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磷石膏矫治酸性黄壤的效应及机制研究

肖厚军  
【摘要】: 黄壤是贵州省面积最大的地带性土壤,面积共738.4万hm~2,占全省土壤总面积的46.4%。pH小于5.5的强酸性黄壤面积占黄壤总面积41.2%,土壤过酸不仅造成作物生长不良、产量下降,还导致土壤中阳离子易于流失,使钾、钙、镁、钼、硼等营养元素缺乏,有毒重金属元素的活化,影响土壤微生物的活性等等。酸性黄壤的酸(铝毒害)和瘦(养分缺乏和有效性低)已成为限制农业生产和影响环境质量的主要因素之一,酸性黄壤的改良培肥利用一直是黄壤资源利用的一个难点。贵州是土地资源匮乏的山区省份,改良利用好宝贵的黄壤资源,对贵州省农业生产的平稳健康发展和粮食安全有着重要影响。施用石灰被认为是改良酸性土壤和消除铝毒较为有效而经典的方法。但也有研究表明,石灰在土壤剖面的移动性很慢,大量或长期施用石灰不仅会引起土壤板结而形成“石灰板结田”,而且易引起土壤钙、钾、镁等元素的平衡失调而导致作物减产。 磷石膏是磷复肥和磷化工行业的副产物,贵州磷石膏资源十分丰富,仅贵州瓮福磷肥厂每年排放的磷石膏就达3Mt。磷石膏因其吸湿性及其它技术原因在建材上未得到广泛应用,我国磷石膏的有效利用率仅10%左右。目前在磷化工企业磷石膏仍以露天堆放为主,既占土地又是潜在环境污染源。有研究表明,磷石膏可以作为酸性土壤改良剂。在贵州若能够就地取材,利用磷石膏改良酸性黄壤旱地,达到增产改土的目的,对减少磷石膏露天堆放带来的环境压力,充分利用磷石膏资源有重要的现实意义。目前关于石灰改良酸性土壤的应用研究较多,但对施用磷石膏矫治酸性黄壤机制的研究报道较少,机制也不很清楚。因此,开展施用磷石膏矫治酸性黄壤的机制研究,对酸性黄壤早地改良培肥,提高黄壤旱地的综合生产能力和磷石膏的资源化利用有理论和实践意义。 本文选用贵州当地资源较丰富的几种含钙工业副产物(磷石膏、黄磷炉渣、粉煤灰),以石灰为对照,证实磷石膏的改良效果好于石灰:采用盆栽、化学分析等方法,比较系统研究效果好于石灰的调理剂--磷石膏对酸性黄壤作物生长、养分平衡的影响和对土壤化学性质的影响,初步摸索磷石膏改良酸性土壤效果优于石灰的原因;采用野外取样、室内分析的方法研究酸性黄壤中铝的含量、形态及影响因素:采用室内培养方法系统研究磷石膏对黄壤铝形态和作物某些内在生理变化的影响,揭示磷石膏矫治酸性黄壤的机制;以国家标准为基准,对磷石膏农用对土壤环境的影响进行评价,为合理利用磷石膏资源改良酸性黄壤提供理论依据。 酸性黄壤调理剂的比较试验结果表明,酸性黄壤施用磷石膏,玉米、小麦产量的增产率达6.9%~12.6%,差异达5%显著水平;施用黄磷炉渣,玉米、小麦产量的增产率为5.4%~6.9%;施粉煤灰的玉米、小麦的增产率为4.0%~5.4%;施石灰玉米、小麦的增产率为2.2%~2.8%,施石灰与对照差异不显著。与石灰相比,施磷石膏、黄磷炉渣、粉煤灰的玉米增产率分别达到4.0%、2.3%和1.2%。施磷石膏的土壤水解氮、有效磷、有效钾比对照显著增加,其中有效磷的增幅最大,几乎是对照的两倍,有效钾的增幅在4种调理剂也居首位;施黄磷炉渣粉的土壤水解氮、有效磷、有效钾也比对照明显增加,但增幅都低于磷石膏,有效磷的增幅明显低于磷石膏;施粉煤灰的土壤有效磷、钾的增幅很小;而施石灰的土壤水解氮、有效磷、有效钾比对照略有下降。很明显,磷石膏的改良效果优于石灰。 黄壤施用磷石膏的盆栽试验结果表明,酸性黄壤施用磷石膏后,作物(高梁)的地上部、根系的主要生物学指标随磷石膏用量增加明显提高,与对照差异达显著水平。高粱株高与磷石膏、石灰的施用量均呈二次曲线变化(回归方程分别为:y_(PG)=14.99+9.39x-0.96x~2,R=0.986;y_L=14.98+7.92x-0.77x~2,R=0.984),高粱干重与磷石膏、石灰的施用量也呈二次曲线变化(回归方程分别为:y_(PG)=6.88+11.92x-1.65x~2,R=0.983;y_L=6.88+6.39x-0.72x~2,R=0.986)。从二组回归方程的一次和二次项系数(b_1和b_2值)来看,磷石膏促进高粱株高、干重增加的速率大大高于石灰。高粱根干重与磷石膏、石灰的施用量也呈二次曲线变化(回归方程分别为:y_(PG)=1.003+2.138x-0.432x~2,R=0.962;y_L=0.917+1.052x-0.332x~2,R=0.989)。磷石膏各处理的高粱植株铝含量极显著下降,氮、磷、钾、钙4种营养元素含量极显著提高,除钙含量外植株氮、磷、钾含量极显著高于施用石灰处理,并以磷含量的提高幅度十分突出(提高117.0%~200.0%),钾含量提高13.0%~14.8%。施磷石膏高粱植株氮、磷、钾、钙的吸收量大于施石灰者,也明显高于对照。 施用磷石膏和石灰降低高粱植株铝含量,亦即降低了铝毒,改善和调节了高粱体内氮、磷、钾、钙养分的平衡。高粱生长最好的施磷石膏处理(PG2和PG3)植株氮/铝、磷/铝、钾/铝、钙/铝比值分别为74.6~77.6,10.5~11.4,56.8~64.3和24.8~30.3,分别是对照植株的1.9~2.0倍,5.8~6.3倍,1.8~2.1倍和2.0~2.5倍。施磷石膏土壤有效磷、钾分别比施石灰提高41.8%~114.2%和59.4%~67.5%。说明磷石膏提高土壤氮、磷、钾、钙有效性的能力强于石灰。对照土壤的交换铝含量最高,施磷石膏、石灰的土壤交换铝有不同程度的下降。施用磷石膏明显提高高粱植株叶绿素含量。SPAD值与磷石膏、石灰施用量呈二次曲线关系。即:y_(PG)=16.37+7.32x-1.75x~2,R=0.981,F=26.87;y_L=16.02+4.06x-0.87x~2,R=0.977,F=10.53。与对照相比,高粱叶片中SOD和CAT活性有随磷石膏、石灰处理施用量增加逐渐提高的趋势。植株中脯氨酸含量分别下降13.6%~34.9%和11.5%~32.1%。表明施磷石膏、石灰可有效改善强酸性黄壤的过酸环境,高粱叶片内活性氧产生与清除的平衡得到保护。 强酸性黄壤的土壤铝形态的研究结果表明,贵州中部黄壤的交换性铝差异很大,变幅为0.005~1.079g/kg,平均值0.326±0.305g/kg(n=20),变异系数93.5%。70%黄壤的交换态铝的含量大于0.2g/kg(即200mg/kg),远高于一般植物对水溶性铝10-20mg/kg(邹邦基,1980)的忍耐限值。黄壤中羟基铝和有机态铝的平均含量分别为1.039±0.353g/kg和0.291±0.064g/kg,只占总铝量2.5%左右,但与交换性铝处于动态平衡中,随着环境条件的不同而发生转化。土壤交换态铝与土壤交换性酸度呈极显著正相关,交换酸=0.212+1.828 Ex-Al(r=0.870**),而与pH呈极显著负相关,pH=5.024—1.828 Ex-Al(r=0.900**)。有机配合态铝的移动性较强,与土壤有机质呈显著正相关,y_(Or-Al)=0.188+0.003 0Ml(r=0.668*)。交换性铝、吸附态羟基铝、有机配合态铝三者之和为活性铝,其总量占总铝3%左右。黄壤中活性铝占总铝的比例高于红壤。因而黄壤中活性铝变化更要引起人们关注。 强酸性黄壤施磷石膏室内培养与分析的研究结果表明,随着磷石膏用量增加,黄壤中交换态铝、羟基铝和活性铝(交换铝、有机态铝和羟基铝三者之和)都下降,其中交换态铝下降43.2%~46.1%,羟基铝下降7.0%~21.1%。交换性铝、羟基铝随磷石膏用量增加而下降的累计变化用抛物线方程拟合最好,相关系数(r)分别达0.979和0.989;有机态铝随磷石膏用量增加而增加的累计变化也是用抛物线方程拟合最好,r=0.988,说明磷石膏施用量以4.5g/kg为宜。交换性铝随培养温度上升而变化的累计量变化在20~30℃区间下降幅度最大。磷石膏发挥矫治作用的时间在施用两个月后最大,4个月后作用减弱,效果显著持续时间在施用磷石膏后2-4月。 磷石膏农用的环境风险评价结果表明,磷石膏5种重金属含量都明显低于两个国家标准(GB8172-87城市垃圾农用控制标准限量值和GB4284—84农用污泥标准)限量值。施用磷石膏后玉米、油菜、花生、小麦的籽粒重金属含量都明显低于国家饲料标准。对土壤中重金属含量增加不十分明显,磷石膏的施用在100--150kg/667m~2范围内不会给土壤和籽实造成二次污染,对人畜安全。 盆栽和培养试验表明,磷石膏含有大量的钙、硫酸根离子以及相当数量的磷酸根离子,这些物质共同对酸性土壤中交换性铝发生代换、络合、沉淀等反应,生成活性较低的氟铝络合物、溶解度很低的磷酸铝盐矿物、硫酸铝盐矿物,从而降低黄壤交换性铝的数量(转化成隋性铝)。这可能是磷石膏改良酸性土壤有别于石灰的机制。


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