三峡库区消落带土壤磷素释放性能及影响因素研究

发布时间：2017-09-09 14:52

  本文关键词：三峡库区消落带土壤磷素释放性能及影响因素研究

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【摘要】：三峡水库是举世瞩目的特大型水库,成库后的水环境安全是国内外关注的重大环境问题,水体富营养化对库区水环境安全构成主要威胁。磷素作为水体富营养化的主要限制因子,水体中磷浓度的升高直接增加了水体富营养化的风险。三峡库区消落带土壤具有周期性“淹水—落干”干湿交替的循环特性,土壤干湿交替对土壤磷活性及释放性能将产生重要影响。落干期间正是库区降雨集中期,来自周边小流域的农业径流流经消落带,所携带的颗粒态磷可沉积于消落带土壤、可溶态磷亦可被土壤所吸持,同时消落带季节性利用也会增加消落带土壤磷素负荷;在随后的淹水期间,伴随消落带土壤淹水后性质的急剧变化,蓄积于土壤中的磷可释放进入上覆水体,增加水体中磷的浓度,使消落带土壤成为水体磷素的重要补给源。明确外源磷在消落带土壤中的活性变化、释放规律及影响因素,对于库区消落带管理,防止水体富营养化具有十分重要理论和实践意义。为此,本文以三峡库区消落带广泛分布的紫色潮土和灰棕紫泥土为对象,通过室内模拟土壤培养和淹水释放实验,探讨不同饱和度外源磷在两种土壤中的活性变化与形态转化特征,分析了蒙脱石、高岭土、胡敏酸、富里酸和针铁矿(统称为活性调控剂)对土壤磷素形态、活性和释放的影响。主要结果如下:1、外源磷进入土壤后其活性(Olsen-P)变化主要受外源磷施入量、施入时间与土壤类型影响。添加0-100%吸持饱和度(0-100%Qm)的外源磷后,表征土壤磷活性的Olsen-P含量(Ct)呈指数型衰减,可用方程Ct=ae-kt+b进行拟合,拟合度均在94%左右。Olsen-P含量变化均以培养15d内降幅最大,此后逐步趋于平缓并保持稳定,最终平衡浓度(b)随外源磷的增加而增加。受土壤类型影响,Olsen-P在紫色潮土中衰减速率(k)较大,相同磷饱和度处理的紫色潮土Olsen-P含量低于灰棕紫泥。几种供试活性调控剂对土壤磷素活性(Olsen-P)具有显著影响,其影响程度与方向与调控剂种类和土壤类型有关。在初始磷为50%Qm条件下(紫色潮土500 mg/kg;灰综紫泥454.5 mg/kg),与未添加调控剂的对照土壤相比,添加蒙脱石和高岭土处理均会降低两种土壤Olsen-P含量,蒙脱石对土壤磷素活性钝化作用较高岭土明显,紫色潮土中的降幅大于灰棕紫泥。在紫色潮土中,蒙脱石和高岭土使Olsen-P含量占外源磷施入量比例由18.75%降至14.14%和17.88%,在灰棕紫泥中则由40.9%降至36.65%和39.39%;添加胡敏酸、富里酸和针铁矿均提高了土壤磷素活性,三者活化效应大小顺序为:针铁矿富里酸胡敏酸。在紫色潮土中,三者使Olsen-P含量所占比例分别增至21.12%、28.21%、92.03%,在灰棕紫泥中则分别增至49.39%、55.55%、82.62%。2、土壤磷素释放能力受土壤磷素饱和度、陈化时间及土壤类型的影响。外源磷进入土壤后其释放能力呈指数型衰减,也可用方程Ct=ae-kt+b进行拟合;其中,紫色潮土磷素释放能力衰减速率更快,灰棕紫泥磷素释放能力更高。土壤磷素活性及释放能力受磷素吸持饱和度制约,当磷吸持饱和度≥50%时,紫色潮土和灰棕紫泥Olsen-P含量和解吸量(0.01M KCl-P)出现跃迁式增加现象,50%Qm添加量是紫色潮土和灰棕紫泥活性与渗漏淋失风险的突变点;土壤Olsen-P含量与单次提取量呈极显著线性关系(y=a+bx,P0.01),可用Olsen-P平衡含量预测土壤磷素淋失风险。土壤磷素多次连续提取过程中,磷素释放能力随提取次数的增加迅速降低,经5次提取之后,两种土壤上所有磷饱和度处理土壤中可提取磷量均几乎消失殆尽;紫色潮土和灰棕紫泥土壤磷素最大释放量占外源磷施加量的比例分别为88.4%-95.3%和95.3%-116.6%,其中灰综紫泥外源磷施加量≤50%Qm的处理磷素累积释放量甚至大于外源添加磷总量。土壤中添加活性调控剂对磷素释放能力的影响因土壤类型的不同而异。在初始磷为50%Qm条件下,在紫色潮土和灰棕紫泥对照处理(未添加调控剂)中,磷的单次提取量分别占外源磷含量的7.3%和25.49%;蒙脱石抑制土壤磷素释放,两种土壤单次提取量占添加量的比例分别降至4.66%和24.52%,高岭土促进紫色潮土磷的释放而抑制了灰棕紫泥磷的释放,两种土壤单次提取量占添加量的比例分别为23.68%(紫色潮土)和24.80%(灰棕紫泥);针铁矿、胡敏酸和富里酸均能促进土壤磷素大量释放,促进效果排序:针铁矿富里酸胡敏酸。紫色潮土中,三者使土壤磷素单次提取量占添加量的比例分别增至12.59%、14.11%和69.71%;灰棕紫泥中,三者使土壤磷素单次提取量占添加量的比例分别增至28.54%、28.26%和45.72%。3、添加0-100%Qm外源磷经30天转化平衡后,大部分外源磷转化成Ca2-P和Ca8-P形态,其次为Fe-P、Al-P形态,O-P(闭蓄态磷)和Ca10-P变化不明显,短时间内无法大量形成。Ca2-P和Ca8-P形态含量之和分别占外源磷施加量的50%(紫色潮土)和60%(灰棕紫泥)左右,Al-P和Fe-P含量之和分别占外源磷施加量的22.6%~33.8%(紫色潮土)和25.3%~35.4%(灰棕紫泥)。回归分析与通径分析表明,紫色潮土和灰棕紫泥Olsen-P含量分别由Ca2-P、Al-P起正向直接作用,Ca10-P和Fe-P起负向直接作用。紫色潮土磷素释放能力变化主要由Ca2-P、Ca8-P起正向直接作用,Fe-P起负向直接作用,灰棕紫泥由Ca2-P起正向直接作用,Ca8-P起负向直接作用。初始磷为50%Qm(紫色潮土500 mg/kg;灰综紫泥454.5 mg/kg)条件下,经15天转化平衡后,与未添加调控剂的对照土壤相比,五种调控剂均能不同程度促进OP(有机磷)向IP(无机磷)转化;蒙脱石在两种土壤中均能促进Fe/Al-P向Ca-P形态转化,其余四种活性调控剂均能在不同程度上促进Ca-P向Fe/Al-P转化。高岭土处理土壤的Ca-P含量与蒙脱石处理土壤的Ca-P含量相比相对较低,腐殖酸、针铁矿处理土壤的Ca-P含量与粘土矿物处理的土壤Ca-P含量相比更低;几种活性调控剂进入土壤后,经处理土壤的Fe/Al-P含量排序:针铁矿富里酸胡敏酸高岭土对照蒙脱石。4、活性调控剂影响土壤磷素吸附-解吸特性,土壤磷素最大吸附量、吸附强度和解吸能力均有明显变化。添加粘土矿物、腐殖酸和铁氧化物的处理和对照土壤磷素等温吸附-解吸曲线均能用Langmuir方程和Freundlich方程拟合,拟合度均在90%以上。蒙脱石、高岭土和针铁矿均提高了土壤磷素最大吸附量Xm,而胡敏酸和富里酸则降低了Xm;紫色潮土中,蒙脱石、高岭土和针铁矿降低了磷素吸附强度,k值较对照土壤均有所下降,而胡敏酸和富里酸则提高了磷素吸附强度,k值较对照增加。灰棕紫泥中活性调控剂的影响与紫色潮土不同,蒙脱石、高岭土、HA和FA均使k值增大,而针铁矿降低了k值。添加活性调控剂的土壤其磷素解吸量受活性调控剂的影响。蒙脱石和高岭土能够抑制土壤磷素解吸,HA、FA和针铁矿能够促进土壤磷素解吸;初始磷浓度为200mg/L时,添加蒙脱石、高岭土的紫色潮土和灰棕紫泥其磷素解吸率较对照土壤磷素解吸率有所降低,分别由20.73%、20.20%(对照)降至17.74%、18.25%(蒙脱石)和19.57%、19.02%(高岭土)。添加胡敏酸、富里酸和针铁矿的紫色潮土和灰棕紫泥其磷素解吸率较对照土壤磷素解吸率均有所增加,其解吸率分别由20.73%、20.20%(对照)增至24.19%、26.42%(HA);27.37%、32.75%(FA)和22.85%、20.56%(针铁矿)。添加活性调控剂的土壤其磷素解吸量与吸附量间可用指数方程拟合,拟合度在90%以上。5、添加0-100%Qm外源磷经30天转化平衡后,土壤淹水释放量及其占外源磷施加量的比例随着外源磷施加量的增加而增加,土壤淹水向上覆水体释放磷素的能力因土壤类型不同而异,灰棕紫泥释放量更大且所占比例更高(8.03~21.02%),而紫色潮土释放量占外源磷施加量的比例只有2.97-3.71%;不同磷添加量对土壤上覆水磷浓度达平衡的时间影响不大,不同饱和度土壤上覆水磷浓度均在淹水40d左右达平衡。淹水40 d时,添加0-100%Qm外源磷的紫色潮土和灰棕紫泥上覆水TP浓度为0.13-4.60 mg/L和0.15-19.24 mg/L,远远高出富营养化水体磷素阈值0.02 mg/L。在初始磷为50%Qm(紫色潮土500 mg/kg;灰综紫泥454.5 mg/kg)条件下,添加活性调控剂对土壤淹水磷素释放能力的影响与土壤类型、调控剂种类有关。除添加针铁矿的紫色潮土外,所有处理土壤在淹水过程中上覆水溶解性磷酸盐含量和TP含量随时间的变化均可用Elovich方程拟合,拟合度均在90%以上。蒙脱石能够抑制土壤磷素释放,而高岭土、胡敏酸、富里酸和针铁矿均能在不同程度上促进了磷素释放。其中高岭土对紫色潮土磷素释放的促进作用较灰棕紫泥更为明显,另外三种活性调控剂在两种土壤上促进磷素释放的能力大小顺序为:针铁矿富里酸胡敏酸。针铁矿、高岭土能缩短土壤上覆水溶解性磷酸盐浓度达平衡的时间,使两种土壤上覆水溶解性磷酸盐浓度分别在在淹水15、22 d左右趋于稳定;蒙脱石、胡敏酸和富里酸对上覆水磷素浓度达平衡的时间影响不大。因此,通过向土壤中添加本文所涉及的几种活性调控剂,似乎难以实现抑制磷素向水体释放的目的。
【关键词】：消落带 磷形态 活性调控剂 吸附-解吸 释放
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X524;X144
【目录】：

• 摘要9-13
• Abstract13-19
• 第1章 文献综述19-35
• 1.1 水体富营养化19-24
• 1.1.1 水体富营养化的危害19-20
• 1.1.2 水体富营养化的产生20-21
• 1.1.3 水体富营养化的影响因素21-24
• 1.2 土壤磷素的存在形态及迁移转化24-26
• 1.2.1 土壤中磷素的存在形态及其分类24-25
• 1.2.2 土壤中磷素的迁移转化25-26
• 1.3 土壤中磷素吸附-解吸机制26-30
• 1.3.1 土壤磷素吸附机制26-27
• 1.3.2 土壤磷素解吸/释放机制27-28
• 1.3.3 影响土壤磷素吸附解吸-解吸/释放的因素28-30
• 1.4 活性调控剂对土壤磷素化学行为的影响30-35
• 1.4.1 粘土矿物对土壤磷素迁移转化的影响30-31
• 1.4.2 腐殖质对土壤磷素迁移转化的影响31-32
• 1.4.3 铁矿物对土壤磷素迁移转化的影响32-35
• 第2章 引言35-39
• 2.1 研究背景35-36
• 2.2 研究内容36
• 2.3 研究目标36-37
• 2.4 技术路线37-39
• 第3章 材料与方法39-45
• 3.1 试验材料39-40
• 3.1.1 供试土壤39
• 3.1.2 模拟江水39-40
• 3.2 试验方法40-42
• 3.2.1 外源磷在土壤中的形态转化与有效性变化40
• 3.2.2 土壤释放能力的动态变化与释放潜势（最大释放量）40
• 3.2.3 几种活性调控剂对土壤磷素有效性及释放能力的影响40-41
• 3.2.4 几种活性调控剂对土壤磷素的吸附解吸的影响41
• 3.2.5 土壤静态淹水释放试验41-42
• 3.3 分析测定方法42-44
• 3.3.1 土壤基本性质的测定42
• 3.3.2 磷素形态分级的测定42-44
• 3.3.3 土壤磷素释放性能及土壤磷素潜势的测定44
• 3.3.4 上覆水水样TP及溶解性磷酸盐的测定44
• 3.4 数据处理44-45
• 第4章 外源磷在土壤中的形态转化45-61
• 4.1 外源磷在土壤中有效性变化45-47
• 4.2 外源磷在土壤中释放性能的变化47-51
• 4.3 外源磷在土壤中形态分布的变化51-53
• 4.3.1 外源磷进入土壤后各形态无机磷的转化动态51-52
• 4.3.2 外源磷进入土壤后的形态分配52-53
• 4.4 无机磷形态与Olsen-P、磷素解吸量关系53-55
• 4.4.1 Olsen-P与无机磷形态相关关系53-54
• 4.4.2 土壤磷素释放潜势与无机磷形态相关关系54-55
• 4.5 不同负荷外源磷土壤的磷素释放潜势（最大释放量）55-59
• 4.6 小结59-61
• 第5章 几种活性调控剂对土壤磷素转化的影响61-75
• 5.1 几种活性调控剂对土壤磷素有效性的影响61-62
• 5.2 几种活性调控剂对土壤磷素释放能力的影响62-64
• 5.3 几种活性调控剂对土壤磷素形态分布的影响64-67
• 5.4 几种活性调控剂对土壤磷素吸附解吸的影响67-73
• 5.4.1 活性调控剂对土壤磷素吸附的影响67-70
• 5.4.2 活性调控剂对土壤磷素解吸的影响70-73
• 5.5 小结73-75
• 第6章 淹水期间土壤磷素释放动态变化75-89
• 6.1 不同磷饱和度土壤在淹水过程中磷素动态变化75-80
• 6.1.1 不同磷饱和度土壤在淹水过程中正磷酸盐动态变化75-77
• 6.1.2 不同磷饱和度土壤在淹水过程中TP动态变化77-79
• 6.1.3 淹水期间上覆水p H和铁离子变化79-80
• 6.2 几种活性调控剂对土壤磷素淹水释放的影响80-87
• 6.2.1 几种活性调控剂对上覆水溶解性磷酸盐动态变化的影响80-83
• 6.2.2 几种活性调控剂对上覆水TP动态变化的影响83-84
• 6.2.3 淹水期间上覆水p H和铁离子浓度变化84-87
• 6.3 小结87-89
• 第7章 结论89-93
• 参考文献93-103
• 发表论文及参与课题103-105
• 致谢105

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