochemica et Cosmochimica Acta， 2000， 73： 3171-3200

［7］ Fu Q， Lu P， Konishi H， et al. Coupled aalkali-feldspar dissolution and secondary mineral precipitation in batch systems： 1. New experiments at 200℃ and 300 bars［J］. Chemical Geology， 2009， 258： 125-135

［8］ 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法［M］. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社. 1999.

［9］ 向廷生， 蔡春芳， 付華娥. 不同溫度、羧酸溶液中長石溶解模擬實驗［J］. 沉積學(xué)報， 2004， 22（4）： 597-602

［10］ 莫彬彬， 連賓. 長石風(fēng)化作用及影響因素分析［J］. 地學(xué)前緣， 2010， 17（3）： 281-289

［11］ 劉俐， 宋存義， 李發(fā)生. 模擬酸雨對紅壤中硅鋁鐵釋放的影響［J］. 環(huán)境科學(xué)， 2007， 28（10）： 2 376-2 382

［12］ 王代長， 蔣新， 卞永榮， 等. 模擬酸雨對不同土層酸度和K+淋失規(guī)律的影響［J］. 環(huán)境科學(xué)， 2003， 24（2）： 30-34

［13］ 孫本華， 胡正義， 呂家瓏， 等. 模擬氮沉降下南方針葉林紅壤的養(yǎng)分淋溶和酸化. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2006， 17（10）：1 820-1 826

［14］ 劉俐， 周友亞， 宋存義， 等. 模擬酸雨淋溶下紅壤中鹽基離子釋放及緩沖機制研究［J］. 環(huán)境科學(xué)研究， 2008，21（2）： 49-55

［15］ 凌大炯， 章家恩， 黃倩春， 等. 模擬酸雨對磚紅壤鹽基離子遷移和釋放的影響. 土壤學(xué)報， 2007， 44（3）： 446-450

［16］ 于天仁， 陳志誠. 土壤發(fā)生中的化學(xué)過程［M］. 北京： 科學(xué)出版社. 1990

［17］ 羅家賢， 馬毅杰， 楊德勇， 等. 過渡性土壤的礦物風(fēng)化和演變［J］. 土壤， 1994， 26（5）： 241-247

［18］ Berner R A， Holdren G R. Mechanism of feldspar weathering：Some observational evidence［J］. Geology， 1979， 5： 369-372

［19］ 王改蘭， 段建南. 土壤礦物鉀活化途徑［J］. 土壤通報，2004， 35（6）： 802-805

［20］ 李福春， 李莎， 楊用釗， 等. 原生硅酸鹽礦物風(fēng)化產(chǎn)物的研究進(jìn)展——以云母和長石為例［J］. 巖石礦物學(xué)雜志，2006， 25（5）： 440-448

［21］ 黃昌勇. 土壤學(xué)［M］. 北京： 中國農(nóng)業(yè)出版社. 2000

［22］ Bain D C， Roe M J， Duthie D M L， et al. The influence of mineralogy on weathering rates and processed in an acid-sensitive granitic catchment［J］. Applied Geochemistry，2001， 16： 931-937

［23］ 徐仁扣. 土壤酸化及其調(diào)控研究進(jìn)展［J］. 土壤. 2015，47（2）： 238-244

Release Characteristics of Base Cations During Soil Mineral Weathering in Subtropical Granite Area

ZHUANG Xiangyu1， 2， YANG Jinling1*， ZHANG Ganlin1， WANG Yanling2
（1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008， China； 2 Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing210044， China）

Abstract：Release of base cations follow a stoichiometric relationship during soil mineral weathering， and the stoichiometric relationship can only be obtained through simulated experiments. EDTA-ammonium acetate solution at pH 7.0 was used to remove soil base cations （here called treated soil）， and then the batch method was used to simulate leaching at different pH values in treated and untreated soils. The release characteristics of base cations from the soils were then investigated during soil mineral weathering. Results showed that leaching solution pH of the untreated soil raised from 3.73±0.14 to 4.23±0.06， attributed to high concentration of NH4+in the leaching solution. Decrease of the easily weathering minerals reduced the leaching solution pH from 7.39±0.02 to 5.39±0.17 of treated soil during leaching experiment. Exchangeable base cations of the untreated soil could change the release characteristics and release amount of base cations. Base cations in leaching solution declined firstly， and then remained stable. However， K+and total base cations increased with time in the leaching solution for the treated soil. The total release amount of base cations was lower for the treated soil than that for untreated soil. Soil exchangeable base cations could change the stoichiometric relationship of base cations in leaching solution. The ratio of K+︰Ca2+︰Mg2+︰Na+was 11︰13︰4︰1 （equivalent charge） in the leaching solution for the untreated soil， while it was 7︰2︰2︰1 for the treated soil. The release amount of K+was greater than other base cations and most of K+released came from weathering of mica. Therefore， the soil with base cations removed can be used to estimate mineral weathering rate more accurately and to obtain the accurate base cations stoichiometric relationship. The more acids in the leaching solutions led to more release of base cations， and stronger mineral weathering in the soil. At pH 3.5， 4.5 and 5.5， the difference of the release of base cations among different leaching treatments was not significant during one-year leaching experiment. The effect of solution pH needs to be studied further by long-term leaching experiment. This study suggested that the leaching treatments with simulating acid rain to the soil with base cations removed could be used to study the mineral weathering characteristics and stoichiometric characteristics of base cations released from soils.

Key words：Acid rain leaching； Mineral weathering； Release characteristics of base cations； Exchangeable base cations；Granite

中圖分類號：S151+.1

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.025

基金項目：①國家自然科學(xué)基金項目（41471176；41071141）資助。

* 通訊作者（jlyang@issas.ac.cn）

作者簡介：莊翔宇（1992—），男，江西上饒人，碩士研究生，主要從事生物地球化學(xué)元素循環(huán)研究。E-mail： 1028677554@qq.com