【摘 要】
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自然界中普遍存在着磷与矿物强烈相互作用的现象,发生表面吸附或者沉淀反应。高度风化的南方土壤是众多次生矿物的集合体,其表面活性大,亲和力高,土壤磷大多被其中的铁铝氧化物等矿物吸附固定,形成矿物结合态磷,并在氧化铁的包被作用下,进一步转化为闭蓄态磷,导致磷的有效性显著降低。中国南方地处亚热带及热带季风气候区,稻田水旱轮作系统作为典型干湿交替耕作方式,导致土壤产生了物理、化学和生物学等变化,从而深刻影响
【基金项目】
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国家重点研发计划磷专项(No.2017YFD0200201);
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自然界中普遍存在着磷与矿物强烈相互作用的现象,发生表面吸附或者沉淀反应。高度风化的南方土壤是众多次生矿物的集合体,其表面活性大,亲和力高,土壤磷大多被其中的铁铝氧化物等矿物吸附固定,形成矿物结合态磷,并在氧化铁的包被作用下,进一步转化为闭蓄态磷,导致磷的有效性显著降低。中国南方地处亚热带及热带季风气候区,稻田水旱轮作系统作为典型干湿交替耕作方式,导致土壤产生了物理、化学和生物学等变化,从而深刻影响土壤生态系统的结构和功能。土壤淹水厌氧还原条件,导致氧化铁及其水化物还原溶解,从而释放结合的磷,磷有效性增加,提高土壤-植物体系磷的供应能力。但由于各类土壤中氧化铁的含量不尽相同,氧化铁含量对于干湿交替条件下磷形态的转化以及淹水期间磷固定与释放的主要土壤化学过程尚不清楚,因此探究干湿交替过程磷与铁之间的耦合作用与机制显得尤为重要。本研究以我国长江流域的酸性黄棕壤与南方红壤为研究对象,进行室内模拟干湿交替培养,运用酸性土壤无机磷分级方法和薄膜梯度扩散(DGT)技术以及X射线近边结构光谱技术,初步探讨干湿交替过程中不同氧化铁含量酸性土中磷的赋存形态和固定与释放转化过程,及生物有效性变化,主要结论如下:(1)淹水条件下土壤p H升高,Eh下降。黄棕壤和红壤p H至淹水结束时分别升高1.12和0.61个单位,随淹水时间增加趋于中性。两种土壤Eh先降低后升高并逐渐稳定,淹水56 d分别降低了34.5 m V和20.15 m V,土壤环境呈明显的还原条件。(2)黄棕壤无定形氧化铁含量和铁活化度高于红壤,吸附和固磷能力较红壤强。淹水条件下,红壤中无定形氧化铁的生成量高于黄棕壤,对磷的吸附能力增强;黄棕壤中Fe(II)增加高于红壤,还原作用强于红壤,可还原性磷酸铁释放Fe(II)与磷酸盐。落干期间,两种土壤的无定形氧化铁和Fe(II)均减少,吸附和还原作用减弱。(3)干湿交替过程中的有效磷含量受多种环境因子影响,其中最主要的是土壤p H和土壤氧化铁的形态。淹水培养下,高磷含量的黄棕壤Olsen-P增加明显;落干后Olsen-P进一步增加,这可能与微生物磷的释放或者有机磷矿化分解生成无机磷有关。红壤Olsen-P变化不明显,与P含量低或闭蓄化作用强有关。(4)南方酸性土壤中主要以铁结合态磷为主,干湿交替变化导致各形态磷向铁结合态磷转化。黄棕壤中以Ca-P、Fe-P与O-P形态为主,在干湿交替条件下Al-P减少32.18%,Ca-P减少2.67%,O-P减少23.04%,Fe-P增加55.00%。酸性红壤以O-P和Fe-P为主,Al-P减少68.92%,O-P增加37.05%,Fe-P减少15.99%。随淹水时间增加,黄棕壤Fe-P增加明显,O-P减少,O-P向Fe-P转化,而红壤中Fe-P向O-P转化,故O-P形成与P/Fe相关,低P/Fe条件下土壤中更容易形成O-P,淹水条件下O-P的形成与土壤氧化铁含量显著相关。在落干期间,黄棕壤O-P少量增加,Fe-P增加明显,Ca-P和Al-P减少;红壤中O-P进一步增加,Fe-P减少,表明落干条件有利于O-P的生成。(5)DGT数据显示,在淹水期间两种土壤均存在可溶解活性磷与活性Fe(II)同步释放现象,磷生物有效性增加。其中高P/Fe的黄棕壤中磷的释放大于低P/Fe的红壤,黄棕壤供磷能力提高;淹水后期,黄棕壤中磷与铁释放量同步减少。红壤中磷释放量逐渐减少,同时铁的释放量持续增加,红壤中P/Fe较低,所以释放过程受氧化铁的吸附固定影响。XANES光谱数据拟合结果表明,在整个淹水期间存在吸附态Fe-P向沉淀态Fe-P转化的趋势。因此,红壤在淹水条件下,P的活化释放与闭蓄化同时存在,但由于红壤P/Fe低,还原溶解作用能够导致少量的磷素和大量的铁释放,磷素仍是不断固定的过程。由以上结论可知,探究酸性土壤中氧化铁对磷形态的转化机制对土壤中磷有效性及利用率的提高,对农业面源污染的调控和缓解磷矿资源压力具有十分重要的科学意义。
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