华北花岗片麻岩山地土壤促成技术研究——室内模拟肥料对岩石金属元素释放作用Ⅱ

鲁少波，宋庆丰，赵淑琴，李琛泽，王晓燕，杨新兵

(1.北京林业大学，北京 100083;2.中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所，北京100091;3.河北省林业局，石家庄 050081;4.河北农业大学，河北 保定 071001)

土壤中Ca、Mg 大量营养元素和Cu、Zn、Fe、B、Mo等微量营养元素，它们不仅对农作物产量的提高有着显著作用，而且对产品品质、提高抗病性起着决定性作用[1]。李光仁等研究表明在干旱区沙漠化逆转过程中 ，表层土壤 Cu 、Mn、Zn 、Ni、Nb、Cr、Pb 等金属元素含量先减少后增加;W、Co、Cs、Tl、U 、K 元素含量先增加后减少;而Ba、Si元素含量逐渐减少。显然，干旱区沙漠化土地逆转过程不仅恢复了固沙植被，改善了土壤结构，提高了土壤肥力，也明显改变了植物必需矿质元素及重金属元素含量[2]。华北花岗片麻岩山地大量植被遭到破坏，降雨形成薄层分散的地表径流，将土壤中可溶性物质及比较细小的土粒以悬移方式为主冲走，造成土壤质地明显变粗，土层渐薄，土地生产能力不断下降而弃耕，进而需要对试验区内土壤进行促成，其中施肥是有效的措施。随着岩石的风化过程，会有大量的金属元素释放出来。目前施肥对土壤重金属的研究国内外已经很多，涉及到很多植物生长必须的中量元素和微量元素。施肥措施对土壤重金属元素影响，因土壤类型、气候条件和种植作物不同而异。为了探究施肥对土壤重金属的影响，廖文华对近年来国内外部分含镉磷肥施入后对土壤含镉量的影响、作物减产的机理、Cd在土壤中转移和转化机制进行了总结，提出了适合含镉磷肥低强度、非点源污染特点的具体土壤修复技术[3]。李见云等研究表明重金属Cu、Zn、Pb含量随大棚棚龄的增加有一定的增加，Cd含量没有明显的规律性[4]。Bingham等报道了K肥中的伴随离子Cl-、SO2-4可增加瑞士甜菜对Cd的吸收[5]。单施化肥、有机肥或二者配施均可提高土壤有效Fe含量[6-7]。本文利用室内模拟肥料对岩石粉中金属元素释放的作用，进而找出土壤促成的最佳施肥技术，为华北花岗片麻岩山区植被恢复提供理论依据，也为花岗片麻岩区退耕还林的进一步实施提供技术支撑。

1 试验区概况

河北省平山县的自然条件概括为“八山一水一分田”，位于太行山中断东麓滹沱河沿岸山西台地与华北平原的过渡地带[8]，该地貌类型属于低山丘陵区。土壤类型属于褐土性土亚类，主要有以下几种类型土壤。(1)非耕种花岗片麻岩褐土性土属。分布于海拔1 300 m以下的中山、低山、丘陵、阳坡，表层有机质0.36%～1.61%，全氮含量0.023%～0.105%，全磷含量0.01%～0.031%，碳酸钙0.28%～1.92%，砂砾量24.4%～51.23%，pH6.4～7.9。土层薄，不足30 cm，侵蚀严重，肥力低下。代表土种为花岗片麻岩薄层多砾砂壤质褐土性土。(2)非耕种页岩褐土性土属。间分布于石灰岩区，仅页岩薄层多砾轻壤质褐土性土种，土层少于25 cm，石灰反应不明显，pH7.3～7.4，表层有机质1.67%，全 N含量0.098%，全P含量0.023%。(3)花岗片麻岩褐土性土属。只有花岗岩片麻岩薄层壤质褐土性土种，表层有机质0.38%，全N含量0.031%，全P含量0.016%，pH8.5，石灰量1.5%，砾石41.1%。

2 试验方法

2.1 试验设计

缓释复混肥(slow release fertilizer，简称HK);生物有机肥(bio-organic fertilizer，简称YJ);微生物菌肥(microbial agent，简称 SW)，每种肥料均设 5个处理的施肥量，见表1。对照设置有水对照(CK1)、水+岩石对照(CK2)、水+肥料对照(CK3)，如:文中出现的在缓释复混肥(HK)处理中的CK3-1，即为水+HK1处理梯度。

表1 室内模拟不同肥料的处理梯度

2.2 试验方法

在150 ml的三角瓶中，加入取回的岩石粉(过100目筛)5 g，然后加入不同量的肥料，最后加入100 ml去离子水充分搅拌，25℃左右摇床上进行培养。每隔10 d取一次上清液，共取5次，样品用针头过滤器(Millipore，Whatman 滤膜，孔径 0.22 μ m)过滤 ，去滤液5 ml置50 ml的容量瓶中定容(稀释 10倍)，取5 ml稀释液放置 10 ml离心管中，加 1滴浓硝酸，使其酸化待测。用电感耦合等离子-发射光谱仪(美国Varian公司Vista MPX型)分别测定溶液中Na，Fe，Cr，Al等金属元素浓度。

3 结果与分析

3.1 Ca元素释放分析

如图1所示，在水对照中，测定时期内Ca元素含量基本相同，而水+岩石粉末对照随着时间延伸，Ca元素最大释放量(3.078 mg/L)出现在第20天，其他均呈现出随着时间的延伸而增加的趋势，说明水分对岩石中Ca元素释放有促进作用，可能是因为Ca2+与溶液中的CO2-3离子形成CaCO3沉淀导致释放量的降低。在HK处理上，水+肥料对照处理中，Ca元素含量随着肥料用量的增加，在各测定时间点上均呈现逐步增加的趋势，而在CK3-2处理在第40天、50天出现了释放量低谷，同样可能是因为Ca2+形成Ca-CO3沉淀所致，同时肥料不同用量处理下，随着测定时间的延伸，其释放量均呈现出先降低在升高的趋势，在 CK3-4处理的第 50天出现最大释放量(2.335 mg/L);在肥料溶液+岩石处理中，各处理间Ca元素释放量变化趋势较复杂，基本上呈现出随着测定时间的延伸不断增加，最大释放量均出现在第50天，综合最大释放量出现在HK2处理的第50天(10.482 mg/L)。在YJ处理上，水+肥料对照处理中，Ca元素释放量变化较复杂，不同肥料用量上，基本呈现随着肥料的增加而增加的趋势，而在不同测定时间点上，除了CK3-4最大释放量出现在第50天测定处，其他最大释放量均出现在第40天;肥料溶液+岩石处理中，不同肥料用量对Ca元素释放量变化同样较复杂，其趋势与水+肥料对照处理一致，而在不同测定时间点上，除了YJ4最大释放量(12.203 mg/L)出现在第40天，其余处理均出现在第20天。在SW处理上，水+肥料对照中，Ca元素释放量变化趋势与 YJ处理相同，但 CK3-4的最大释放量(5.666 mg/L)出现在第20天;肥料溶液+岩石处理中，Ca元素释放量均呈现出随着肥料用量的增加和测定时间的延伸而增加的趋势，其最大释放量(8.194 mg/L)出现在SW4处理的第50 d。

图1 Ca元素释放量

3.2 K元素释放分析

如图2所示，室内模拟肥料对K元素释放作用在水对照的测定时间上K元素含量基本相同，而水+岩石粉末对照随着时间延伸，K元素呈现不断增加的趋势，最大释放量(0.489 mg/L)出现在第50天，说明水分对岩石中K元素释放有促进作用。在HK处理上，水+肥料对照处理中，随着肥料用量的增加以及测定时间的延伸，K元素释放量均呈现增加的趋势，在CK3-4处理的第50天出现最大值(97.137 mg/L)，且CK3-3与CK3-4之间差异很大;在肥料溶液+岩石处理中，K元素释放量在每个肥料用量处理上的每个测定时间处的变化趋势与水+肥料对照处理相同，最大释放量出现在HK4处理的第50天(113.712 mg/L)，但是，HK4处理上的 10～30 d测定的3个释放量值均小于水+肥料对照，说明在此时间段内岩石所释放的K元素与其他金属元素发生了耦合。在YJ处理上，水+肥料对照处理与HK中水+肥料对照处理中K元素释放量变化相同，最大释放量出现在CK3-4处理的第50天(10.007 mg/L)，而在CK3-3处理的第30天，K元素释放量出现了降低，这可能是由于测定误差所致;肥料溶液+岩石处理中，不同肥料用量间测定值均呈现增高的趋势，但是在YJ3处理上除了第40天，其他的均出现了明显低谷，不同施肥量在各测定时间处，均呈现出随着时间的延伸而增加的趋势，在YJ4处理的第50天出现最大值(7.957 mg/L)，但是YJ4处理上所有测定时间点的数值均小于水+肥料对照处理。

在SW处理上，水+肥料对照处理中，K元素释放量所有的变化趋势与YJ处理上水+肥料对照处理相同，最大释放量出现在CK3-4处理的第50天(11.232 mg/L)，但是，此对照组出现了某些测定值小于水对照处理的现象;肥料溶液+岩石处理中，不同施肥量间对K元素释放量作用的变化趋势均呈现SW4＜SW2＜SW1＜SW3，且SW4处理每个测定时间点上释放值均小于CK3-4。在连续测定时间点上，相同肥料用量处理下，K元素释放量逐渐的增加，在SW3处理下的第50天出现最大值(25.067 mg/L)，且SW3处理在30～50 d测定处K元素释放量土壤增高。

3.3 Pb元素释放分析

如图3所示，“0”并不代表没有含量，而是含量太低，试验仪器无法读出合理数值。室内模拟肥料对Pb元素释放作用在水对照的测定时间上Pb元素含量基本相同，而水+岩石粉末对照随着时间延伸，元素呈现不断增加的趋势，最大释放量(0.001 1 mg/L)出现在第50天，说明水分对岩石中Pb元素释放有促进作用。在HK处理上，水+肥料对照处理与肥料溶液+岩石处理在不同肥料用量和不同测定时间点上所测得的Pb释放量的变化趋势一致，均呈现随着肥料用量的增加和测定时间的延伸而增加，水+肥料最大值出现在CK3-4处理的第50天(0.031 mg/L);肥料溶液+岩石的最大值出现在HK4处理的第50天(0.058 mg/L)。在YJ处理上，水+肥料对照处理对Pb元素释放量的变化较为复杂，同种肥料用量在不同的测定时间点上均呈现出随着时间的延伸而增加，而不同肥料用量间的差异没有规律可循;肥料溶液+岩石处理中，Pb元素释放量在不同测定时间点上的变化规律与水+肥料对照处理相同，在不同肥料用量间的差异同样没有规律可循。在SW处理上，水+肥料对照处理上，不同肥料用量间对Pb元素释放量的变化总体上呈现随着肥料用量的增加而增加的趋势，在不同测定时间上规律亦是如此，随着时间的延伸而增加，最大含量出现在CK3-4处理的第50天(0.029 mg/L);肥料溶液+岩石处理中，Pb元素释放规律与YJ处理下相同，最大释放量出现在SW4处理的第50天(0.049 mg/L)。

图2 K元素释放量

图3 Pb元素释放量

3.4 Mg元素释放分析

室内模拟肥料对Mg元素释放作用如图4所示，水对照在测定时间上元素含量基本相同，而水+岩石粉末对照随着时间延伸，元素呈现不断增加的趋势，最大释放量(0.640 mg/L)出现在第50天，说明水分对岩石中Mg元素释放有促进作用。在HK处理上，水+肥料对照处理与肥料溶液+岩石处理中，Mg元素的释放量变化均随着肥料用量的增加以及测定时间的延伸而逐渐增加的趋势，水+肥料对照处理最大值出现在CK3-4处理的第50天(3.690 mg/L);肥料溶液+岩石处理最大释放量出现在HK4处理的第50天(5.421 mg/L)，且肥料溶液+岩石处理下Mg元素含量高于水+肥料对照处理，说明，HK处理对岩石中Mg元素的释放起到了促进作用。在YJ处理上，水+肥料对照处理与肥料溶液+岩石处理中，Mg元素的释放量变化规律与HK相同，水+肥料对照处理最大值出现在CK3-4处理的第50天(4.501 mg/L);肥料溶液+岩石处理最大释放量出现在HK4处理的第50天(6.452 mg/L)，且肥料溶液+岩石处理下Mg元素含量高于水+肥料对照处理，说明，YJ处理对岩石中Mg元素的释放起到了促进作用。在SW处理下，水+肥料对照处理与肥料溶液+岩石处理中，Mg元素的释放量变化规律亦是与以上两种肥料处理相同。

图4 Mg元素释放量

4 结论

3种肥料对岩石中金属元素释放的影响作用不同，Ca元素释放量在各处理上的变化趋势较为复杂，主要是因为Ca2+形成CaCO3沉淀导致风化出来的Ca2+又重新被固定住;K元素以HK处理最为明显，主要是因为HK本身含有大量的K元素，其他两种肥料的影响较为复杂，但总体均较水+岩石对照处理释放量高;Pb元素各肥料及每个梯度处理下释放量均明显高于水+岩石对照处理，且肥料溶液处理下Pb含量高于水+肥料处理;Mg元素各肥料及每个梯度处理下的释放规律相同，且均较水对照、水+岩石对照和水+肥料对照中Mg元素含量增加。Ca、K、元素在某处理及测定时间点上有肥料溶液+岩石处理处金属元素含量小于水+肥料对照处理的现象发生，可能由于金属元素与肥料中的某种元素产生了耦合反应或者是金属离子与溶液中CO2反应形成碳酸盐而又重新被固定。但是以上金属元素含量均大于水+岩石对照处理，说明3种肥料对岩石中金属元素释放有促进作用，进而揭示3种肥料能够加快岩石风化速率，且以YJ作用最为理想。

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