三峡库区消落带典型土壤铁还原行为对磷释放的影响

摘要

消落带作为库区径流的汇集地带，既有可能成为水体磷汇又有可能成为磷源。受水库周期性的淹没、冲刷、淤积，土壤理化性质不断发生变化，例如pH、Eh、电导率、微生物、有机质等性质将发生一系列变化，铁氧化物是消落带土壤淹水后最易引起化学行为变化的元素之一，而土壤磷的有效性在很大程度上受铁形态转化的制约因此研究氧化铁对消落带磷素化学行为的影响，对于深入了解库区消落带磷素迁移，水体富营养化防治具有重要理论和实践意义。
　　三峡水库消落带存在着一个复杂的反季节干湿交替淹水环境，随着季节的变化，温度、光照随之变化，同时消落带土壤是库区水域生态系统和岸上陆地生态系统的重要交错地带，人类活动与消落带相互作用影响最为频繁与强烈，有机质的积累、分解、转化及光照、温度的变化势必对铁的还原产生重要影响，从而制约磷的迁移与释放。据此，本研究以采自重庆开县和涪陵的库区消落带典型土壤紫色潮土和灰棕紫泥作为研究对象，通过室内模拟实验，探讨温度、光照、腐殖酸处理下，消落带土壤铁还原行为及其对磷释放的影响。结果发现:
　　(1)不同温度（15℃、25℃和35℃）作用下，厌氧淹水培养使两种典型消落带土壤（底泥）中的磷均向上覆水体迁移释放，随着淹水时间的延续，上覆水体中总磷(TP)浓度表现为先增加后逐渐降低，并最终趋于动态平衡的过程。两种土壤均表现为随温度的升高，磷的释放增加，上覆水体中TP浓度增大。紫色潮土60d淹水后土壤悬浮液中有效磷浓度在15℃、25℃和35℃处理下分别达到峰值35.0、48.7和50.3mg/L，灰棕紫泥60d淹水后土壤悬浮液中有效磷浓度15℃、25℃和35℃处理下分别达到峰值49.9、86.4和88.9mg/L，均表现出随着温度的升高土壤悬浮液中有效磷的浓度增大。同时发现淹水土壤悬浮液中有效磷与无机磷各形态之间的相关性主要表现为与铁磷酸盐之间呈显著负相关(p＜0.05，n=14)，与其他几种无机磷形态相关性不显著。可见淹水土壤磷有效性的增加受土壤中铁氧化物影响。
　　温度增加促进了淹水土壤中铁的还原，土壤悬浮液中Fe2+和无定形铁的浓度表现为随温度的升高而增大。采用MINTEQ模型计算不同温度作用下紫色潮土和灰棕紫泥主要铁矿物固相界面的饱和系数(SI)，发现Fe(OH)2胶体、磁铁矿和蓝铁矿在不同温度处理下均从开始就已饱和，其余几种铁矿物主要表现出随温度的升高饱和系数降低。比较不同温度处理下两种土壤Fe2+和无定形铁与有效磷的相关性，发现紫色潮土和灰棕紫泥均表现为随温度的升高二价铁与有效磷的正相关性越来越显著，无定形铁与有效磷的相关性也随着温度的变化而变化，15℃下相关性不显著，25和35℃下达到显著相关(P＜0.05，n=14)。可见温度的升高有利于铁氧化物还原及活化，促进了电子的传递过程。
　　铁还原菌是化能异养微生物，以土壤有机质为其碳源，有机质是土壤中电子的主要来源和有效的络合剂，而CO2和CH4的变化可以表征土壤中有机质的分解过程。在淹水初期，CH4产量较低，以CO2生成为主导，同时发现温度的升高使灰棕紫泥的CO2和CH4最大生成量的时间提前，且25℃和35℃条件下CO2和CH4产量明显高于15℃处理。随着温度的升高土壤有机碳气态转化效率提高，相关性分析表明，铁的还原与CO2和CH4的产量呈显著正相关(P＜0.05，n=14)，进一步证明温度的升高促进有机质的分解，加快电子传递，促进铁的还原，进而引起磷的释放。
　　(2)光照对淹水土壤磷释放存在一定程度的抑制作用，光照条件下紫色潮土和灰棕紫泥淹水后上覆水体中TP浓度达到的最大峰值分别为0.033和0.045mg/L，而避光处理峰值分别达到0.057和0.084mg/L。光照与避光条件下，两种土壤悬浮液中有效磷释放量大小不同，但均表现出避光培养有效磷释放高于光照培养，说明光照抑制淹水土壤磷的活化。淹水土壤中各无机磷形态与有效磷的相关性分析发现，光照作用下紫色潮土中铁结合态磷与有效磷呈显著负相关，避光作用下相关性不显著，这一变化可能是光照抑制磷活化的重要原因。
　　光照作用下铁氧化物的变化为:光照导致土壤中铁矿物饱和程度降低、Fe2+和无定形铁生成受阻。CO2和CH4反映淹水土壤有机质分解情况，光照降低有机碳的气态转化效率，加速土壤中有机电子受体的消耗，降低了对铁氧化物的还原能力。可见光照对淹水土壤磷释放的抑制与淹水土壤中铁还原和有机质分解密切相关。
　　(3)消落带土壤添加外源腐殖质淹水后，未添加外源腐殖质（对照土壤）的上覆水体中TP明显高于添加蒽醌-2，6-二磺酸盐(AQDS)、Adamas土壤腐殖酸(AD-HA)和阿拉丁土壤腐殖酸(AL-FA)处理，而AQDS、AD-HA和AL-FA处理间磷释放差异不显著(p＞0.05，n=14)。紫色潮土AQDS、AD-HA和AL-FA处理在淹水60d后土壤悬浮液中有效磷的浓度分别高出对照处理5.5、8.17和8.43 mg/kg。灰棕紫泥AQDS、AD-HA和AL-FA处理在淹水60d后有效磷的浓度分别高出对照处理5.52、6.99和8.1 mg/kg，可见腐殖质的加入促进了体系中磷的活化。土壤无机磷形态与有效磷之间的相关性分析，发现添加AQDS、AD-HA和AL-FA处理的紫色潮土和灰棕紫泥有效磷与各无机磷形态除铝磷外基本呈负相关，说明腐殖酸的加入促进了各无机磷形态向有效磷的转换。发现外源腐殖酸的加入改变了主要由铁磷变化引起磷释放的机制。
　　两种土壤对照试验淹水过程中Fe2+和无定形铁均呈先上升后降低的趋势， AQDS、AD-HA和AL-FA处理淹水过程中Fe2+和无定形铁变化不明显，表明腐殖质的加入抑制了铁的还原和活化。MINTEQ模型计算的淹水土壤中几种主要铁矿物固相界面的饱和系数，Fe(OH)2胶体、磁铁矿和蓝铁矿在添加外源腐殖质处理下均从开始就已饱和，其余几种铁矿物主要表现出AQDS、AD-HA和AL-FA处理的饱和系数(SI)高于对照处理。比较不同处理下两种土壤Fe2+和无定形铁与有效磷磷的相关性，发现紫色潮土和灰棕紫泥AQDS、AD-HA和AL-FA处理无定形铁与有效磷的负相关，进一步证实腐殖酸抑制无定形铁的生成，减少了无定形铁对磷的吸附。腐殖酸的加入使铁的还原受到抑制，而土壤中有效磷依旧增加，表明该过程中磷的释放源于铁还原以外的其他机制。
　　有机质的转化和铁氧化物的转化密切相关，CO2和CH4的变化反映整个体系中厌氧环境演化过程，两种土壤对照处理CO2浓度从淹水第3d开始远远高于AQDS、AD-HA和AL-FA处理，紫色潮土对照处理及添加AQDS、AD-HA和AL-FA处理淹水过程中CH4的生成在前30d均受到抑制，但30d后对照处理开始快速增长，增长率达到306.8％，在40d达到峰值781.7nmol/L后快速下降，而AQDS、AD-HA和AL-FA处理的紫色潮土的CH4整个淹水过程中增长缓慢。60d淹水过程中CO2/CH4均大于1，表明在这个过程中腐殖酸主要作为电子受体存在。紫色潮土和灰棕紫泥的无定形铁与CH4呈负相关，与CO2呈正相关，无定形铁抑制CH4的形成。同时发现紫色潮土和灰棕紫泥AQDS、AD-HA和AL-FA处理Fe2+和CO2呈负相关，AQDS、AD-HA和AL-FA处理下腐殖酸较Fe3+更易作为电子受体，从而铁的还原受到抑制。对于腐殖酸的加入抑制铁还原、促进磷释放的具体机制还有待进一步研究。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 文献综述

1．1 沉积物磷的化学行为

1．1．1 沉积物中磷的存在形态及活性

1．1．2 土壤无机磷形态

1．1．3 土壤中磷迁移释放的影响因素

1．2 土壤中的铁氧化物及其转化

1．2．1 土壤氧化铁的类型

1．2．2 土壤氧化铁的转化

1．2．3 影响氧化铁还原的因素

1．2．3 氧化铁的存在及转化对磷释放的影响

1．3 三峡库区消落带土壤磷释放研究进展及意义

1．3．1 三峡库区消落带土壤磷释放研究进展

1．3．2 三峡库区消落带土壤磷释放研究意义

第2章 引言

2．1 立题背景

2．2 研究目标

2．3 研究内容

2．3．1 温度对消落带土壤淹水过程磷释放的影响

2．3．2 光照对消落带土壤淹水过程磷释放的影响

2．3．3 腐殖质对消落带土壤淹水过程磷释放的影响

2．4 技术路线

第3章 材料与方法

3．1 试验材料

3．1．1 供试土样

3．1．2 供试腐殖质

3．1．3 不同腐殖酸处理土壤的制备

3．1．4 试剂和仪器

3．2 试验方法

3．2．1 温度对消落带土壤淹水过程磷释放的影响

3．2．2 光照对消落带土壤淹水过程磷释放的影响

3．2．3 腐殖质对消落带土壤淹水过程磷释放的影响

3．3 样品的测定

3．3．1 土样测定

3．3．2 水样测定

3．3．3 气样测定

3．4 数据处理

第4章 温度对消落带土壤淹水过程磷释放的影响

4．1 不同温度对消落带土壤磷释放的影响

4．2 不同温度对消落带土壤铁还原的影响

4．3 不同温度对消落带土壤CO2和CH4产生的影响

4．4 小结

第5章 光照对消落带土壤淹水过程磷释放的影响

5．1 光照对消落带土壤磷释放的影响

5．2 光照对消落带土壤铁还原的影响

5．3 光照对消落带土壤CO2和CH4产生的影响

5．4 小结

第6章 腐殖质对消落带土壤淹水过程磷释放的影响

6．1 腐殖质对消落带土壤磷释放的影响

6．2 腐殖质对消落带土壤铁还原的影响

6．3 腐殖质对消落带土壤CO2和CH4产生的影响

6．4 小结

第7章 结论

参考文献

致谢

在校期间参与的课题及发表论文情况