黎塘巖溶區鐵錳結核脅迫下土壤溶液的化學特征分析

2014-06-28 10:46:11蘇春田，唐健生，潘曉東，鄒勝章

湖北農業科學 2014年7期

蘇春田，唐健生，潘曉東，鄒勝章

摘要：對黎塘巖溶區鐵錳結核脅迫下土壤溶液化學特征進行了分析。結果表明，與農田灌溉用水相比較，淺層、深層K、Na均表現為減少，Ca、Mg表現為增加，Mg濃度分別是農田灌溉用水的3.98倍、2.36倍，而微量元素濃度表現為顯著減少；主要元素K、Na、Ca、Mg以及微量元素Pb、Cr、Cu淋淀系數小于100%，Fe、Zn、Mn的淋淀系數大于100%；相關分析表明，pH與Fe、Mn含量達到了極顯著正相關，相關系數分別為0.69、0.66，電導率與Fe、Mn含量達到了顯著正相關，相關系數分別為0.47、0.50，氧化還原電位與Fe、Mn含量達到了顯著負相關，相關系數均為-0.52，說明鐵錳結核的形成受pH、電導率、氧化還原電位的影響。

關鍵詞：鐵錳結核；土壤溶液；化學特征；黎塘巖溶區

中圖分類號：S153.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）07-1531-04

Chemical Characteritics of Soil Solution under Fe-Mn Nodules in Litang Karst Area

SU Chun-tian，TANG Jian-sheng，PAN Xiao-dong，ZOU Sheng-zhang

（Institute of Karst Geology/Ministry of Land and Resouces， Key Laboratory of Karst Dynamics of the Guangxi Zhuang Autonomous Region，Guilin 541004，Guangxi，China）

Abstract： The chemical characteritics of soil solution under Fe-Mn nodules in Litang karst area were analyzed. The results showed that compared with water for farmland irrigation， in shallow and deep soil，the contents of K、Na decreased while Ca、Mg increased. The content of Mg were 3.98 times and 2.36 times more than that of water for farmland irrigation. The content of trace element showed significant reduction. Filtering and precipitation of K，Na，Ca，Mg and Pb，Cr，Cu were less than 100%，while Fe，Mn，Zn were more than 100%. The correlation analysis showed that pH had signifinantly positive correlation with Fe，Mn， with the correlation coefficients of 0.69 and 0.66， respectively. Conductivity had significantly positive correlation with Fe、Mn， with the correlation coefficients of 0.47 and 0.50 respectively. Redox potential had significantly negative correlation with Fe、Mn， with the correlation coefficients of both -0.52， showing that there were significant effects of pH，conductivity and redox potential on the formation of Fe-Mn nodules.

Key words： Fe-Mn nodules； soil solution； chemical characteritics； Litang karst area

土壤溶液是土壤中發生化學反應的介質，同時也是土壤與環境間物質交換的載體[1，2]。它將固態養分轉化為液態有效養分，養分元素自巖土進入土壤溶液是養分循環的開端[3]。植物所必需的營養元素主要通過根系從土壤溶液中攝取，土壤溶液是提供作物有效養分的基本途徑，其養分濃度比土壤中有效養分的含量更能反映土壤養分的供應狀

況[2，4，5]。土壤溶液中若離子濃度適宜，則滿足植物生長所需，若某種離子濃度過高，特別是重金屬離子過高，則會對植物產生毒害作用。

鐵錳結核作為土壤重要的新生體，是土壤形成過程中一定時期的產物[6，7]。目前，土壤學界對土壤鐵錳結核的結構、形成機理、微形態特征、元素組成、重金屬吸附等方面已有較多研究。然而研究成果僅僅局限于鐵錳結核本身，缺乏其對環境效應的研究，對鐵錳結核脅迫下土壤溶液化學特征的分析更鮮有報道。作者對黎塘巖溶區土壤鐵錳結核研究發現，它的存在對土壤理化性質及作物生長環境質量影響顯著，尤其是鐵錳結核對土壤中Cr、Zn、Pb、Cu等元素具有強烈的富集效應，對土壤造成一定程度的污染，同時對農作物也產生毒害作用[8-10]。為此，探討土壤溶液的化學特征，以期為抑制鐵錳結核分布區重金屬活性，提高農作物品質提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黎塘鎮位于廣西中部偏南賓陽縣東部，地貌為巖溶平原區，地處東經109°02′-109°18′，北緯23°04′-23°20′，是廣西交通要道，區位優勢明顯。黎塘鎮有豐富的農業資源，農業生產以種植水稻、玉米、甘蔗、蔬菜等作物為主，主要名特優產品有蓮藕、蘿卜、淮山藥、苦瓜等，是全國蓮藕主產區之一，同時也是南寧市高效蔬菜生產黎塘萬畝示范基地，建立蓮藕套種晚稻、苦瓜-茄子-淮山藥、春甜玉米-夏蘿卜-胡蘿卜等高效農業種植示范基地10個。

黎塘鎮屬亞熱帶季風氣候，據賓陽氣象站的觀測資料，多年平均降雨量1 584 mm，4～9月為豐水期，占全年降雨量的77.9%，多年平均蒸發量1631.2 mm，年平均氣溫20.9 ℃，區內太陽輻射強，太陽年輻射總量為1.92×103 kJ/cm2，年平均日照時數為1 316.5 h，年平均無霜期332 d。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤溶液、農田灌溉用水的取樣與測定用土壤溶液取樣器（SPSS 200，法國SDEC公司）收集0～25 cm和25～40 cm的土壤溶液， 0～25 cm處收集7次，25～40 cm處收集11次；農田灌溉用水為地表河水，收集1次。pH、電導率、氧化還原電位現場測定，pH、電導率采用多參數測試儀Multi3410（德國WTW公司）測定，氧化還原電位采用IQ150土壤原位測試儀（美國IQ公司）測定。將土壤水、農田灌溉用水帶回實驗室內進行測試分析，K、Na采用火焰光度法測定，Ca、Mg采用EDTA滴定法測定，微量元素采用ICP原子吸收法測定。

1.2.2 數據處理采用SPSS 13.0軟件進行數據分析，分析項目包括最小值、最大值、平均值和標準差、變異系數。

2 結果與分析

2.1 土壤溶液化學成分含量及變化特征

2.1.1 土壤溶液主要元素含量及變化特征對土壤溶液主要元素含量進行分析（表1）可知，溶液在淺層、深層中均以Ca含量最高，其平均含量分別為57.47、53.84 mg/L，變異系數分別為8.66%、17.19%；其次為Mg，平均含量分別為30.30、17.94 mg/L，變異系數分別為28.72%、24.43%；含量最低的為K，平均含量分別為1.04、0.37 mg/L，變異系數分別為10.49%、11.40%，土壤溶液中主要元素含量大小順序為Ca、Mg、Na、K。

與農田灌溉用水相比較，土壤溶液無論在淺層還是在深層，K、Na均表現為減少，以深層減少幅度最為明顯，Ca表現為增加，但增加幅度較小，Mg表現為增加，淺層、深層分別是農田灌溉用水的3.98倍、2.36倍。

2.1.2 土壤溶液微量元素含量及變化特征對土壤溶液微量元素進行分析（表2）可知，土壤溶液在淺層、深層均以Fe含量最高，平均含量分別為13.87、30.96 μg/L，變異系數分別為13.78%、34.64%；其次為Cr，平均含量分別為9.16、8.92 μg/L，變異系數分別為15.89%、34.44%；淺層溶液含量最少的為Cu，平均含量為0.89 μg/L，變異系數為51.91%，而深層溶液中Pb含量未檢出；土壤溶液微量元素含量淺層大小順序為Fe、Cr、Pb、Zn、Mn、Cu，深層為Fe、Cr、Zn、Mn、Cu、Pb。

與農田灌溉用水相比較，淺層、深層土壤溶液中微量元素濃度明顯減少，淺層溶液以Pb減少幅度最小，其濃度是農田灌溉用水的32.67%，Fe、Mn、Cr、Cu、Zn減少幅度較大；深層溶液Pb未檢出，Mn減少幅度最小，其濃度是農田灌溉用水的17.64%。

2.2 土壤溶液化學元素的垂直變化特征

土壤溶液是直接觀察化學元素在剖面垂直遷移變化的重要依據，其垂直變化規律可以用元素的淋淀系數來表示，若元素淋淀系數大于100%，表示該元素含量增多，易隨土壤溶液遷移而淋失；若元素淋淀系數小于100%，表示該元素含量減少，在土壤中發生淀積[11]。

由表3可知，主要元素中K、Na、Ca、Mg淋淀系數均小于100%，K最小，為35.13%，淋淀系數的大小順序為Na、Ca、Mg、K；微量元素中Pb、Cr、Cu淋淀系數小于100%，但Cr、Cu的淋淀系數接近100%，Fe、Zn、Mn的淋淀系數均大于100%，以Fe、Mn最為突出，分別為223.22%、223.20%，淋淀系數的大小順序為Fe、Mn、Zn、Cr、Cu、Pb。

2.3 土壤溶液pH、電導率、氧化還原電位變化特征

對土壤溶液pH、電導率、氧化還原電位進行分析（表4）可知，土壤溶液在淺層、深層中pH分別為9.17、9.30，變異系數分別為0.75%、0.59%，為堿性；電導率分別為611.86、463.18 μS/cm，變異系數分別為15.55%、20.94%；氧化還原電位分別為84.49、75.91 mV，變異系數分別為8.19%、3.77%。

與農田灌溉用水相比較，淺層、深層土壤溶液pH表現為增大，分別是農田灌溉用水的1.23倍、1.24倍；電導率同樣表現為增大，分別是農田灌溉用水的1.74倍、1.32倍；氧化還原電位表現為減小，分別是農田灌溉用水的88.38%、79.40%。

2.4 土壤溶液pH、電導率、氧化還原電位與Fe、Mn含量的相關性

對土壤溶液pH、電導率、氧化還原電位與Fe、Mn含量的相關分析可知，pH與Fe、Mn含量的相關系數分別為0.69、0.66，達到極顯著正相關；電導率與Fe、Mn含量的相關系數分別為0.47、0.50，達到了顯著正相關；氧化還原電位與Fe、Mn含量的相關系數均為-0.52，達到了顯著負相關。

3 結論與討論

1）K元素是農作物所需的大量營養元素之一，農田灌溉用水進入土壤之后，由于土壤吸附以及農作物的吸收而使溶液中K元素大量減少，Na元素的減少同樣與土壤吸附有關。土壤呼吸釋放CO2，鐵錳結核的存在又增大了呼吸速率，研究區成土母巖為石炭系大塘階的白云巖、白云質灰巖，在巖溶動力系統作用之下，促使碳酸鹽巖溶解而使巖石中Ca、Mg伴隨巖溶作用發生正向遷移而進入土壤溶液中[12]，從而使Ca、Mg表現為增加，尤以Mg增加顯著。鐵錳結核對土壤中微量元素具有強烈的富集效應，同一種微量元素的含量在鐵錳結核中要比土壤中大數倍以上，富集效應使土壤溶液中微量元素濃度明顯低于農田灌溉用水，同時微量元素的減少也與植物的選擇性吸收有關。

2）主要元素K、Na、Ca、Mg以及微量元素Pb、Cr、Cu淋淀系數小于100%，易在土壤中淀積，Fe、Zn、Mn的淋淀系數大于100%，易隨土壤溶液遷移而淋失。

3）巖溶地區低pH的農田灌溉用水進入富鈣偏堿的地球化學背景區后，使土壤溶液pH無論淺層還是深層均增大，呈堿性；土壤溶液電導率高于農田灌溉用水，而淺層溶液又高于深層溶液，說明農田灌溉用水進入土壤之后離子總含量增加；土壤溶液氧化還原電位低于農田灌溉用水，淺層氧化還原電位高于深層。

4）一般認為，鐵錳結核的形成是土壤在漬水條件下，鐵錳氧化物還原成Fe2+、Mn2+，在MnO2的催化下，Fe2+快速氧化并沉積在MnO2表面，土壤進一步變干，周圍活性Fe2+、Mn2+又被氧化沉積在鐵錳氧化物表面，干濕交替，氧化還原反復進行，形成鐵錳聚合體——鐵錳結核[13-15]，氧化還原電位與Fe、Mn含量均表現為顯著負相關，也證明了此點，同時鐵錳結核的形成還受pH、電導率等因素的明顯影響。

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