文摘

磷(P)是经济增长的关键限制因素之一的森林和他们在亚热带森林生态系统净初级生产力。磷浸出的森林土排水和岩溶地区地下水水质富营养化的主要来源。强烈的矿物质P吸附能力通常被假定为一个P浸出的关键驱动因素在亚热带生态系统土壤类型的不同而不同。这里,我们估计O / P吸附能力和AB地平线在石灰土和红壤的亚热带森林通过拟合朗缪尔和弗伦德里希等温线的潜在环境风险调查P P .最大吸附容量( ),P吸附常数( ),P吸附指数(PSI), P饱和度(DPS)和最大缓冲容量(MBC)计算。结果表明, 的O / A层土壤都是相似的。比较这两种土壤,土壤有较高的红 和MBC AB地平线; 石灰土是更大的 较低,表明石灰土的吸附能力较弱,MBC低。没有显著差异ψ两者之间的土壤。土壤都的DPS值低于1.1%,表明P饱和度很低在亚热带森林土壤由于缺乏明显的人为干扰。在地平线,O / P饱和与可用的P (DPSM3和DPS奥尔森),与P Fe-Al束缚态(DPS柠檬酸在红壤)高于石灰岩发育的土壤。DPS在AB地平线之间没有显著性差异,除了更高的DPSM3和DPS柠檬酸在红色的土壤。研究结果强调在P吸附土壤类型的影响。P吸附和缓冲的红色土壤高于石灰岩土壤,表明风险较低P浸出红色的亚热带森林土壤。

1。介绍

磷的关键限制因素之一为林木的生长及其在自然森林生态系统净初级生产力,它主要存在于形式的有机P (Po)和无机P (P我在主要和次要矿物。磷可以直接吸收和利用植物主要是磷酸离子状态(1]。由于吸附和固定土壤P的矿物质,磷酸盐占土壤P的只有很少一部分池,通常导致低可用性的P在土壤2,3]。尤其在亚热带森林生态系统,由于高度的土壤风化和更明显固定铁和氧化铝的P。P在土壤中大部分是固定在一个稳定的形式,难以被植物吸收和利用,所以P限制在亚热带森林生态系统比其他更严重的生态系统(4]。P在森林生态系统的输入主要来自缓慢父基岩的风化(5),在更短的时间尺度分解的垃圾和有机质的矿化。P输出主要是P的吸收和利用植物、P损失由于浸出,表面损失由于地表径流和土壤侵蚀。土壤P分数和可用的控制的过程包括磷酸precipitation-solubilization mineralization-immobilization微生物,adsorption-desorption吸附的P我,进而影响土壤速效磷的供应和P浸出的风险。因此,P变换在森林土壤P周期是一个重要的过程,它具有强大的生态和环境意义。在不同的土壤类型、P固定能力受环境理化因素,和盈余P可能与径流淋溶成水,导致富营养化水(6,7]。土壤中磷形态决定了P可用性和浸出。土壤DPS是一个重要的预测土壤P流动性和有效性,集土壤P固定容量和P含量,并可应用于评估土壤P环境阈值以及确定土壤P的风险损失(8,9]。DPS越大,土壤包含溶解状态越高,P吸附能力越低,风险越高的土壤P浸出。

在这项研究中,我们调查了P石灰岩和红色土壤中吸附和潜在的环境风险的主要土壤类型在中国亚热带的森林。朗缪尔方程和弗伦德里希方程被用来适应P吸附曲线 ,MBC, PSI大部分土壤。安装相关参数与实验数据结合DPS和其他指标是适应预测P浸出的潜在环境风险的石灰岩和红色的土壤。

2。材料和方法

2.1。研究区域

研究区位于桂林城市,中国南方,这是位于纬度低,属于亚热带季风气候区,气候温和,雨量丰富,基本上相同的雨和热的季节;年平均温度约为19.1°C,平均年降雨量1887.6毫米,年平均相对湿度76%,年平均日照时间约为1447.1小时。在这项研究中,Ludiyan (25°13 18.2 N, 110°14 53.3 E)和桂林国家森林公园(GNFP 25°19 06.6 N, 110°15 19.9 E)被选为抽样,这代表喀斯特石灰土和酸性红壤,分别。两个站点之间的直线距离约11公里。Ludiyan主要是混合常绿阔叶林,石灰岩土壤和土壤类型(LS)与pH值6.65 ~ 6.75的范围。桂林国家森林公园主要是一个森林,混交林和土壤类型是典型的强烈地被过滤酸性红壤(RS) pH值范围为4.33 ~ 4.46(表1)。

表1
土壤理化性质的O / A和AB视野的红色土和石灰土。
2.2。样品收集

三块内 被随机选中每两个站点的土壤样本采集、土壤和三个复制样本在每个站点。在每个站点,在O / A层土壤收集(清廉cm和经历cm Ludiyan和GNFP)和AB地平线(10-22 cm, Ludiyan和GNFP 12-33厘米,分别)根据自然土壤剖面分层。收集土壤样本被风干,经过2毫米筛去除根部,之前确定的物理和化学性质。

2.3。土壤磷的等温吸附

8个土壤样本的2.0克重为50毫升离心管,和25毫升0.01摩尔·L1CaCl2解决方案包含0,10、20、40、80、120、150和200毫克P·L1P是补充道,随着2滴甲苯抑制微生物的活动。摇晃在室温下24 h后25°C,样品在4000 r·分钟被离心分离115分钟,上层清液用于分析P的浓度是过滤和吸气。发展蓝色,蓝色试剂添加钼,体积是由去离子水。30分钟后,吸光度是阅读880海里使用enzyme-labeled仪器(10]。

磷吸附计算如下。 在哪里 吸附量(mg·公斤吗1), 和 是P的添加和平衡浓度的解决方案(mg·L1),分别 解决方案(mL)的体积, 土壤的质量。

弗伦德里希和朗缪尔方程被用来适应土壤磷吸附。一般来说,朗缪尔方程描述了单个分子的物理吸附层,而弗伦德里希方程假设吸附吸附剂分子与吸附剂之间应该是一个非均匀吸附多种分子。朗缪尔和弗伦德里希方程适用于描述土壤P等温吸附曲线,但适合在土壤类型而异。

弗伦德里希方程给出 在哪里 由土壤的磷吸附量(mg·公斤吗1), 是液体的吸着剂的质量浓度(毫克·公斤吗1), 是容量参数P代表土壤的吸附能力(mg·公斤吗1), 吸附强度因子(L·公斤吗1)。

朗缪尔方程给出 的参数 是P的浓度平衡解决方案(mg·L1), 由土壤磷的最大吸附(mg·公斤吗1),这是用于描述土壤P池的大小, 土壤磷的吸附(mg·公斤吗1), 是土壤吸附亲和力常数,这表明土壤磷吸附的强度。 表明土壤磷的吸附能自发地在环境温度下进行。一个更大的 值表明P吸附能力更强。最大的缓冲容量(MBC)土壤P可以根据朗缪尔方程计算。MBC反映了土壤的磷吸附并提供一个指数来评价土壤磷素供应能力;MBC值越大,土壤P的固定能力就越大。

MBC计算由以下方程:

土壤磷吸附指数(PSI)由以下方程计算(11]: 的单位 是土壤磷吸附(mg·公斤1), 是P的平衡浓度的解决方案(mg·L1)。

Mehlich-3萃取剂被用来提取P (PM3)、铁(FeM3)和铝(AlM3从土壤中)来计算DPSM3(12]。土地P (P的浓度奥尔森),水溶性P (P氯化钙),calcium-related P (P盐酸),iron-aluminum-related P (P柠檬酸)是由使用不同的萃取剂来计算相应的DPS奥尔森,DPS氯化钙,DPS盐酸,DPS柠檬酸(12]。P氯化钙是一种水溶性P,可以模拟土壤溶液中盐的状态,与生物可利用磷呈正相关径流或渗滤液水,和是一个重要的指标来评估P浸出(3,4];PM3和P奥尔森都是土壤可利用P密切相关植物磷吸收的形式,和Pizzeghello et al。13)发现两种P形式之间的显著相关性,58%到98%的P奥尔森可以转化成水溶性P [14],P的结合奥尔森和P氯化钙可以用来评估环境土壤中P可用性解决方案(15]。P柠檬酸P与铁和铝,是一个重要的池提供可利用P在酸性红壤。大部分的P盐酸与磷酸氢钙盐主要包括不溶性P octacalcium磷酸和磷酸decacalcium等。在石灰岩土壤P封存实现主要通过与磷酸钙沉淀或共同沉淀与碳酸盐(16]。

磷饱和度(%)计算如下(17- - - - - -19]:

2.4。统计分析

在研究的数据 (SE; )使用SPSS 25.0统计分析(v . 2018年,IBM,阿蒙克,纽约,美国)。单向方差分析(费舍尔测试, )是用来比较的平均浓度两种土壤类型之间的理化性质。所有统计分析本研究使用原点2018软件执行窗口。

3所示。结果与讨论

3.1。土壤磷的等温吸附曲线

等温吸附曲线的土壤P被朗缪尔好安装( 在0.91和0.97之间)和弗伦德里希方程( 在0.91和0.98之间(表)1)。通过比较相关系数 的两个方程,它是发现,红色的土壤,符合朗缪尔方程高于弗伦德里希方程或都是类似的,而对于石灰石土壤,适合的两个方程相当但往往与弗伦德里希方程表现略好。等温吸附曲线拟合与朗缪尔方程和弗伦德里希方程在不同土壤P视野不同的土壤,分别如图所示1。土壤磷吸附P浓度的增加而增加。在低P浓度,不同土壤P吸附曲线表现出更大的斜坡,和土壤磷吸附曲线的斜率的O / a层石灰岩土壤相对最低。 , ,和MBC描述P在土壤吸附能力,得到了朗缪尔方程。 代表土壤P池的大小,更大的值表明,可以吸收更多的P。的差异 在红壤(981.87 - -1134.98毫克公斤1)和石灰土·kg(1036.41 - -1110.29毫克1)并不重要,都表明,O / A层大于AB地平线(表1)。的 红壤的价值(0.030 - -0.048)高于石灰岩土壤(0.023 - -0.034)和更高的AB地平线比O / A层土壤(表2)。MBC值高的红色土壤·kg(34.56 - -47.32毫克1)比石灰岩土壤·kg(25.90 - -35.43毫克1)和显示 在两种土壤。 ,从弗伦德里希获得吸附参数拟合曲线,反映了土壤吸附容量和吸附亲和力的大小。更大的价值 显示更强的吸附能力,其趋势是相似的 的朗缪尔方程(表1)。 是一个常数,它与土壤表面吸附能力的同质性,和更多的吗 值趋向于0,土壤吸附表面的异质性越强, 0.1和0.5之间的值表明,大部分土壤有很强的吸附能力(12]。在两种土壤, 值显示 ,而 值略大(0.02 - -0.03)红色的土壤比石灰岩土壤(0.03 - -0.05),显示更强的空间异质性的红色土壤的吸附表面比石灰岩土壤。没有显著差异在两种土壤类型之间的PSI, 407.63和415.84 mg·公斤之间的不同1。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
拟合曲线(a)的朗缪尔和(b)弗伦德里希模型的O / a和AB视野红壤(RS)和石灰土(LS)。
表2
吸附等温式的参数拟合曲线和PSI的O / A和AB视野红壤(RS)和石灰土(LS)。
3.2。土壤磷吸附饱和度

可推断出的P浓度与不同萃取剂在红色和石灰岩土壤图所示2。在两种土壤,P的浓度氯化钙很低(红色土壤:1.56 - -1.72毫克·公斤吗1和石灰岩土壤:2.55 - -2.58毫克公斤1)(图1);P氯化钙浓度的石灰土明显高于红壤。红色的土壤,P的浓度M3(2.49 - -7.36毫克公斤1)是高于石灰岩土壤·kg(0.32 - -1.32毫克1);在地平线,O / P的浓度奥尔森红色的土壤(4.99 mg·公斤1)明显高于石灰岩土壤(2.84 mg·公斤1),而没有显著区别这两种土壤的AB地平线。红色的土壤,P柠檬酸是占主导地位的P形式,O / A层,P的内容吗柠檬酸(12.22 mg·公斤1从P)没有明显不同盐酸(11.45 mg·公斤1),但明显高于其他可榨出的P的内容;在AB地平线,P的内容柠檬酸(10.08 mg·公斤1)明显高于其他可榨出的P的内容。在石灰岩土壤,P盐酸是占主导地位的P形式,其内容在O / A层(9.66毫克·公斤吗1)明显高于其他可榨出的P在土壤,除了P柠檬酸在石灰岩土壤,所有其他P浓度分数显示 (图2)。


图2
大部分土壤的分布可榨出的P O / A和AB视野的红壤(RS)和石灰土(LS)。不同的小写字母表示显著差异( )在同一个地平线的P分数相同的土壤;不同大写字母表示显著差异( )相同的P分数相同的地平线之间的红色土和石灰土。误差是标准错误( )。

在O / A层,DPS的值M3,DPS奥尔森,DPS盐酸,DPS柠檬酸红色的土壤(分别为0.56%,0.44%,1.00%,和1.06%)高于在石灰岩土壤(分别为0.19%,0.26%,0.86%,和0.26%),尽管DPS的值氯化钙(0.15%)低于石灰岩土壤(0.23%);在AB地平线,DPS的值氯化钙,DPS盐酸,DPS奥尔森在石灰岩土壤高(0.25%,0.50%,0.23%)比红色的土壤(0.16%,0.39%,0.21%)(图3)。


图3
度P O / A层饱和,AB地平线的红壤(RS)和石灰土(LS)。不同的小写字母表示显著差异( )同一土层之间的红色和石灰土。误差是标准错误( )。
3.3。土壤磷的吸附特性和释放风险

在这项研究中, 值的两个土壤没有显著不同,和 和 值略高的O / A层比石灰岩红壤土壤(表2),这表明红色的O / A层土壤具有较高的P能力和更强的吸附能力。红壤的MBC是高于石灰岩土壤时 两种土壤相似,P红壤吸附是更容易被植物吸收和总P的红色土壤。通过研究P吸附在爱尔兰土壤,戴利et al。9)报道, 不同的467至343毫克公斤1红色的土壤。周和李20.]研究了P石灰岩土壤中吸附以及在石灰岩基岩和发现 不同的591至5556毫克公斤1。总P池和无机形式以外的红色土壤磷较低比石灰岩土壤,但P的供应是高于石灰岩土壤由于有机P转换过程越快。相比之下,在AB地平线, 值的石灰石土壤高于红色的土壤。的 值都低于红色的土壤,这可能是由于大量的碳酸钙的石灰岩母质土壤与P[共沉淀21]。它表明,石灰岩土壤有很大的P能力和弱吸附容量和P浸出的潜在风险。

在地平线,O / PM3P奥尔森和P柠檬酸有更高的溶解在红色的土壤,在AB地平线,石灰岩土壤有较高的P奥尔森P盐酸和P氯化钙。P奥尔森在缺乏非常缺乏水平在两种土壤,表明P生物利用率很低。DPS值在所有土壤在这项研究是不到1.10%,低于DPS值(1.40%到7.20%)在森林土壤植被火就烧的网站(22,23),表明本研究森林土壤不被人类和较低土壤P浸出的风险。比较这两个土壤,DPS的值M3,DPS奥尔森,DPS盐酸,DPS柠檬酸在红壤O / A层土壤高于石灰岩。在AB地平线,DPS柠檬酸和DPSM3在红壤低于石灰土(图3)。结合两者之间的小差异PSI土壤,它表明P固定两个土壤处于相似水平的能力。DPS被认为是高风险的一个指标来识别土壤P释放(24,25];其值的大小是影响土壤物理化学性质的组合26- - - - - -28]。阈值不是均匀的,一些研究表明对水环境的质量产生重大影响,当DPS大于15.00%29日]。其他表明,DPS超过25.00%时,土壤往往有高水平的desorbable P和P浸出的风险更大30.]。

4所示。结论

比较 , ,亚热带森林土壤和MBC值,最大P O / A层的吸附2土壤是相似的。在AB地平线,石灰岩土壤的最大P吸附是高,但吸附能力弱。森林土壤都低DPS由于较弱的人为干扰和整体疲软土壤P损失的风险。比较这两个土壤,O / A层,红壤DPSM3,DPS奥尔森,DPS柠檬酸高于石灰岩发育的土壤,在AB地平线,P饱和度的差异不显著,除了DPS高吗M3和DPS柠檬酸在红色的土壤。因此,P在红色的土壤淋溶的风险低于石灰岩亚热带森林土壤。

数据可用性

所有的数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

附加分

突出了。磷(P)亚热带森林土壤的吸附和环境风险与岩性不同。P吸附和缓冲的红色土壤高于石灰岩土壤。石灰岩土壤相比,红壤低P浸出的潜在环境风险。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了广西自然科学基金(2018 gxnsfaa281350格兰特数字,2020 gxnsfaa238034 gxnsfba198162 2017和2020 gxnsfba159029)和数百名海外人才引进计划的学院和大学在广西。