有机质对黑土磷吸附-解吸特性的影响

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论文字数:32333 论文编号:sb2022061009383448221 日期:2022-06-17 来源:硕博论文网

本文是一篇农业论文,本论文利用化学浸提去除有机质-批量吸附解吸试验法研究了内源有机质对土壤磷吸附-解吸特性的影响,可以得出:去除土壤有机质后,土壤颗粒对磷的最大吸附量反而增加,解吸率降低。间接说明内源有机质的存在对磷的吸附具有一定的抑制作用,提高了土壤的供磷能力。
第一章   绪论
1.1   研究目的及意义
土壤是自然界作物赖以生存的基础,而磷是植物生长的大量营养元素之一,也是作物高产所必需的营养元素。它以多种方式参与植物体内的各种生物功能,对植物的生长发育和新陈代谢过程起着不可替代的作用,是人类赖以生存的动植物生态系统中的重要元素(陈欣等,2012)。作物生长发育过程中所需要的磷主要来源于土壤磷库(鲁如坤等,1995),土壤中的磷吸附-解吸是生态系统中磷素循环的重要环节之一,土壤中磷素的形态转化及其有效性直接影响作物生长发育与产量品质的提升,进而成为限制植物生长的主要因素之一(Hinsinger,2001)。磷肥的当季利用率一般只有 10%~25%,磷进入土壤后将转换为不同的磷形态,形态上的差异造成磷的利用率也不同,影响着作物对磷的吸收利用,导致磷在土壤中的大量积累,增加了磷素流失的机率,大量磷素通过径流进入水体,使水体中的磷含量增加,成为水体富营养化的成因之一(单艳红等,2004)。不少调查与研究结果发现,磷是大部分淡水水体富营养化的主要限制因子,如果水体含磷量超过 20~35  μgP/L 就极有可能导致藻类大量繁殖(史喜林等,2014)。
磷肥施入土壤后,先后经历吸附-解吸-转化(包括矿化和固定)-作物吸收的过程,且前三个过程通常是可逆的(Barros 和 Comerford,2005)。磷在土壤中的吸附-解吸是了解土壤肥力问题和确定磷的环境归趋问题的重要环节之一(Wang 和 Liang,2014)。吸附-解吸是磷进入土壤后的首要环节,磷可通过土壤有机质、Fe/Al 氧化物、金属聚合或结晶、竞争吸附等方式吸附到土壤中。其中有机质是土壤磷吸附-解吸的主要影响因素之一,目前有研究关注土壤有机质及有机物料对磷吸附-解吸规律与机制的影响,但由于土壤类型、土壤组成与结构、有机物料种类、土壤微生物种类的不同,其研究结论差异明显。对于南方酸性沙质土壤,其具有有机质含量低、Fe/Al 氧化物含量高的特点,磷进入这样的土壤后大部分被 Fe/Al 氧化物吸附,可利用率低(Antelo 等,2007;Weng等,2011;Kurnain,2016)。
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1.2   国内外研究进展
土壤对磷的吸附和解吸与土壤中磷的有效性之间存在着紧密联系。磷可以通过有机和无机组分吸附和固定在土壤中,涉及的过程包括竞争吸附、物理吸引、化学吸附和阳离子键桥形成机制(Hunt 等,2007),而对于磷的解吸,其涉及的机制则可分为扩散、竞争置换和溶解。然而影响土壤对磷的吸附-解吸过程的因素颇多,但主要与土壤的理化性质有关,如:土壤类型,土壤质地和土壤 PH 值,土壤中可交换的铁、铝氧化,土壤矿物含量以及土壤有机质等。对于土壤类型,韩旭等(2011)实验结果表明,针对土壤对磷的吸附量来说,黑钙土的吸附量远小于黑土。而对于土壤质地,酸性沙质土壤,因其有机质含量较低,铁铝氧化物的含量较高,施用于土壤中的磷主要与铁铝等金属氧化物吸附结合(Huang 和 Schnitzer,1986);而对于石灰性土壤,土壤中的磷可以与CaCO3 上的吸附位点形结合(Holford 等,2010)。
有机质是土壤的主要营养与结构组分之一,其对磷吸附-解吸的影响不可忽略,但现有研究结论差异较大,分歧较多。有机质对土壤磷吸附-解吸影响的研究方法很多,基于不同的研究方法发现有机质有可能减弱磷的吸附,也可能增强磷的吸附,现就有机质对磷吸附-解吸的不同研究方法进行总结,并就不同研究方法下的结论进行概述。
1.2.1   施用外源有机物料对磷吸附-解吸的影响
增施有机物料在农业生产上是普遍做法,有机物料的施用可以改变土壤有机质的含量和构成,从而改变土壤中磷的吸附和解吸特性。现有研究多采用土壤掺杂有机物料培养一定时间结合吸附解吸批量实验的方法研究有机质对土壤磷吸附-解吸的影响。但由于土壤类型、有机物料种类不同,其研究结论差异十分明显。
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第二章   土壤有机质对磷吸附-解吸的影响
2.1 试验材料与方法
2.1.1  土壤样品的采集
试验所使用的土壤,分别采集于吉林省长春市吉林大学植物科学学院教学试验田、吉林省公主岭市黑土定位观测站、吉林省榆树市、辽宁省昌图市、以及黑龙江省佳木斯市。每种土壤在采集地点随机采样三份,混合均匀,除去土壤碎石和残根后,风干粉碎过  <  2mm 筛,在试验之前储存于棕色宽口瓶中。土壤的基本理化指标见表 2.1。

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2.1.2   土壤样品的制备
不同采样点采集的土壤样品分析后发现,吉林大学植物科学学院教学试验田采集的土壤其有机质含量适中(表 2.1),因此选择该采样点采集的土壤进行有机质浸提去除土壤样品的制备。吉林大学植物科学学院教学试验田地势平坦,年平均降雨量为 500-600mm,年平均气温为 5.1℃,试验前土壤(0-20cm)pH为 6.87,呈微酸性,有机质含量为 35.12 mg/kg,全氮含量为 0.76 g/kg,全磷含量为 0.44 g/kg,全钾含量为 5.26 g/kg,速效磷含量为 45.44 mg/kg。 
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2.2   数据分析
磷的等温吸附试验数据可以用多种等温吸附方程来描述,本试验采用Langmuir 和线性模型拟合分析。以平衡溶液 P 浓度为横坐标,以土壤所吸附固定的 P 吸附量为纵坐标,绘制等温吸附曲线。
本论文所采集的黑土土壤 pH 值介于 5.2-6.9 之间,属中性偏酸性土壤。土壤有机质含量介于 15-50  g/kg 之间,其中公主岭黑土保育地有机质含量最高,而昌图黑土有机质含量最低。土壤全磷和速效磷含量分别为 0.2-1.3  g/kg 和11.5-61.5 mg/kg(表 2.1)。
采自吉林大学植物科学学院教学试验田的土壤经过不同化学浸提法去除有机质后,其有机质含量明显降低(表 2.2)。过氧化氢对有机质的去除效率最高,有机质去除率达到了 71.4%;其次是次氯酸钠,有机质去除率为 65.4%;而氯化钠主要去除土壤中的溶解性有机质,去除率仅为 17.2%。过氧化氢浸提处理对土壤结构及组成的影响较大,在去除有机质的过程中,土壤中的其他组分也将释放或活化。过氧化氢处理后的土壤颗粒中的全磷含量下降明显,25%的磷被释放,但速效磷含量明显高于对照土壤,可能是由于过氧化氢处理后,土壤表面的吸附位点发生变化,原有机质占据的吸附位点可吸附磷(Hiradate  和Uchida2004),活化出来的部分磷被重吸附到了处理后的土壤颗粒表面,在速效磷测试溶出时可被溶出。次氯酸钠处理过程中土壤中磷的释放高达 57%,但其处理后的土壤颗粒中速效磷含量最低,说明次氯酸钠处理后土壤表面或者对磷的重吸附能力弱,或者处理后的颗粒表面对磷的吸附能力过强,速效磷的测试溶出过程都不能将其溶出。氯化钠处理对土壤结构及组分的影响最小,处理后土壤中的全磷和全氮含量还很高,而过氧化氢及次氯酸钠处理后的土壤颗粒中全氮含量很低。
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第三章   外源有机物料对磷吸附-解吸的影响 ................................... 23
3.1   试验材料与方法 ................................ 23
3.1.1   土壤及有机物料的采集与制备 ................................ 23
3.1.2   有机物料的培养 ........................................... 23
第四章   有机物料对磷生物有效性的影响........................................ 33
4.1   试验材料与方法 ...................................... 33
4.1.1   有机物料培养土壤的制备 ................................ 33
4.1.2   盆栽试验 ..................................... 34
第五章   结论 .................................... 43
第四章   有机物料对磷生物有效性的影响

4.1   试验材料与方法
4.1.1   有机物料培养土壤的制备
本章试验所用土壤同样采自吉林大学植物科学学院教学试验田,由于盆栽试验用土量较前两章多,故进行了第二次采样,采样时间(2018 年 4 月)和地点与前两章略有差异,土壤理化性质列于表 4.1。所添加的外源有机物料牛粪与活性污泥同第三章,其基本性质见表 3.1。

农业论文参考
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按有机质含量 5g/kg、10g/kg 和 20g/kg 向土壤中添加牛粪(记做 5NF、10NF、20NF)与活性污泥(记做 5HW、10HW、20HW),并通过添加无机磷肥使得牛粪与活性污泥培养土壤在同一有机质梯度处理时维持相似的 C/P 比。由于活性污泥中全磷含量远远高于牛粪,因此牛粪培养土壤中添加了无机磷。混合均匀装盆,同对照组一起在 200g/kg 的水分含量下过夜培养 24h。试验均设置三组重复。 
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第五章   结论
本论文从内、外源有机质的角度研究了有机质对黑土磷吸附-解吸及磷生物有效性的影响,利用批量吸附解吸法进行试验模拟,吸附数据利用 Langmuir等温吸附模型拟合,解吸数据利用线性方程拟合,主要研究结论可以总结为以下几点:
(1)利用化学浸提去除有机质-批量吸附解吸试验法研究了内源有机质对土壤磷吸附-解吸特性的影响,可以得出:去除土壤有机质后,土壤颗粒对磷的最大吸附量反而增加,解吸率降低。间接说明内源有机质的存在对磷的吸附具有一定的抑制作用,提高了土壤的供磷能力。
(2)利用外源有机质添加-批量吸附解吸试验法分析了外源有机物料对土壤磷吸附-解吸特性的影响,可以得出:外源有机物料添加培养 30d 后,土壤对磷的最大吸附量显著降低,而解吸率增大,说明外源有机质对磷的吸附同样具有抑制作用,降低了土壤的磷吸附能力,促进了土壤磷的解吸。
(3)利用盆栽试验考察了外源有机质对磷生物可利用性的影响,可以得出:外源有机物料添加 24h 后提高了土壤有机质含量和 Olsen-P 含量,促进了作物的总磷吸收量和净磷吸收量,从而提高了作物对磷的利用;同时施加外源有机物料连续种植玉米后土壤中磷的最大吸附量降低,且随有机质添加量的增多,土壤最大吸附量的下降幅度增大、磷解吸率的升高幅度增大,说明土壤的供磷能力增强,导致植株吸磷量增大。
参考文献(略)


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