文摘

农业排水沟渠可以提供高负载的磷(P)地表水。安装滤波器结构包含P吸附材料(psm),包括石膏,是一个新兴的实践,表明承诺减少这些P负荷。本研究的目的是评估效果与石膏土壤改良剂对土壤P浓度和形式在实验室孵化实验。石膏饱和与P两个层次,并将其应用于粉砂壤土和砂壤土两个利率。处理土壤中孵化实验室25°C,和样本收集八0到183之间的日期天后修正案。花石膏应用程序没有显著增加土壤可以水萃取或Mehlich 3 P在典型应用农艺率。这似乎是一个可行的策略,将P从农业排水水但似乎并不提供任何额外的肥料P值。

1。介绍

富营养化的切萨皮克湾已被确定为优先考虑自然资源问题(1]。根据切萨皮克湾项目流域模型阶段4.3农业资源占总磷的45% (P)交付给切萨皮克湾(2]。德玛瓦半岛半岛由马里兰州的东海岸的九个县,Accomack北安普敦郡在弗吉尼亚,特拉华州的状态。德玛瓦半岛半岛是一个大型家禽生产的集中,导致地区剩余磷(P)。在过去,家禽粪便土地应用基于作物氮(N)的要求。然而,因为P: N比粪便中发现远远高于P: N比所需的植物,过度P程序发生导致土壤P浓度升高(3]。德玛瓦半岛半岛的下半部分是由粗纹理的土壤,浅层地下水表、和农业排水沟渠。地下水磷浸出是大大增加与有限能力保留P砂质土壤,在土壤磷饱和度高,在排水沟渠的土壤优先流路径(包含4]。这种水文和农业实践的结合导致了P加载通过浅地下通道和地表水环境质量问题(5]。

一个可能的方法来减少磷损失是使用材料,副产品可以吸附磷(6]。磷吸附过程的吸附和沉淀溶解的固体形式的P (7]。磷吸附材料(psm)可以提供一个衬底化学固定通过降水发生金属吸附到金属氧化物或氢氧化物。磷吸附材料可直接应用于土壤和肥料,广播在水沟里,或用于材料结构(8]。目前,流过过滤器结构,利用烟气脱硫副产品石膏(FGDG;卡索₄·2 h₂O),正在评估农业排水沟渠较低的德玛瓦半岛半岛(7- - - - - -9]。

psm的好处移除或减少磷进入下游水道是有据可查的6,9- - - - - -12]。土地应用石膏也有可能改善土壤物理性质,减轻表面结壳和压实,增加水的渗透和容量,提高总体稳定,和减少水径流和侵蚀当土地应用(13]。在高度风化的土壤和酸性土壤的典型德玛瓦半岛半岛,美国石膏改善下层土壤物理性质通过增加肥性总量和改善生根条件(14,15]。然而,对P的可用性land-applied FGDG取自花现场沟滤波器结构。因此,实验室孵化研究模仿野战条件可能会发生在花从沟里FGDG过滤器的应用。本研究的目的是确定在实验室条件下的影响应用FGDG添加P海岸平原土壤对土壤P浓度和溶解性。

2。材料和方法

2.1。土壤培养研究

土壤研究开始孵化的影响来确定和比较添加phosphorus-saturated FGDG对土壤化学性质。治疗方法包括两种土壤类型(粉砂壤土和砂壤土),两个石膏利率(高速率和低利率),两个石膏P饱和率(确定FGDG吸附最大的25%和75%;详情见下文),和七个样品日期。治疗被分配在两个(土壤类型)两个(FGDG率)2 (P), 7(抽样日期)阶乘设计,导致56治疗组合。每个治疗组合随机分配在四个孵化器,与每一个孵化器作为一个块。被使用的孵化器VWR科学模型2020低温孵化器设定在25°C。

砂壤土和粉砂壤土土壤样本采集前12英寸的土壤从马里兰州的东部海岸。网站有肥料的应用程序,但由于相对较低的背景选择P浓度。砂壤土是Galestown硅质,介子的Psammentic Hapludult,和收集的边缘种植场坐落在弗吉尼亚州匡提科,医学博士,美国种植玉米时收集。粉砂壤土是Mattapex fine-silty、混合、活跃,介子的Aquic Hapludult和收集从种植场的边缘位于Chestertown,医学博士,美国大豆种植在收集的时候。土壤分类确定基于USDA-NRCS土壤调查信息编译Web上的土壤调查(网上http://websoilsurvey.nrcs.usda.gov/app/HomePage.htm,2011年10月5日)进行验证。

土壤风干约20°C,地面通过一个20毫米线屏幕,然后200克(干重)的土壤添加到塑料杯。每个杯子都有四个3.97毫米的雷管孔钻的盖子,让空气交换。修正案之前,进行预培养,每个杯子被带到一个水分含量相当于田间持水量的70% (1625°C)和孵化出了14天。除了上述治疗组合,每一块有一个杯子为每个土壤总杯(8)放在预孵化。这些样本分析天0,修正案之前,确定pH值,有机质(OM) Mehlich 3 P (M3P)和水可榨出的P (WEP)建立基线条件(表1)。下面的分析方法。

为了确定P的数量增加的石膏孵化研究中,进行了吸附等温线。石膏脱水和渗(2毫米)和2 g的样本也加入50毫升离心管。磷的解决方案是在12浓度(0、1、5、10、50、100、800、1600、2400、3200、6400、10000毫克P L⁻¹使用KH)₂阿宝₄和去离子水。四管FGDG修改了30毫升的解决方案在每个浓度共有48个管。P解决方案和土壤的反应在一个立式圆筒形瓶为24小时。然后他们被离心机在1163×0.45 G和过滤μm过滤器。分析了浮在表面的总溶解磷使用电感耦合plasma-optical发射光谱学(ICP-OES)。这个过程重复三次。吸附曲线是由策划的和P吸附在四个连续的吸附实验和初始P浓度的解决方案(图1)。在这一点上累积曲线(图1)平稳假设代表吸附最大的潜力。在吸附最大,大约24.7毫克g⁻¹P是这些初始P浓度的2400毫克L⁻¹。P吸附的数量在25和75%的最大近似为6.25 g和18.75毫克⁻¹,要求初始P浓度的550和1550毫克L⁻¹。

FGDG是来自美国石膏公司在巴尔的摩,MD,分成8批次5加仑桶。利用等温吸附线的数据,材料与P达到饱和所需的25 - 75%的水平。磷的解决方案在初始P浓度的550和1550毫克L⁻¹被使用去离子水和KH做好准备了吗₂阿宝₄。为了P浸透了石膏,200克550毫克的石膏和3.0 L P L⁻¹solutionwere耐尔根酸瓶混合,放置在往复振动器,并允许24小时做出反应。一个额外的200克1550毫克的石膏和3.0 L P L⁻¹solutionweremixed耐尔根酸瓶和混合相同的时间。反应完成后,多余的解决方案是将石膏被允许空气干燥。

完成pre-incubation后,土壤被修改的高、低磷石膏资源在两个利率,5.6和22.4毫克公顷⁻¹,假设2244毫克公顷⁻¹的土壤。两个级别的P饱和率和两个FGDG导致四个处理组合:低磷、低石膏(LP-LG),高P和低石膏(HP-LG)、低磷、高石膏(LP-HG)和高P和石膏(HP-HG)。结果P和Ca应用利率与每个治疗组合展示在表相关联2。修改后,杯子被返回到孵化器(25°C)。在孵化研究,样本的重量每7天,足够去离子水添加维护的含水率在70%田间持水量。28杯是狼狈地采样1,7日,63,91,119,183天后修正案。删除时,样本在60°C烘干的24小时之前,用2毫米筛已筛样品分析。所有样本分析WEP和M3P。为每个分析方法详细介绍如下。

2.2。实验室分析

可以水萃取P是由2 g的干重和土壤渗到50毫升离心管和去离子水添加20毫升。管被放置在他们一边在低速往复式瓶,动摇了一小时。管被离心机在1163×0.45 G 15分钟然后立即透过μ使用微孔过滤器过滤装置。Phosphate-P决心采用钼蓝法在Lachat QuikChem 8500流动注射分析系统(哈希公司Loveland有限公司)方法,墨菲和莱利17]。Mehlich 3 P是由震动2.5 g的土壤与25毫升Mehlich 3解决方案(0.2 CH₃NH羧基,0.25米₄没有₃0.015米,HNO₃,0.001 EDTA) 50毫升离心管五分钟在一个往复振动器(18]。确定pH值,10 g干和土壤渗重与10毫升的样品杯去离子水达到1:1卷:体积比。混合物是用玻璃棒搅拌达到均匀的浆,然后可以坐15分钟,然后再次搅拌。他们坐在另一个15分钟,测量pH值使用梅特勒-托利多InLab专家Pro pH值和梅特勒-托利多InLab 731 EC探针和仪表。土壤有机质(OM)基准样本是由强热失量(19]。

2.3。统计分析

统计数据进行了使用SAS 9.1版本。虽然实验设计是一个随机不完全区组设计,研究结果分析随机完全区组设计(背景样本统计分析,但表示不考虑比较)为了避免使用对比语句。孵化器作为块,块被视为一个随机因素。由于背景土壤类型之间存在较大的差异(砂质壤土和粉砂壤土)之间的差异,对于一些分析数据是根据土壤类型和土壤分类分别被认为是。Proc混合使用作为数据分析、模型。图基的多个意思比较测试被用于制造的成对比较(20.]。显著差异意味着决心。

3所示。结果

3.1。石膏率和时间对土壤pH值的影响

土壤pH值测量修正和也许土壤1天,7,和119年的孵化。有显著石膏率和土壤之间的相互作用以及时间和土壤类型()土壤pH值,但P饱和水平没有显著影响土壤博士砂壤土表现出显著降低pH值比粉砂壤土(4.30)(6.13)土壤在所有时间和石膏。当平均P饱和度和石膏,砂壤土的pH值下降后随着时间的推移修正案从4.39到4.21,而粉砂壤土pH值增加从6.12到6.15(表4)。像时间修改后,石膏率对土壤pH值有显著的影响,但只有土壤砂质壤土。当平均P饱和度和时间,更高的砂质壤土土修改石膏(22.4毫克公顷⁻¹)pH值(4.44)明显高于那些修改速度较低(4.15)。粉砂壤土土壤的pH值在石膏率统计上高于砂壤土土壤的pH值,但两者之间没有发现统计学差异率在粉砂壤土(表中4)。显然,细粉砂壤土的质地和有机质含量高缓冲最好对pH值的变化由于石膏比土壤砂质壤土。

3.2。石膏和磷速率对土壤P浓度的影响

统计分析表明,土壤WEP和M3P有显著交互作用()P饱和度和石膏率之间的关系。这将会为这两个治疗因素的组合导致四个不同磷(表2)。因此,意味着在P饱和度和石膏。然而,由于时间和土壤类型没有与P程序率(即交互。,combination of gypsum rate and saturation level), the means across time and soil type are presented. Soil WEP ranged from 4.5 to 20.8 mg kg⁻¹所有日期和治疗。HP-LG, LP-LG LP-HG治疗组合所有生产统计类似土壤WEP浓度意味着随着时间的推移,土壤类型为4.5,7.1和6.6毫克公斤⁻¹分别为(表2)。HP-HG治疗导致了WEP浓度显著升高(20.8毫克公斤⁻¹比其他三个处理组合)。虽然不是评估统计,后台WEP平均浓度(没有处理增加了土壤)在土壤类型是6.5毫克公斤⁻¹和似乎类似于所有但HP-HG治疗。

趋势P饱和度的影响和石膏率M3-P浓度是类似于WEP浓度的变化。土壤M3-P从61.9毫克公斤不等⁻¹117.3毫克公斤⁻¹平均超过所有日期和治疗。看到WEP, HP-HG治疗组合导致显著高于土壤M3P浓度(117.3毫克公斤⁻¹比其他三个治疗)。HP-LG和LP-HG治疗组合产生统计上类似的土壤M3-P浓度意味着随着时间的推移,土壤类型为70.4毫克公斤⁻¹和76.2毫克公斤⁻¹分别。然而,这些治疗在统计学上高于LP-LG治疗组合(61.9毫克公斤⁻¹)。虽然不是评估统计,平均背景土壤M3P(平均土壤类型)是46.5毫克公斤⁻¹,低于任何土壤与石膏修改。在马里兰州,土壤试验P被认为是最佳(没有产生响应将P化肥)44 - 93毫克公斤⁻¹M3P [21,22]。因此,只有应用程序P率最高达到HP-HG治疗导致土壤P浓度测试,被定义为“过度”在马里兰的土壤测试的类别。

总P应用通过四个处理组合对土壤WEP和M3-P显性效应。添加到土壤总P率35岁,105年,140和420公斤公顷⁻¹与LP-LG HP-LG LP-HG,分别和HP-HG治疗(表2)。显著,P添加HP-HG治疗,显著提高土壤M-3P和证明的WEP浓度。三个低磷土壤WEP浓度导致统计相似。虽然没有统计比较可以,这些浓度相似背景土壤P浓度可以水萃取的修正案。这些结果表明,添加低P,饱和石膏和低利率的高P,饱和石膏没有添加足够的WEP P大幅度增加。事实上,应用低P饱和石膏,HG和LG石膏利率,实际上降低了土壤可以水萃取的P(表相对于背景条件2)。很可能Ca加上P,饱和石膏可用在足够的数量与原土壤P和反应从土壤中吸收额外的P的解决方案。LP-LG和LP-HG治疗组合的摩尔比率为26.7:1 (Ca: P)和只有8.9:1 HP-LG和HP-HG治疗。

水萃取的结果反映了M3-P结果除了M3-P浓度大多是一个函数的P添加每个治疗组合。见表2HP-LG(105公斤公顷⁻¹ha)和LP-HG(140公斤⁻¹)治疗增加了非常相似的P,而HP-HG公顷(420公斤⁻¹添加更多的P和LP-LG)治疗(35公斤公顷⁻¹)添加大大低于其他三个治疗。同样,P添加之间有很强的相关性和M3-P浓度()。最后,M3-P提取显示增加土壤P浓度相对于背景土壤在应用程序在所有处理组合。因此,我们可以得出结论M3提取显然是更有效地提取P的石膏的水萃取相比三P利率下降并没有显示的增加可以水萃取P或者背景水平相比略有下降。这可能是由于这一事实M3提取溶液酸性和有效地溶解钙磷酸盐,占主导地位的P形式中找到修改石膏(11]。

3.3。土壤类型和时间对土壤P浓度的影响

土壤类型和时间有显著的交互作用(),表明时间并不影响WEP和M3P浓度相同的土壤类型。因此,时间和土壤类型对土壤的主要影响WEP和M3P,所有P饱和度平均水平和石膏的应用程序。在砂壤土土土壤WEP浓度从17.8毫克公斤不等⁻¹9.1毫克公斤⁻¹和12.8毫克公斤⁻¹4.6毫克公斤⁻¹在粉砂壤土(表样本3)。对土壤类型、土壤初始浓度WEP(第一天)显著高于最后土壤WEP浓度(183天)。比WEP Mehlich 3 P表现略有不同。而不是减少不断随着时间的推移,最初增加,然后逐渐减少。在粉砂壤土M3-P范围从50.0(183天)到107.2毫克公斤⁻¹(63天),在砂壤土M3P范围从57.6(7天)到127.1毫克公斤⁻¹(一天91,表3)。

粉砂壤土土壤缓冲能力高于砂质壤土。这个表中可以看到3P应用程序有一个更大的影响比粉砂壤土、砂壤土显著增加WEP浓度相对于也许土壤。这可以归因于较高的粘土和淤泥的内容,因此更大的表面积P保留在粉砂壤土和砂质壤土。此外,高P缓冲容量和低P饱和粉砂壤土的允许浓度回到接近背景水平可以水萃取的P和M3-P相比,砂质壤土。

比较的WEP和M3P的趋势(表3)表明,P之间移动不同的P池孵化期间的研究。WEP浓度达到峰值后几乎立即P应用程序,可能反映出可溶性无机P与饱和石膏应用。相反,M3-P浓度随时间逐渐增加,达到峰值63天(粉砂壤土)和91(砂质壤土),然后逐渐降低浓度附近那些也许土壤中发现的。可以水萃取的P,这可能是由无机P,很快就减少了通过土壤中的吸附过程或微生物固定化。显然与石膏的P添加量相对小的池M3P已经存在于土壤浓度仅略高于背景P浓度增加。M3P看到修改的土壤也看到的也许表明土壤的变化随着时间的推移,更有可能与土壤微生物活动而不是石膏和P的应用程序。从根本上说,这些数据表明,随着时间的推移,土壤可以解决(通过化学或微生物过程)的大部分P添加与饱和石膏应用利率用于这项研究。然而,细纹理较高的土壤P缓冲能力能更好地吸收这添加P。

4所示。讨论

本研究的目的是确定什么影响石膏饱和与P对土壤P形式和浓度。这是作为一个初步设计,实验室实验确定了石膏,这已经从一个农业沟过滤器,可以应用在不增加土地的风险从修正土壤P径流损失。此外,它是假设这样的花石膏可以用作肥料P源。然而,有很多变量场条件下影响P的释放。因此,应该进行进一步的实地调查研究,在此基础上工作,评估潜在的工厂可用性和环境影响的土地从沟里了石膏的应用过滤器。不太可能石膏从农业排水过滤器会P浓度高达评估在这个研究。因此,在这项研究中使用的石膏应该提供一个更大的潜在风险或有更大的作为肥料比什么领域。Kleinman et al。23)评估沟渠于马里兰州的东部海岸,发现沟水P浓度范围从0.51到6.17毫克L⁻¹总P .相比之下,P浓度的解决方案用于飙升石膏在这项研究中550和1550毫克P L⁻¹分别为低和高P饱和水平。因此,在这项研究中使用的材料是含有更高的P浓度的溶液反应。即使使用的高P饱和度水平在这项研究中,当应用于实际现场应用5.6毫克公顷⁻¹没有明显差异,P之间提取P的饱和水平。因此,应用“花”石膏以典型的修正案的利率似乎不会导致任何有害的水质影响。事实上,土壤改良剂与飙升石膏导致WEP或M3-P浓度的变化不大,但总P程序率最高(HP-HG)相对于背景土壤P浓度。

目前的实验室研究表明,可能会有一些潜在的增加土壤M3-P浓度通过土地花了石膏的应用。然而,时间的应用程序允许P进入不稳定池需要占。在这项研究中使用的磷可能是远高于在什么领域,只有最高水平足以移动土壤测试每马里兰建议[P更高的解释范畴21]。进一步的研究需要,使用实际花了石膏与现实的P饱和水平,来确定实际的肥料价值。

总之,因为花了石膏的应用从土壤沟过滤似乎没有增加WEP或土壤测试的解释排名P (M3P),这并不表示土地的应用了石膏将增加相对环境风险或提供任何肥料P值,特别是在P浓度预计将在现实世界中找到。看来P被石膏过滤器实际上是被困在,而不溶性形式。因此,P的去除农业排水用石膏和随后的土地实际上应用程序迁移土壤P从土壤相对移动池,随后失去了作为径流或地下流溶解P,稳定土壤P池不太可能了,即使它是应用同一领域。此外,花了石膏的应用高P土壤可能进一步减少损失通过删除从土壤中可溶性P的解决方案。考虑时间和土壤类型的应用程序是很重要的在确定的环境和农艺应用了材料的影响。这项研究的结果表明,当应用作为土壤改良剂;花石膏将保留其P,呈现小的风险失去P地表径流。然而,它似乎没有一个可行的肥料来源除了在P饱和度和应用率最高,不太可能在农艺设置。作者再次强调,应进行现场评价确认这些实验室的发现。

缩写

ICP-OES:	电感耦合plasma-optical发射光谱学
M3P:	Mehlich 3铝,铁,磷,分别
WEP:	可以水萃取磷。

确认

这个项目的部分资金由USDA-NRCS保护创新格兰特(奖号码nrc 69 - 3 - a75 7 - 116)。此外,作者希望送给Bahram侯博士特别感谢他的指导数据的统计分析。