分布可用硅的火山灰土壤在济州岛

文摘

在土壤中,溶解硅(Si)吸附在土壤颗粒或通过土壤剖面会渗透到地下水。Andisols可能发挥重要作用导致地下水高溶解硅浓度在济州岛,韩国。在这项研究中,我们评估可用的Si的内容可能会影响地下水组成和研究之间的关系可用硅含量和化学性质在济州岛火山灰土。我们使用了1米醋酸钠缓冲(pH值4.0)中提取可用的Si。选择化学性质测定290份土壤样本收集来自不同土地在济州岛网站,我们分析了有效硅含量韩国济州岛的单个土体典型化和大陆。济州岛表层土壤有效硅含量的范围从75到150毫克公斤⁻¹可用,如果内容Andisols果园和草原上显著高于non-Andisols。可用的Si内容高度相关的大量的草酸可榨出的硅,铝,铁Andisols Al负相关_p/铝_o比率。随着海拔的升高,我们检测到可用的Si和减少水铝英石Andisols内容,而Al-humus复合物随着海拔高度的增加而增加。有效硅的比率最低的底土/表层土增加到一个值为6.0,表明存在大量可用的Si底土。可用的Si含量最低的底土的Andisols济州岛是10倍的单个土体典型化朝鲜内地。相比之下,没有可用的Si含量差异的表土和底土单个土体典型化一系列济州岛和大陆non-Andisols由于成土的过程的差异。总的来说,我们的研究结果表明,风化的Andisols济州岛潜在影响硅浓度地下水。

1。介绍

济州岛(33°06′-34°00′纬度和经度126°08年′-126°58′)位于首尔以南450公里,韩国的首都。它是韩国最大的火山岛(75×32公里)(1]。济州岛的火山活动进展从1.88 Ma全新世。岛是由积累层熔岩流和火成碎屑材料从多色的复合火山爆发的身体周围山Hallasan和超过360无性生殖的火山2- - - - - -4]。济州岛的主要母质的土壤是玄武岩,而一些土壤起源于粗面岩和粗面安山岩(5]。

济州岛的气候是温和的海洋性气候,年平均气温15°C。几乎没有东部和西部地区之间的温差,虽然随着海拔高度每增加100米,年平均气温下降的0.6 - -0.8°C (6,7]。的年平均降雨雪Seongsan东海岸和西归浦市南部海岸的1967毫米和1923毫米,分别由420 - 830毫米高1143毫米和1498毫米在Gosan西海岸和济州岛北部海岸,分别为(8]。此外,随着海拔高度每增加100人,年均降水增加100 - 250毫米,年平均降水Hallasan山超过4000毫米(7]。

硅(Si)是溶解monosilicic酸(H₄SiO₄由矿物风化()9]。溶解硅吸收土壤中植物和淋滤Si是经由河流向大海。然而,济州岛没有永久的小溪或河流因为土壤和岩石的渗透性高(玄武岩和粗面岩)(3,4]。因此,溶解Si很容易通过火山碎屑物质会渗透到地下水。如果浓度的平均价值在济州岛的地下水是33.6毫克SiO₂l⁻¹(最大63毫克SiO₂l⁻¹),这是1.8倍19.2毫克SiO的中值₂l⁻¹朝鲜内地生产的瓶装矿泉水(10,11]。在水中高浓度的硅,高浓度的钙和钾,一起被认为是改善味道和健康有一定益处12]。在济州岛,大部分地下水来源的饮用水是(4,7),如果占超过80%的选民认为有助于其可取的味道(10]。饮用水中,许多研究人员报道,如果不仅是有效预防阿尔茨海默病通过抑制铝在人体内的吸收,但也有antiarteriosclerosis效果,提高骨形成,减少胆固醇(13- - - - - -17]。因此,重要的是要确定硅源流入地下水在济州岛。

尽管济州岛的土壤是起源于basalt-based火山爆发、土壤的特点可以取决于气候、植被、地形、和代年龄(18]。大约80%的土壤在济州岛Andisols。沿着西部和北部海岸以及济州岛mid-mountainous地区降水相对较少,non-Andisol类型的土壤主要是(19]。的主要组件Andisols水铝英石Al-humus复合物,而主要矿物组成non-Andisol硅酸盐粘土(20.,21]。

火山灰土壤具有溶解度高硅,铝,铁,归因于火山碎屑物质的快速风化。下温和潮湿的气候,丰富的有机来源,艾尔最初与有机物结合形成Al-humus复合物,这就增加了硅溶解在土壤溶液中的浓度。溶解硅形式或乳白色的渗硅,这与聚合铝结合形成变体(22,23]。如果不溶解形成水铝英石硅酸盐粘土矿物持续弱保税园区在土壤或将被运送到地下水雨水的向下运动。

根据公园(24),执行分级量化的Si在济州岛的土壤使用Si顺序提取法由皮质et al。25],Andisols包含低比例的Si的比例明显高于主要和次要矿物,但如果由水铝英石、这是一个糟糕的水晶铝硅酸盐,吸附Si和可溶性硅,相比之下,在朝鲜大陆non-Andisol土壤和土壤。这种倾向更明显地区Andisols高降水的特征。鉴于Andisols包含高含量或比例的可溶性硅或随时可以随着Si,预计可溶硅将在未来持续淋溶,从而增加了地下水Si含量。

如果吸附的土壤有效硅,它发生在一个溶性和可交换的形式,可以使用植物(26,27]。作为植物的关键因素,如果在稻田土壤的可用性是定期分析和管理。相比之下,目前没有相关分析数据可用的Si在济州岛的土壤。然而,在日本的火山灰土壤在高地地区(28和菲律宾的森林土壤29日],它源于火山碎屑材料类似于父材料济州岛的土壤,可用如果内容被发现150毫克公斤⁻¹或更高版本,这是高于土壤来自花岗岩中的内容。

在这项研究中,我们试图确定高硅含量的因素在济州岛的地下水。为此,我们收集了290高地的表层土壤样本,果园,草原和森林站点在济州岛和检查可用硅的分布模式。此外,使用分层技术样本,我们比较土壤有效硅的分布特征在191年一系列代表土壤从朝鲜内地和27个土系来自济州岛的代表性的土壤。

2。材料和方法

2.1。土壤采样

表层土(0-20厘米)样本收集在济州岛(图290个站点1)。抽样地点包括195网站耕地(144样品的旱地土壤和51的柑橘果园土壤样品)和95网站不文明的土地(75样品的草原土壤和20的林地土壤样品)。样品被分成Andisols non-Andisols。鉴于地区Andisols占80%以上的济州岛,Andisol样本的数量相应地比non-Andisol样本。我们没有收集non-Andisols在森林地区有一些例子non-Andisols在这些地区,位于高海拔在济州岛。收集到的土壤被风干,通过2毫米筛子之前被用于分析。比较和分析的分层技术有效硅含量代表从济州岛和朝鲜内地土系列,我们准备20土系列为non-Andisols Andisols和7(4为湿润软土和三个)来自济州岛的土壤。对于朝鲜内地土壤,我们准备34湿润土系列,26个新成土,97年始成,34个老成土。因此,总的来说,我们从逐层分析可用Si 219土壤系列的样品,代表超过50%的总405韩国土系列18]。

2.2。土壤分析

硅酸盐的内容可以很容易运输在济州岛的土壤地下水储量评估的可用如果可以通过植物的土壤中,使用1 N醋酸钠缓冲提取方法。有效硅含量进行了分析通过提取5 g的土壤1 N (pH值4.0)乙酸钠缓冲溶液,然后测量吸光度的渗滤液在700 nm使用Lambda 25紫外线/ V是谱仪(美国PerkinElmer) [27]。

土壤化学分析进行评估土壤有效硅含量之间的相关性和化学性质。土壤pH值测量使用一个猎户星A211酸度计(英国热科学)与蒸馏水混合土壤1:5比然后颤抖。分析了有机质含量使用Walkley和黑色的方法。可交换阳离子分析使用1 M醋酸铵(pH值7.0)方法(27]。决定的氟化钠(氟化钠)磷酸pH值和保留,并依法进行选择性萃取土壤调查实验室方法手册(30.]。氟化钠的pH值,50毫升1 N氟化钠溶液加入1 g的土壤和样品都惊动了pH电极。pH值测量后2分钟。保留磷酸盐的测定,25毫升1000 mg·L⁻¹土壤P的解决方案是添加到5克,动摇了24 h,离心机。P的内容上层清液使用Lambda 25 UV / Vis量化谱仪(美国PerkinElmer)和土壤吸附的量表示为一个百分比。铝(Al_p)和铁(Fe_p),这与有机质形成复合物,提取了16 h使用0.1焦磷酸钠溶液pH值(10)。硅(Si_o)、铝(Al_o)和铁(Fe_o),它包括铝(铁)腐殖质复合物,无定形铝的氢氧化物和铁、水铝英石和水铁矿,提取使用0.2米草酸铵溶液(pH值3.0)4小时在黑暗中。提取的解决方案都是离心机,与蒸馏水稀释过滤解决方案,使用电感耦合等离子体发射光谱进行测量(司法院138 Ultrace Jobin Yvon)。水铝英石内容计算使用以下方程:100×Si_o/ {−5.1 [(Al_o−艾尔_p)/ Si_o)+ 23.4}(31日]。

2.3。数据分析

作为有效硅含量的结果并没有显示出正态分布和暗色土壤属性,我们使用非参数方法分析了数据。可用Andisols Si含量差异及non-Andisols使用Mann-Whitney根据土地利用进行了比较U测试。克鲁斯卡尔-沃利斯单向方差分析的排名数据进行有效硅含量根据海拔高度。事后分析elevation-related差异,数据被转换为等级变量和使用图基HSD测试确定统计学意义。有效硅含量之间的相关性和选定的火山灰土壤的主要属性是使用斯皮尔曼等级相关系数来评价。所有使用SPSS 18.0统计分析(SPSS Inc .芝加哥,美国)水平的意义。

3所示。结果与讨论

3.1。土壤有效硅含量的济州岛

图2显示可用的频率和地区分布Si含量290份土壤样本收集的火山灰土壤在济州岛。的平均和范围有效硅含量149毫克公斤⁻¹和28.6 -720毫克公斤⁻¹,分别。分布时检查有效硅含量除以25 mg·公斤⁻¹,我们发现46%的土壤分布的范围内75 - 150 mg·kg⁻¹(图2(一个))。当可用的Si内容分析了根据该地区,西部和东部沿海地区显示值,平均325 mg·公斤⁻¹高于其他地区(图2 (b))。土壤在大蒜种植萝卜种植下的西部和东部显示可用硅含量特别高。我们怀疑这些高水平是由硅酸盐肥料的使用,其中包含可用硅酸盐(25%)和碱粉(40%)和作为一个有效的校正器的土壤pH值(32- - - - - -34]。研究土壤中,土壤的pH值在大蒜、萝卜种植与有效硅含量高范围从6.6到7.8,高于柑橘果园,草原,森林土壤(数据没有显示)。之前,它已经表明,稻田土壤有效硅含量平均收集的2070个网站在韩国(不包括济州岛)为68.2 mg·kg⁻¹(34),而旱地土壤有效硅含量平均在甜瓜栽培Gyeongsangbuk-do地区的朝鲜被发现96.7毫克公斤⁻¹(35),低于济州岛的土壤有效硅含量。然而,柳井正et al。28)报道,平均的旱地土壤有效硅含量日本是148毫克公斤⁻¹,这是类似于济州岛的火山灰土壤。土壤有效硅含量来自玄武岩和火山灰土壤中已被证明是高于来自花岗岩、石英斑岩、泥炭(36]。同样,Klotzbucher et al。29日)报道,在菲律宾土壤来自andesitic-basaltic熔岩和火山活动形成的火成碎屑沉积比越南土壤有效硅含量较高,由花岗岩、片麻岩、片岩、砂岩和石灰岩。

图3显示了一个比较土的有效硅含量根据土地利用和海拔高程分类研究土壤后Andisols [37]和non-Andisols根据上面的氟化钠pH值9.4和价值观_o+ 1/2Fe_o高于2%,所提取的0.2 M草酸铵(pH值3.0)。根据土地利用当样本比较,我们发现有效硅含量最高的高地Andisols non-Andisols,这之间的区别这两种土壤没有统计学意义。这种相似性又可以解释这一事实硅酸盐肥料应用于一些旱地土壤,导致一个有效硅含量高。然而,相比之下,我们发现Andisols收集从柑橘果园( )和草原( )包含可用硅含量显著高于non-Andisols(图3(一个))。这些差异似乎是与土壤性质的差异成为土壤风化过程中发展成Andisols或non-Andisols而不是由于土壤pH值管理。

鉴于我们怀疑硅酸盐肥料的应用在一些旱地土壤,我们排除了旱地土壤从数据分析。因此,我们只有果园的有效硅含量相比,草地,森林土壤分类根据高程(图3 (b))。我们因此发现Andisols的有效硅含量增加而增加海拔600 m,但倾向于降低在高海拔地区。有效硅的含量最高(150 mg·公斤⁻¹)测量海拔200 - 400米范围内。相比之下,可用Si含量non-Andisols范围从62.4到69.2 mg·公斤⁻¹并没有显示出elevation-related差异(图3 (b))。

3.2。之间的关系可用如果内容和选择土壤的化学性质

表1展示了有效硅含量之间的相关系数和选择土壤的化学性质。有效硅含量对所有290个表土样品与pH值表现出正相关性,可交换钙和镁,硅_o,艾尔。_o、铁_o,艾尔。_o+ 1/2Fe_o和水铝英石( )和一个负相关_p/铝_o比率。此外,我们发现可用硅含量之间的相关系数和种植土壤的pH值高于不文明的土壤。

对不文明的土壤,有效硅含量与可交换钙和镁没有明显的相关性,而对于其他因素,相关性不文明的土壤往往高于那些记录培养土壤,这似乎与硅酸盐肥料的使用和不直接相关的属性培养土壤。

最不文明的土壤与暗色Andisols属性,和在这些土壤,可用与Si Si含量显示高相关性_o,艾尔。_o,菲_o。这些观察结果与所做的研究结果一致Makabe et al。38柳井正]和et al。28],他们发现可用硅含量与铝的氧化物和氢氧化物和铁和无定形矿物水铝英石和imogolite等。此外,我们发现可用Andisols Si含量均呈增长趋势的_p/铝_o比率下降或者水铝英石含量上升。此外,我们观察到,随着海拔的升高,Al-humus复合体成为主导和水铝英石含量减少。Al最初债券与有机质、基地的数量就连着Si减少,导致大量的Si表层土。然而,随着海拔高度的增加,同时增加降水。因此,可以想象,大量溶解硅在高地地区可以从土壤中过滤出来,导致减少有效硅的内容,如图3 (b)。因此,我们认为有效硅含量高的深度层旱地土壤。

3.3。比较单个土体典型化的有效硅含量根据高程

济州岛的单个土体典型化分为Andisols non-Andisols,和有效硅含量与海拔(表2)。在海拔不到400米,有效硅含量的一层Andisols范围从97.4到459毫克公斤⁻¹77.2,倾向于减少的146毫克公斤⁻¹在海拔超过400米。随着土壤深度的增加,可用如果内容倾向于增加。在海拔335米或更高时,可用的Si含量所有单个土体典型化的Bw2或BC层是510 mg·kg⁻¹或更高版本。

源自火山碎屑物质,济州岛的土壤通常表现为快速风化。此外,随着降水的增加在高海拔地区,土壤可能含有过量的Si,在这些条件下铝形成腐殖质复合物的存在丰富的有机质来源(5,21- - - - - -23]。然而,正如大部分雨水通过土壤向下移动,大量溶解Si是较低的土壤淋溶层,从而有效硅的内容往往是相对较低的旱地土壤的表层土。深层土壤的特点是不断的风化作用,导致风化Si的不断积累。因此,尽管表土层接收大量的淋溶,这些层主要与变体的产生与硅含量相对较低。因此,有效硅含量往往是很高的深层土壤的高地。

Andisols相比,我们发现non-Andisol土壤没有显示大的变化可用硅含量与土壤深度的变化。济州岛的non-Andisols也经历快速风化,也来源于火山碎屑物质。然而,相对较低的降雨导致层状硅酸盐粘土矿物的生成,因此相对较少的溶解硅被淋溶。

图4显示可用的比率Si的表土和底土在不同海拔最低的。Andisols,我们观察到,可用Si底土和表层土的比例增加到6.0或更高海拔的增加(R²= 0.6875, ),的大量可用的Si底土。然而在non-Andisols,下层土壤有效硅的比例和表土层大约是1.0,因此表明很少或没有差异如果表土和底土的内容。

图5显示可用的Si含量在土壤韩国订单的单个土体典型化。平均有效硅含量韩国大陆土壤的湿润的视野是在最高的94.3 mg·公斤⁻¹,大约50 mg·公斤⁻¹老成土(57.1 mg·公斤⁻¹),始成(70.9 mg·公斤⁻¹),新成土(45.5 mg·公斤⁻¹)。平均有效硅含量的视野济州岛土壤高于198毫克公斤⁻¹两到三倍,高于韩国大陆土壤。平均有效硅含量的视野non-Andisol济州岛土壤是214 mg·kg⁻¹,几乎没有差异在不同土壤深度。平均有效硅含量的视野济州岛Andisols是192 mg·kg⁻¹随着土壤深度的增加而增加,而在公元前Bw2和视野,平均有效硅含量增加到494毫克公斤⁻¹。值得注意的是,济州岛的深层土壤有效硅含量高出10倍,在韩国大陆土壤。

一些研究人员报道,分析基于1 N醋酸钠缓冲提取方法可能高估了土壤有效硅的含量,因为除了可用如果被土壤吸附,也提取Si在硅酸盐矿物,不能使用的植物25,28,39]。然而,如果分数的土壤可溶性硅(移动Si CaCl提取₂)、可用和可交换的Si(醋酸吸附提取Si)可以随时移动,和非晶硅可以表示的一个潜在来源移动Si (40),比水晶矿物晶硅更容易溶解(38]。因此,当量化有效硅含量,它是适当的,包括一些非晶硅和硅在硅酸盐矿物和水铝英石。

这一事实中可用的硅含量的深层,济州岛Andisols可以容易溶解在土壤解决方案和移动到地下水是10倍一般韩国大陆土壤可能解释了为什么平均地下水溶解硅含量在济州岛近两倍,在朝鲜大陆产生的瓶装矿泉水。

4所示。结论

为了确定溶解硅含量高的因素在济州岛的地下水,我们使用醋酸钠(pH值4.0)的提取方法分析土壤有效硅含量290样本(高地、果园、草原和森林)收集在济州岛和分层技术样本收集的单个土体典型化从朝鲜内地(191个样本)和济州岛(27个样本)。济州岛的Andisols包含大量可用的Si能够容易溶解在土壤的解决方案,其中草原土壤收集在海拔200到400米的平均有效硅含量最高150毫克公斤⁻¹。在Andisols检查,Al-humus复合物的组成主要有低有效硅含量。与土壤的音位变体内容的增加,我们发现伴随增加的内容如果可用。关于有效硅含量的逐层样品从朝鲜大陆收集单个土体土壤典型化、湿润的视野显示最高平均有效硅含量94.3毫克公斤⁻¹,而在其他土壤有效硅含量大约是50毫克公斤⁻¹。在视野中单个土体典型化的济州岛土壤,我们发现可用的内容如果是两到四倍,在单个土体典型化的视野在韩国大陆土壤。单个土体在济州岛典型化和韩国之间的non-Andisols大陆土壤显示很少或没有可用的w Si在不同土壤深度的变化。相比之下,我们发现Andisols的有效硅含量与土壤深度增加,494 mg·kg⁻¹平均在公元前Bw2和视野。因此,济州岛的深层土壤有效硅含量高出10倍,在韩国大陆的单个土体典型化的土壤。因此这些结果有助于解释为什么在济州岛地下水溶解硅含量几乎是两倍,在朝鲜内地生产的瓶装矿泉水。因此,Andisols有效硅含量高的可以是一个潜在来源,导致地下水的Si含量在济州岛。

数据可用性

研究数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认博士炅焕月球的技术援助。这项研究受到了济州国立大学在2014年和2017年。

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