采煤塌陷区不同培肥处理土壤磷的.doc

精品论文采煤塌陷区不同培肥处理土壤磷的 吸附性能研究洪坚平，李晋荣5（山西农业大学资源环境学院） 摘要：在采煤塌陷区进行的土地复垦第四年试验中，应用 Langmuir 等温式对不施肥、施有 机肥、施无机肥、施有机肥+菌肥、施无机肥+菌肥 5 种培肥处理的土壤磷吸附性能进行了 分析。结果表明，不同处理土壤磷的等温吸附特征可以很好用 Langmuir 方程拟合，相关系10数在 0.960.98 之间，均达到了极显著水平。空白处理土壤磷吸附能力最强，最大吸磷量和 最大缓冲容量分别为 2000 mgkg-1，156.25mgg-1。有机肥处理较无机肥处理土壤磷的吸附能力弱，菌肥一定程度上也可降低土壤对磷的吸附能力，不同处理间以有机肥+菌肥处理 土壤磷的吸附能力最低，最大吸磷量和最大缓冲容量分别为 1250 mgkg-1，73.75mgkg-1。关键词：采煤塌陷区；复垦土壤；不同培肥处理；磷素吸附；Langmuir 方程15中图分类号：S153.6+1Study on adsorption properties of phosphorus of the different fertilization treatments soil in core- mining subsidence area20Hong Jianping, Li Jinrong(College of Resources and Environmental,shanxi Agriculture University,Taigu030801) Abstract: In the forth year of land reclamation experiment in the core-mining subsidence area, the soil phosphorus adsorption properties was studied by Langmuir equation, five treatments wasinstalled, i.e., no fertilizer , organic fertilizer，inorganic fertilizer，Organic fertilizer plus bacterial25manure and inorganic fertilizer plus bacterial manure. The results showed that soil phosphorus adsorption characteristics under different treatment was fitted to the Langmuir equations, the correlation coefficients was between 0.96 and 0.98, and appeared a very significant level. In all treatments, the soil phosphorus adsorption capacity of no fertilizer treatment was highest; the maximum P uptake and maximum buffer capacity was 2000 mgkg-1 and 156.25 mgkg-1,30respectively. The soil phosphorus adsorption capacity of organic manure treatment was weaker than inorganic fertilizer, bacterial fertilizer reduced soil phosphorus adsorption capacity, to some extent. so the soil phosphorus adsorption capacity of the organic fertilizer plus bacterial manuretreatment was lowest among all treatments, maximum P uptake, and the maximum buffer capacityrespectively was 1250 mgkg-1 and 73.75 mgkg-135Key words: core-mining subsidence area; reclaimed soil; different fertilization treatments; Psorption; Langmuir Equation0引言我国煤炭资源约占我国土地总面积的 5.7%，其中约 96%为井工开采。井工开采形成地40下采空区会造成地面塌陷以及地表裂缝、裂隙等恶劣影响，据统计平均每开采万吨煤地表塌 陷 0.2hm2,目前全国采煤区地表塌陷造成土地破坏总量超过了 400 万 hm2，并且以每年 3.34.7 万 hm2 的速度增加1。据调查,截止 2005 年,山西省累计矿区面积 19 847 km2,采空区面积基金项目：采煤塌陷不同复垦模式下土壤微生物多样性与磷生物有效性的研究 (20091403110003）作者简介：洪坚平（1958），男，教授，主要从事土壤微生物和土壤复垦方面的研究. E-mail:hjpsx- 6 -5 115.25 km2,引起地表沉陷面积2。磷是植物生长发育不可缺少的营养元素之一，是农业生产的重要物质保证。全球粮食生45产的持续发展很大程度上依赖于化肥的施用，磷肥成了继氮肥之后施用最为广泛的肥料。目 前我国磷肥产量与施用量均居世界首位3。作物根系吸收的磷源，主要来自土壤中的磷。在 农业土壤中绝大多数土壤缺磷并不是由于土壤全磷含量低，而是由于能被植物吸收利用的有 效磷含量不高。磷肥施用后，大部分磷与土壤中 Ca2 + 、Fe2 + 、Fe3 + 、Al3 + 结合，形成难 溶性磷酸盐，在石灰性土壤中，磷肥的当季利用率一般仅为 5%10%，加上作物的后效，50一般不超过 25%。由于磷在土壤中的当季利用率低下，导致土壤中的累积磷数量不断增多。 因此了解土壤磷素吸收转化状况，对于合理施用磷肥有着直接的指导意义。土壤固相间磷的转化速率取决于磷酸根在固相表面的吸附、解吸机制，并制约土壤的供 磷能力，进而影响到植物对磷的吸收和利用4。研究土壤对磷的吸附有助于了解土壤磷的迁 移特征，不同特性的土壤，其固相表面对磷的吸附强度和数量具有很大的差异，在一定磷浓55度范围内，Langmuir 方程能够较好地反映土壤对磷的吸附和解吸特征，并可为农田磷肥的 合理施用和提高磷肥利用率提供理论依据。已有研究就不同磷肥量、有机肥及不同种植年限下农田和菜园土壤磷吸附、解吸特性和土壤磷缓冲能力进行了探讨5-6，但关于采煤塌陷区 土壤的磷吸附和解吸特性研究尚无报道，为此本研究采用 Langmuir 方程所得的磷最大吸附 量和相关参数，更好的了解不同复垦年限和不同施肥模式对襄垣采煤塌陷土壤的磷吸附解60吸规律，以其为建立合理施肥的指标体系，提高磷肥利用率和进行塌陷土壤的复垦提供科学 依据。1 试验材料与方法1.1 供试材料供试土壤为采煤塌陷区不同培肥处理复垦 4 年的土壤。采样于山西省长治市襄垣县王桥65镇西山底村，属潞安集团五阳煤矿井田范围。1.2 试验设计供试复垦土壤的不同培肥处理分别为：（1）对照（CK）：不施肥；（2）无机肥（Inorganic）： 施复合肥 937.5 kg·hm-2，硫酸钾 594 kg·hm-2；（3）无机肥+菌肥（In.+Bac.）：施复合肥 937.5 kg·hm-2，硫酸钾 594 kg·hm-2，菌肥 750 kg/hm2；（4）有机肥（Organic）：硫酸钾 502.5 kg·hm-2，70鸡粪 10613 kg·hm-2；（5）有机肥+菌肥（orga.+Bac.）：硫酸钾 502.5 v，鸡粪 10613 kg·hm-2， 菌肥 750 kg/hm2。其中（2）、（3）处理在拔节期追施尿素（含 N 46%）414 kg·hm-2，（4）、（5）处理追施尿素（含 N 46%）286.5 kg·hm-2。 培肥土壤所用有机肥为膨化的鸡粪，其中有机质含量：32.9%，N：2.1%，P2O5：2.6%，K2O：2.6%，总养分：7.3%；菌肥是由采煤沉陷区附近的熟土中分离筛选的固氮菌、解磷菌75和解钾菌种复合而成。其中各菌剂按照 1:1:1 的比例混合；复合肥的含 N，P2O5 ，K2O 量分 别为 18%、12%、10%。种植作物为玉米，瑞普 9 号，生育期 125d 。1.3 分析测定项目与方法于玉米的收获期（2012 年 10 月 22 日）采集耕层土样，5 点混合样作为该小区的代表样品，土样风干后分别过 1mm 筛，进行磷的吸附解吸试验。801.3.1磷吸附等温线的测定：称取过 1mm 筛的风干土样 1.000g 若干份于 50ml 离心管中，每种土样加磷量为 7 个水 平，即分别向其中加入 0.0，2.5，5.0，10，30，50，80ug/ml 的磷标准溶液（含 0.01mol/lCaCL2)25ml, 然后放入 25的恒温振荡培养箱中，振荡 24h，离心，（4000r/min）8min，倾出上清液于 50ml 三角瓶中，吸取适量上清待测液，于 50ml 容量瓶中，用钼锑抗比色法测定磷含量。土壤的85磷吸附量为加入的磷量与平衡溶液中的磷含量之差，从而计算出单位土壤的吸附量（mg ·kg-1），以每千克土壤的吸磷量对平衡溶液中的磷浓度做示意图，得各种土壤的磷吸附 等温线。1.3.2 磷吸附量计算及等温曲线 根据溶液浓度变化计算土壤的吸磷量。以平衡溶液的磷浓度为横坐标，以土壤的吸磷量90为终坐标绘制等温吸附曲线，并用 Langmuir 方程进行拟合。Langmuir 方程为： C/X=1/KXm+C/Xm式中：C平衡液中磷的浓度（mg/L）、X土壤对磷的吸附量（mg·kg-1）、Xm土 壤对磷的最大吸附量（mg·kg-1）、K 吸附常数。1.4 数据处理95试验数据用 Eexcel2003 处理2 结果与分析2.1 不同培肥处理土壤磷的等温吸附曲线分析土壤磷的吸附量Phosphorus absorbed in soil w(mgkg-1)1001400120010001051108006004002000-200 CK Inorganic In.+Bac. OrganicOrga.+Bac0510152025303540平衡溶液中磷浓度P concentration in equilibrium solution (mgL-1)115图 1 不同培肥处理对采煤塌陷区磷吸附等温线的影响Fig.1 Effect of different fertilizations on curve of soil-phosphorus isothermal adsorption in core-mining subsidence area土壤中磷的形态、有效性及其在环境中的迁移转化主要取决于土壤中磷的吸附解吸，120125从不同培肥处理下土壤磷的等温吸附曲线（图 1）可以看出，在加磷浓度 080.0mg·L-1 范围内，5 种供试土壤对磷的吸附等温线出现了明显的急骤上升和缓慢上升两个阶段，第一阶 段对磷的吸附作用较强，但当加磷浓度达到一定浓度（20mg·L-1）时，出现较明显的转折 点，斜率明显减小，但磷吸附量仍呈现上升趋势，尚未达平衡。有研究表明土壤磷素吸附过 程包括结合能很大的专性吸附和结合能小的物理吸附两个过程7同时由图 1 可以看出，在平衡溶液浓度小于 10 mg·L-1 时，不同土壤的磷吸附量比较接 近。但当平衡溶液浓度大于 10 mg·L-1 时，不同处理的磷吸附量出现一定差异，当平衡溶液 浓度大于 30 mg·L-1 时，有机肥+菌肥处理的土壤吸附曲线平缓即土壤吸附 P 量将达到饱和，而此时其他处理土壤仍处于上升阶段，且土壤磷的吸收量为 1200mg·kg-1 之间，比有机肥+菌肥处理土壤高 50%左右，研究表明磷和有机质之间有竞争吸附的存在8。同时表明微生物（菌肥）可以降低土壤对磷的吸附能力。这在刘淑欣的研究结论也有类似报道9。2.2 不同培肥处理下采煤塌陷土壤吸磷率分析130135100吸磷率Rate of P sorption r /%908070CK Inorganic In.+Bac.Organic orga.+Bac.605014040300 500 1000 1500 2000加磷量145Amt.of P s upplied w (mgkg-1)图 2 不同复垦模式下各土壤加磷量与吸磷率的关系Fig.2 Relationship between the amount of P supply and rate of soil phosphate sorption150155不同培肥处理对采煤塌陷土壤的加磷量与吸磷率的关系见图 2。可知，不同培肥处理对土壤的吸磷率差异很大，随着土壤溶液中磷浓度的增加，土壤的吸磷率逐渐降低，在本试验 加磷量 62.52000 mg·kg-1 范围内，空白处理的吸磷率为 59.91%87.11%。无机肥处理的土 壤吸磷率为 57.82%84.08%；无机肥+菌肥处理土壤的吸磷率为 57.64%82.71%；有机肥 处理土壤的吸磷率为 56.56%83.13%；有机+菌肥处理土壤的吸磷率为 45%83.01%。不 同处理吸磷率差异并不明显，且吸磷率均比较高，表明磷肥施入土壤后，绝大部分都被土壤 所吸附。2.3 不同培肥处理土壤 Langmuir 方程式及其参数分析160165170不同培肥处理下采煤塌陷土壤的 Langmuir 方程见表 1，可以看出，X 与 C 之间的相关系数在 0.92520.9755 之间，均达极显著水平，这说明用 Langmuir 方程式来描述本试验采 煤塌陷区不同施肥模式对土壤磷吸附等温线是非常合适的。土壤磷最大吸附量 Xm 在 12502000 mg·kg-1 之间变化，其中空白处理土壤的 Xm 值最大为 2000 mg·kg-1，其次为无机肥、 无机+菌肥的 Xm 为 1666.67 mg·kg-1，有机肥的 Xm 为 1428.57，有机+菌肥处理土壤的 Xm 依 1250 mg·kg-1 土。这与图 1 中土壤磷等温吸附线所表现的吸附特性相一致。吸附常数 K 值在一定程度上反映土壤吸附磷的能级，K 为正值，说明吸附反应在常温 下是自发进行的，而 K 值的大小，反映该吸附反应的自发程度，K 值越大，反应的自发程 度越强，生成物较稳定，因而供磷强度较弱10。从表 3 中可以看出，吸附常数 K 值在 0.590.78 之间变化，5 种供试土样的 K 值大小顺序为：空白>无机肥>无机+菌肥>有机肥>有机肥+菌肥。根据 Langmuir 方程可以得到土壤对磷酸盐吸附的重要参数，磷最大吸附量 Xm 和 吸附强度因子 K 以及 Xm 与 K 的乘积被称为最大缓冲容量或吸附特性值（MBC）11。MBC 值综合反映了土壤吸磷的强度因素（K）和容量因素（Xm），是土壤对磷吸持特性的特征参 数，是判断土壤供磷特性的一项综合指标10。从表 3 中吸附特征值 KXm 在 74.07156.25 之间变化，几种供试土样的 KXm 值大小顺序为：空白无机肥>无机+菌肥>有机肥>有机肥+菌肥。175表 1 供试土壤的 Langmuir 方程式及其参数Tab. 1 The Langmuir equation of soil samples studied and respective parameters处理TreatmentC/X=1/KXm+C/XmrK最大吸附磷量 Max- P absorption w(mg·kg-1)最大缓冲容量 Max- buffer capacity w(mg·kg-1)空白ckC/X =0.0064+0.0005C0.9793*0.0782000156.25无机肥Inorganic fertilizerC/X =0.0083+0.0006C0.9877*0.0721673.33120.48无机+菌肥Inorganic and bacteria manureC/X =0.0085+0.0006C0.9875*0.0711666.67118.33有机肥Organic fertilizerC/X =0.011+0.0007C0.9675*0.0641428.5791.42有机+菌肥organic and bacteria manureC/X =0.0135+0.0008C0.9619*0.059125073.753 结论五种供试土样中磷的吸附等温线与 Langmuir 方程拟合较好，相关系数在 0.960.98 之间，均达极显著水平。供试土壤磷素吸附量及最大缓冲容量 (MBC)分别在 12502000 mg·kg-1 和 73156.25mg·kg-1 之间，土壤对磷的吸附能力均比较强，不同处理间以空白处180185理土壤吸磷能力最强，磷的库贮量最大，以有机肥+菌肥处理土壤对磷的吸附量最低，有机肥和磷由于存在竞争吸附的关系，表现为有机肥处理的磷吸附量及最大容量高于无机肥处 理。参考文献 (References)1 李新举, 胡振琪, 李晶,等.采煤塌陷地复垦土壤质量研究进展J. 农业工程学报, 2007,23(6):276-280.2 靳东升, 张强. 山西省采煤区土地复垦区划研究J.山西农业科学, 2009,37(6):54-58.1901953 李东坡,武志杰, 化学肥料的土壤生态环境效应J.应用生态学报,2008,19(15);1158-1165.4 夏瑶 , 娄 运 生 , 杨 超 光 , 等 . 几 种 水 稻 土 对 磷 的 吸 附 与 解 吸 特 性 研 究 J 中 国 农 业 科 学 ，2002,35(11):1369-1474.5 张海涛,刘建玲,廖文华,等. 磷肥和有机肥对不同磷水平土壤磷吸附-解吸的影响J.植物营养与肥料学 报,2008,14(2):284-290.6 高秀美, 汪吉东, 张永春, 等. 蔬菜种植年限对土壤磷素吸附解吸特性的影响J. 中国生态农业学 报,2010,18(4): 706-710.2002052107 邵兴华 , 张建忠 , 毛勇 , 等 . 氧 化 还 原 条 件 下 红 壤 吸 附 与 解 吸 特 性 及 需 磷 量 探 讨 J. 土壤 ,2010,42(2):207-212.8 刘淑欣, 熊德中. 土壤磷素 Langmuir 等温吸附特性与磷肥效果的关系J.福建农学院学报, 1985,14 (4):344-351.9 赵晓齐,鲁如坤.有机肥对土壤磷素吸附的影响J. 土壤学报,1991,28(1):7-13.10 何振立,朱祖祥,袁可能,等.土壤对磷的吸持特性及其与土壤供磷指标之间的关系J.土壤学报,1988,25 (4): 397-404.11 陈波浪, 盛建东, 蒋平安,等.不同质地棉田土壤对磷吸附与解吸研究J.土壤通报,2010,41(2):303-307.