成都平原蔬菜基地耕作层土壤酸化与作物速效养分系统

中国环境学会  2011年 03月31日


  通讯作者:赵仕林 单位:四川师范大学 联系电话:13708065585 通讯地址:四川师范大学理科学报主编室 邮编:610066
  严小娟1,赵婷1,操飞1,童培杰1, *赵仕林1,2(四川师范大学化学与材料科学学院,四川  成都  610066)


  摘要:成都郊区的蔬菜基地是我国五大蔬菜基地之一,具有悠久的种植历史。经随机采集成都郊区蔬菜基地耕作层的土壤样品,测定其pH,结果表明该地区pH>6.5的土样仅占2.9%,78%的样品土壤PH<6.0,与1984年相比,其土壤的pH值明显降低,pH值下降1个pH单位,土壤酸化严重。同时测定了与土壤酸化有关的因素—铵态氮、速效磷、速效钾等,经数据相关分析,监测区域的土壤pH值与速效磷密切相关,其相关系数达0.29-0.94;酸化严重的土壤还与铵态氮有关,但所采土样却与速效钾的相关性不显著。其研究结果为菜地土壤酸化的理论与控制提供了基础依据。
  关键词:土壤酸化;速效磷;铵态氮;速效钾


  Studies on the Soil Acidification and Crop Available Nutrients Systems of the Arable Layer in Chengdu Vegetable Base
  Xiaojuan Yan, Ting Zhao,Fei Cao, Peijie Tong, Shilin Zhao
  (College of Chemistry and Material Science;Sichuan Normal University;   Sichuan Chengdu  610066,China)
  Abstract: Chengdu suburb vegetable base is one of the bases of China's five major vegetable,which has a long history of cultivation. Collected soil samples of the arable layer in  Chengdu suburb  vegetable base by random and measured pH, the results show that: in all the soil samples,the soil pH>6.5 is only 2.9% ,but the soil PH<6.0 is nearly 78% . Compared with 1984, nowadays the soil pH is significantly declined about 1 pH unit, the Soil Acidification is Serious. Simultaneous determinate the related factors (ammonium nitrogen, available phosphorus, potassium, etc.)which associated with soil acidification ,soil pH and available phosphorus are closely related, their correlation coefficient is 0.29-0.94;the soil pH is also related with ammonium nitrogen in serious soil acidification,but it not significantly related with the potassium in all the soil samples. The results of our research provide the basis for theory and control of vegetable soil acidification.
  Key word: Soil acidification; available phosphorus; ammonium nitrogen; potassium


  1.前言


  成都平原是全国五大蔬菜基地之一,彭州市是该基地的主产区,位于成都平原西北部,介于北纬30。54′—31。26′,东经103。40′—104。10′之间,属于亚热地带。全市共有农耕地为693,428亩,而占总耕地面积75%以上的都为水稻土,其蔬菜种植面积已达57余万亩,主要分布在该市平原地区。由于菜地复种指数高和化肥投入量大,导致土壤酸化程度尤为严重。土壤酸化会造成土壤的盐基饱和度降低 [1]-[3];重金属元素的活性增加 [4];土壤中有益微生物的数量减少 [5]-[7]; 活性铝大量溶出 [8]-[10]。近年来,当地菜农为了防止土壤酸化所引起的蔬菜的根肿病等病害以及保证蔬菜的产量,在每季蔬菜种植前不得不施用大量生石灰来中和耕作层土壤的酸性物质,如此反复操作,将导致土壤盐度增大和化肥的超量投入,使土壤环境质量步入恶性循环。土壤系统是一个非常复杂的系统,对于土壤酸化的成因,国内外虽然做了大量的研究,但大多数集中于土壤pH与活性酸、土壤pH与盐基饱和度的研究。对于土壤pH与作物养分磷的关系方面的研究鲜见报道。本文通过对菜地表层土壤中铵态氮、速效磷与速效钾的测定,探讨土壤的pH与铵态氮、速效磷、速效钾的关系。其目的在于认识菜地土壤酸性污染物的来源和土壤的酸化机制,为酸化土治理与控制提供理论依据[11][12]。


  2.实验


  2.1试剂与仪器
  2.1样品的采集
  经对成都市蔬菜基地土壤环境质量调查,彭州市的九尺镇、天彭镇和三界镇是酸化较严重的区域。又从不同土壤层次考虑,表土(0—20cm)是缓冲酸沉降的主体,由于直接接受酸沉降的淋溶,以及人为因素的影响,这里又是最容易发生酸化的土层。因此研究土壤于2009年4月---6月采自于彭州市三个酸化相对较重区域的菜地表层土(样点分布图见图1)。
  采集的土样经自然风干后,研磨过筛,用于pH以及铵态氮、速效磷与速效钾的测定。
  
  2.2样品测定
  2.2.1土壤中铵态氮测定
  用10%的氯化钠溶液提取土壤样品,在加热的条件下,用弱碱MgO蒸馏,使有效态氮碱解,转化为氨气状态,并不断地扩散逸出,由硼酸吸收,再用标准酸滴定,最后计算出碱解氮的含量。
  2.2.2土壤速效磷的测定
  用0.5mol/L碳酸氢钠作提取剂,将速效磷提取到溶液中,然后将待测液用钼锑抗混合显色剂在常温下还原成磷钼蓝,用721一E型分光光度计进行比色测定。
  2.2.3土壤速效钾的测定
  用1.0mol/L中性醋酸铵溶液为提取剂,提取后的待测液直接用HG一3型火焰光度计进行测定。 
  2.2. 4土壤pH的测定
  用电位法按2. 5: 1水土比分别用无CO2水和KCl溶液测定[13]。
  2.3统计分析
   采用EXCEL软件对所测数据进行统计分析。
   
  3.结果与讨论


  3.1土壤样品的pH值与铵态氮、速效钾、速效磷的测定结果
  三个主要酸化区域—九尺、天彭、三界的土壤pH值、铵态氮、速效磷、速效钾的测定结果分别列于表1、表2、表3中。
  表1 九尺土壤测定结果

        pH             铵态氮               速效磷                速效钾

                 ——————————ppm——————————

     4.78             14                 15.75                 80.15

     5.05             14.65              15.7                  58.4

     5.22             18                 17.4                  133.2

5.45             15.65              11.8                   90.2

5.59             25.05              8.305                  84.45

5.59             17.05              10.27                  127.95

5.86             14.55               5.93                  111.3

5.95             19.5                6.195                 80.2

6.17             24.9                8.73                  81.05

                        
   表2 天彭土壤测定结果

        pH             铵态氮               速效磷                速效钾

                 ——————————ppm——————————

     4.34             19.3                11.1                   278.8

     4.73             26.75               10.45                  129.25

     5.3              17.85               9.85                   114.8

5.5              18.35               7.19                   227.4

5.98             20.8                6.61                   199.4

6.03             19.78               7.13                   235.1

6.13             16.63               6.52                   179.8


   表3 三界土壤测定结果

        pH             铵态氮               速效磷                速效钾

                 ——————————ppm——————————

     4.32             19.5                11.3                   205.8

     4.43             17.5                9.335                  232.4

     4.52             15.1                5.58                   136.6

4.56             20.45               6.555                  164.75

4.65             19.6                4.13                   204.25

4.94             10.15               3.28                   107.05

5.14             11.55               3.61                   71.65

5.38             10.16               3.895                  82.9

6.21             11.35               1.48                   143.65

6.53             7.87                1.56                   175.55


  3.2土壤pH的变化趋势
  土壤酸化本身是一个缓慢的自然过程。近年来,伴随着经济的飞速发展,土壤的酸化越演越烈。从表4可以看出:1984年,彭州市蔬菜基地土壤的平均pH值为6.4。而从全程值来看,所采土壤的pH值都在5.5以上,即无属于强酸性的土壤。表明彭州市水稻土土壤大范围的呈弱酸性和中性,土壤缓冲能力好。
  由2009年采集的土壤样品的测定结果见图11。从表4和图2可以看出:所采土样中已经出现pH≤4.50的强酸性土壤,约占5.88 %。最低pH值只有4.32。pH在4.51—5.50的土样几率最大,约占所采土样总数的52.94%,pH>6.50的土壤样品占所采样品总数的比例最少,只有2.94%。pH为5.51—6.50的土样约占38.24%。所采土样中97.06%都属于酸性、强酸性和极强酸性土壤,只有约为2.94%的土壤属于中性土壤的事实说明彭州市蔬菜基地土壤已将出现较大范围的酸化,土壤的缓冲能力降低。
  表4  土壤pH值

  指数

pH          

平均值   1984             6.4            

2009                        5.4            

全程值   1984            5.5-7.5        

         2009           4.32-6.53      

 
  3.3土壤pH值与铵态氮的相关性分析
  近年来随着四川蔬菜基地建设的迅速发展,蔬菜种类和种植面积不断增加;仅彭州市的。由于蔬菜种植的茬次多,土地复种植数高,因而肥料投入量比之与粮食、水果等作物大4—10倍,是蔬菜携走量的2—10倍,而其所施肥中70%以上是化学肥料。由此导致了大量化肥滞留于土壤中。通常情况下,蔬菜能吸收利用施入菜地的一部分氮肥,而另外大部分以铵态氮的形式滞留于土中。一方面是残留于土壤中铵态氮经硝化作用产生硝酸盐的过程将释放大量的H­­­­­­­­­­­­­­­+, 即2NH4++3O2(空气)—>2NO2-+2H2O+4H+,2NO2-+O2—>2NO3-;另一方面是磷酸铵、硫酸铵、氯化铵等在植物吸收了养分后也会产生大量H+。
  有研究表明:土壤的pH值与铵态氮的含量呈负相关[14]。依据表中数据,分地区所作土壤pH与铵态氮的相关性,见图3、图4、图5。
   对三个供试地土壤的pH与铵态氮进行相关性分析,pH值与铵态氮的含量的相关性不一致(九尺土样:R=0.5974;天彭土样:R=-0.4283;三界土样R=-0.7926)。这可能由于采样土壤中种植的作物种类所造成的。九尺土样的采集于粮菜轮作的水稻土,采集时土壤中的农作物包括了小麦、大蒜、油菜。虽然氮素是这些作物的必须营养,但调查种植这类作物时,农民一般使用的是“10-20-10型”三元复合肥,而三元复合肥中纯氮、五氧化二磷、氧化钾的含量一定,而不同的作物对三种养分的吸收量是不同的,三种植物吸收氮的量远远大于P的量。土壤中滞留的N的量小于P的量,由此导致地中的NH4+不是酸化的主要因素。过量的磷被滞留于土中,导致九尺土壤的pH与铵态氮相关性不大。采集的天彭土样主要种植的是大豆,豆科植物因为其有根瘤菌,所以种植时不需要施加氮肥。所以土壤酸化程度与铵态氮的含量相关性不强。而采集的三界土壤则是长期种植蔬菜。而主要种植的是莴笋消耗氮素多的作物。据调查:除施加三元复合肥外,菜农还要格外施加大量的碳酸氢铵,由此使土地中滞留大量的NH,致使这个地方土壤的pH值与铵态氮的含量密切相关。


  3.4土壤pH值与速效磷的相关性分析
  土壤中的磷来源很广泛,一个重要原因就是菜农种植时长期施用了大量的磷肥。而所施磷肥中又以过磷酸钙为主。过磷酸钙中本身含有大量的游离酸能使土壤的pH值降低。其次,由于土壤中酸性胶基多,施入菜地的普钙中的磷酸根离子和部分钙离子被作物根系吸收利用,残留的Ca2+将酸性胶基上专性吸附的H+置换到土壤溶液中,使潜性酸转换为活性酸,使土壤的pH值再次降低。再次,是过量施入土壤中的过磷酸钙,其磷酸根离子也具有一定酸性也能使土壤的pH降低[15]。因此,过量的磷肥会导致土壤酸化。从另一方面,向土壤中过量施入磷肥时,磷肥中的磷酸根离子与土壤中多价阳离子结合形成难溶性磷酸盐。当土壤的pH降低时,会促进难溶磷酸盐的电离,从而使土壤中有较多的速效磷。 因此,菜地的有效磷含量与土壤的pH值有密切的关系。土壤的pH值与有效磷的关系,如图6、图7、
  图8。从图中相关性数据可以分析:土壤的酸化程度与土壤中有效磷的含量密切相关。在三个供试地土样中,随然采样地不同,相关系数的大小不同。但总体来说,土壤的速效磷含量随着土壤pH值的增大而减小。
   土壤中的速效磷主要来源于种植过程中施加的过磷酸钙有很大的联系。从蔬菜基地三个主要酸化区域的数据来看,土壤pH值都与速效磷的含量呈负相关(九尺土样:R=-0.8594;天彭土样:R=-0.9440;三界土样R=-0.7942)。土壤酸化程度随着速效磷的含量的增多而加深。说明速效磷是彭州市三个蔬菜生产基地土壤酸化的主要因素。


  3.5土壤pH值与速效钾的相关性分析
     土壤胶体中的交换性阳离子包括了酸基离子(H+、Al3+)和盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)。当土壤酸化,pH值降低时,土壤中酸基离子(H+、Al3+)的量增多,将会导致土壤中盐基离子减少。俞元春[16]等研究发现:当模拟酸雨对对土壤进行淋洗时,会引起土壤pH降低,盐基离子淋失,随着酸雨溶液pH的降低,土壤酸化趋势加剧,盐基淋失量增加。淋出液中K+、Na+、Ca2+、Mg2+,含量加上淋洗后土壤交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量大于原土壤中交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+总量,说明在酸雨淋洗下,土壤中某些矿物发生风化溶解,释放盐基进入土壤。这也说明了土壤酸化会导致土壤中K+含量减少,土壤的营养成分流失,造成土壤贫瘠。
  有研究表明:土壤的pH值与土壤的盐基饱和度呈显著的负相关[17]。图中表明土壤的pH值与速效钾的含量相关性很小(九尺土样:R=0.0985;天彭土样:R=0.3425;三界土样R=-0.2903)。这可能是由于土壤的pH值与土壤中盐基饱和度的相关性密切[17]。但盐基离子不仅仅包含速效钾,还有Na+、Ca2+、Mg2+等,而K+在不同的土壤溶液中的盐基离子总和中所占的比例不一定相同,所以土壤的pH与速效钾的相关性不密切。


  3.6土壤酸化的机制
  土壤酸化就是土壤中的氢离子量增多,盐基离子减少的一个过程。土壤中氢离子的增加,破坏了土壤中原有盐基离子的化学平衡,氢离子取代土壤胶粒结构中的盐基离子,盐基离子随着淋溶作用向下渗透而流失。土壤也会自然酸化,这是风化成土的必然过程。然而,一方面菜地土壤的有限性,其复种指数高;另一方面由于农村劳动力的不足,以及对高产量的追求,促使菜农大量的投入氮肥、磷肥以及复合肥等化学品。这就引起了菜地土壤有着与自然酸化不同的酸化过程。
  蔬菜种植中化学品的投入量使蔬菜携走量的2—10倍,这就导致了大量化肥残留于土壤中。例如:氮肥中的铵态氮的形式滞留于土中。一方面是残留于土壤中铵态氮经硝化作用产生硝酸盐的过程将释放大量的H­­­­­­­­­­­­­­­+, 即2NH4++3O2(空气)—>2NO2-+2H2O+4H+,2NO2-+O2—>2NO3-;另一方面是磷酸铵、硫酸铵、氯化铵等在植物吸收了养分后也会产生大量H+。而滞留于土壤中的磷肥,因为其磷酸根本身的酸性以及磷酸氢根电离出来的游离酸而引起土壤酸化。磷肥中的磷酸根与Ca2+、Mg2+等多价阳离子形成难溶性的磷酸盐,而这部分盐的电离度会随着土壤pH的降低而增大。而从三个不同地区的土壤pH和铵态氮、速效磷、速效氮的相关性可以看出:三个区域土壤pH与速效磷的相关性都很好。说明导致菜地土壤酸化的主导因素是速效磷。
   
  4.结论与对策


  1)从表4可以看出:1984年彭州水稻土的pH值分布在5.5-7.5之间,平均值为6.4,但到了2009年水稻土的pH值分布在4.4-6.2之间,平均值仅为5.6。这就说明了彭州市蔬菜基地土壤酸化程度还有进一步增加的趋势。
  2)蔬菜基地土壤pH与速效磷呈负相关。随着土壤pH的降低,土壤中速效磷的含量增大。3)在控制菜地土壤酸化的过程中,可以改施缓释肥。缓释肥也称控释肥,就是在化肥颗粒表面包上一层很薄的疏水物质制成包膜化肥。控释肥养分释放机理为:水蒸气透入包膜内,逐渐形成饱和养分溶液,同时包膜被水蒸气膨胀,导致膜上微孔增大,使养分逐渐扩散溶出。它可以对肥料养分释放速度进行调整,根据作物需求释放养分,达到元素供肥强度与作物生理需求的动态平衡。这不仅可以减少肥料施用的次数和数量,还以使营养成分被充分的利用。这些都对减缓土壤酸化又很大的帮助。
  4)增加有机肥的施入,一方面可以防止土壤酸化,另一方面可以改善土壤结构,协调土壤环境。因为有机质腐解后形成的腐殖质胶体能与矿物胶体形成有机无机复合胶体和各种微生物。微生物活动频繁,加剧土壤养分的分解,有利于种植物的生长。


  参考文献
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