里下河地區(qū)池杉濕地土壤中fe

里下河地區(qū)池杉濕地土壤中fe

根據(jù)大量研究，洪水期間，由于氧供應(yīng)不足，土壤中部的一些氧立即消耗，并被微生物呼吸不良地消耗。土壤氧化還原電位（eh）的值降低。土壤中的高價(jià)值為no3-n、mn4+、fe3+、6s-和尚作為電子受體，恢復(fù)為低價(jià)值為n3o-n、n30、mnim和其他物質(zhì)。與Fe3+相比Fe2+的可溶性明顯提高,更容易被植物所吸收。雖然鐵是植物的必須營養(yǎng)元素,但是,植物過量地吸收鐵,也會(huì)導(dǎo)致其生長不良。據(jù)研究,水稻如果長期生長在水溶性Fe2+濃度達(dá)50mg/kg以上的水田土壤中,其葉片會(huì)出現(xiàn)褐色,影響光合作用,從而導(dǎo)致植物生長不良,產(chǎn)量降低。除了水稻以外,煙草如果生長在透水性較差的田地上,也會(huì)因過量吸收鐵和錳元素而出現(xiàn)癥狀。與水稻和煙草等作物相比,林木在此方面的研究比較少。雖然世界上存在著大面積的濕地林,人們只是更多地從宏觀角度來研究濕地林生態(tài)群落的演化以及它們的生物生產(chǎn)力,或是對(duì)苗木在人工淹水條件下的光合,呼吸等生理變化加以研究,而對(duì)其主要的生長環(huán)境——土壤,在淹水狀態(tài)下的氧化還原變化以及其與林木生長的關(guān)系還不甚了解。實(shí)際上,生長在濕地條件下的樹木如火炬松(PinustaedaL.)和池杉(TaxodiumascendensBrongn.)樹體的鐵濃度特別是根部的鐵濃度會(huì)明顯高于非濕地條件下的樹木。本文在以上基礎(chǔ)上,借鑒水稻土研究的理論和方法,對(duì)濕地林土壤在不同的水分條件及不同的溫度條件下的Eh,pH以及Fe2+濃度進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究,旨在了解濕地林土壤的氧化還原規(guī)律,為濕地林的保護(hù)和發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。1材料和方法(1)池杉濕地林的生長過程,主要表現(xiàn)為一個(gè)古環(huán)境的土供試土壤采集于江蘇省里下河地區(qū)高郵市(北緯32°20′,東經(jīng)119°40′)20年生池杉濕地林。里下河地區(qū)的年均氣溫為14.5℃,年降水量為1100mm左右。根據(jù)雷文進(jìn)的研究,由于里下河地區(qū)原來是黃河,淮河,長江流出的泥沙經(jīng)海水的運(yùn)積而形成的古瀉湖,海拔高度只有2~8m,自然狀態(tài)下,呈長期淹水的湖泊或季節(jié)性淹水的濕地,自然植被主要為蘆葦。本試驗(yàn)的土壤采集地原為季節(jié)性淹水區(qū),20世紀(jì)80年代初,經(jīng)人工開挖河渠,一定程度上降低了地下水位后,營造了耐水性較強(qiáng)的池杉濕地林。經(jīng)調(diào)查,該濕地林在每年的7~9月份期間大約2個(gè)月被淹水,淹水深度最大時(shí)達(dá)25cm,淹水期間的土壤溫度(5cm深處)變動(dòng)在20~30℃。2002年6月,采集了池杉濕地林的表層土壤(0~5cm)作為實(shí)驗(yàn)用土樣。根據(jù)中國土壤分類法,該土壤類型為水稻土青泥田(Eutricgleyedpaddysoils)。土樣的主要性質(zhì)是:pH(H2O)6.18,全碳27.6g/kg,全氮2.7g/kg,全磷513mg/kg,全鉀6.9g/kg,全鈉239mg/kg,全鈣4.5g/kg,全鎂4.1g/kg,全鐵21.5g/kg,全錳160mg/kg,Fe2+2.8mg/kg,硝態(tài)氮65.8mg/kg,氨態(tài)氮42.7mg/kg。(2)田間持水量對(duì)土壤持水性的影響將新鮮土樣適當(dāng)粉碎,過2mm篩,稱取相當(dāng)于烘干土重20g的鮮土置140ml容積的玻璃培養(yǎng)瓶中(瓶的內(nèi)徑為4cm,高為9cm,土樣高度約3cm),添加蒸餾水至田間持水量的250%作為淹水處理,淹水高度約3cm;同時(shí),根據(jù)土壤在田間持水量的60%左右時(shí),碳,氮無機(jī)化反應(yīng)比較劇烈,陸地植物生長較適宜這一依據(jù)[21,22,23,24,25,26,27],在試驗(yàn)土壤中添加蒸餾水至田間持水量的60%作為對(duì)照處理。蓋上具透氣孔(直徑2mm)的蓋子,分別在20、25、30℃的恒溫箱中培養(yǎng)。各處理(水分,溫度處理)實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。培養(yǎng)期間每隔一星期通過稱重法用蒸餾水調(diào)節(jié)其含水量至規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。培養(yǎng)開始后的第1,4,12,20,40,60,80天,對(duì)2種含水量處理和3種溫度處理的土壤分別取3個(gè)重復(fù)樣品測(cè)定pH值和Fe2+濃度,并在培養(yǎng)后的第1,4,8,12,15,20,26,32,40,50,60,80天時(shí)取3個(gè)重復(fù)樣品測(cè)定土壤的Eh值。在論文的各個(gè)圖中均表示了3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。(3)k產(chǎn)業(yè)性狀的測(cè)定不同處理土壤的pH值是在土:水=1∶2.5的條件下,用玻璃電極(TOA,HM-7E)法測(cè)定。不同處理土壤的Eh值是在白金電極(ORION,model920A)插入到土層中部1h后,Eh值穩(wěn)定時(shí)讀取。Fe2+濃度的測(cè)定是在參考Kumada的方法后進(jìn)行的,具體的方法為:250%含水量處理的土壤須先將多余的水分過濾以后,加入100ml,1當(dāng)量濃度的醋酸鈉(CH3COONa,pH=2.8),60%含水量的土壤則直接加入100ml的醋酸鈉,然后在室溫下振蕩2h,過濾,取2ml濾液,加2ml0.1%濃度的α,α′-dipyridyl試液,用蒸餾水定容至25ml,在522nm波長下比色分析。250%含水量處理的過濾水與上述醋酸鈉溶液以1∶1體積比混合振蕩30min,用相同的方法測(cè)定過濾水中的Fe2+濃度。由于過濾水中的Fe2+濃度均較低(0.5mg/kg以下),故在計(jì)算土壤中的最終Fe2+濃度時(shí),未將其計(jì)入。測(cè)定時(shí)采用的標(biāo)樣是分析純硫酸亞鐵。2結(jié)果2.1非控制md對(duì)土壤ph值的影響從圖1可以看出,淹水土壤的pH值顯著高于非淹水土壤(P<0.01)。淹水土壤在淹水后20d以內(nèi),pH值上升比較快,20d以后呈緩慢的上升趨勢(shì)。與此相反,非淹水土壤的pH值在80d的培養(yǎng)過程中基本上是呈緩慢下降的趨勢(shì)。從圖1還可以看出,培養(yǎng)80d時(shí),不同的溫度處理之間,土壤pH值也存在明顯的差異(P<0.01),其表現(xiàn)為:淹水條件下,pH值30℃處理的>25℃>20℃,而非淹水土壤則相反,即,pH值30℃處理的<25℃<20℃。2.2eh值的變化圖2表明,與非淹水土壤相比,淹水土壤的Eh值明顯降低(P<0.01),且隨著培養(yǎng)溫度的提高Eh值降低的幅度增大。非淹水土壤的Eh值無論在何種溫度條件下,自始至終總是在470mV左右輕微變動(dòng)。2.3土壤中fe2+濃度的變化從圖3不難看出,在淹水條件下,土壤Fe2+濃度變化受溫度的影響十分明顯,在30℃條件下培養(yǎng)10d以后,土壤中的Fe2+濃度開始明顯提高,至40d左右時(shí),基本上達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài);在25℃條件下,大約需要20d以上的培養(yǎng),土壤中的Fe2+濃度才會(huì)顯著提高;在20℃條件下,至少需要60d的培養(yǎng),土壤中的Fe2+濃度才有明顯的上升。與淹水土壤相比,非淹水土壤的Fe2+濃度始終處于較低的狀態(tài),且不因培養(yǎng)溫度的變化而變化。3控制好土壤中硝態(tài)氮含量的影響土壤Eh值的大小與土壤中各種氧化還原物質(zhì)的轉(zhuǎn)化程度密切相關(guān),從圖4可以看出,Eh值高于200mV時(shí),土壤中幾乎不出現(xiàn)Fe2+,即Fe3+不會(huì)被還原為Fe2+,而當(dāng)Eh值低于200mV時(shí),土壤中的Fe2+濃度明顯提高,且隨著Eh值的不斷下降Fe2+濃度不斷提高。這一結(jié)果與Yamane等人的研究結(jié)論一致。然而,潘淑貞的研究表明,Eh值在高于200mV時(shí)仍然會(huì)有較高濃度的Fe2+存在。這一現(xiàn)象表明,土壤種類不同,即土壤的性質(zhì)不同,可能會(huì)存在一定的差異;另外也可能與Eh測(cè)定的準(zhǔn)確性有關(guān),由于土壤是非均一體,在用白金電極測(cè)定Eh值時(shí)往往難以測(cè)得土壤的整體Eh值,特別是在大田條件下。土壤在淹水條件下pH值升高這一現(xiàn)象與土壤處于缺氧狀態(tài)下而發(fā)生一系列還原反應(yīng)有關(guān)。根據(jù)對(duì)該土壤中的無機(jī)態(tài)氮濃度的動(dòng)態(tài)測(cè)定知,在淹水條件下,經(jīng)10d左右的培養(yǎng),土壤中的硝態(tài)氮就會(huì)全部消失(高溫條件下相對(duì)較快,數(shù)據(jù)未發(fā)表),而氨態(tài)氮濃度有少量提高,這一結(jié)果與土壤在淹水條件下因缺氧而導(dǎo)致硝態(tài)氮被還原,即出現(xiàn)脫氮現(xiàn)象有關(guān)。相反,未淹水土壤的硝態(tài)氮濃度隨著培養(yǎng)溫度的提高和培養(yǎng)時(shí)間的延長而逐漸增高。硝態(tài)氮中的硝酸根是一種強(qiáng)酸離子,如果土壤中存在大量的硝態(tài)氮,其pH值就可能較低,相反,如果硝態(tài)氮明顯減少或消失,pH值往往就會(huì)上升,這一結(jié)果已被一些研究所證明。當(dāng)然,在淹水條件下,土壤硝態(tài)氮消失以后,pH值仍然呈上升趨勢(shì),這一結(jié)果應(yīng)該與其他物質(zhì)被還原有關(guān),如有機(jī)還原物質(zhì)的形成和Mn2+,Fe2+(圖3)甚至S2-等無機(jī)還原物質(zhì)的出現(xiàn)。溫度對(duì)土壤pH值的影響主要是取決于不同溫度條件下微生物的活性。在溫度較高的淹水狀態(tài)下,微生物活性高,耗氧快,還原反應(yīng)強(qiáng)烈,還原性物質(zhì)產(chǎn)生的快且多,與氧化態(tài)物質(zhì)相比,相應(yīng)的還原態(tài)物質(zhì)的堿性較強(qiáng),因而pH值較高。在非淹水條件下,土壤處于氧化狀態(tài),培養(yǎng)溫度較高的土壤因微生物活性高,有機(jī)物分解快,氮的硝化作用強(qiáng)而產(chǎn)生較多的酸性較強(qiáng)的硝態(tài)氮,最終導(dǎo)致pH值的下降幅度比低溫狀態(tài)時(shí)大。在淹水條件下,土壤pH值的提高并不是無限制的。根據(jù)于天任等人的研究認(rèn)為,酸性土壤在淹水還原狀態(tài)下,pH值會(huì)逐漸提高,并達(dá)到中性左右;相反,堿性土壤在淹水還原條件下,pH值會(huì)降至中性左右。堿性土壤在還原狀態(tài)下pH值的下降被認(rèn)為與二氧化碳的增加有關(guān)。從土壤pH值和Fe2+濃度的關(guān)系(圖5)可以看出,本試驗(yàn)土壤在淹水狀態(tài)下,pH值升至7時(shí),Fe2+開始大量出現(xiàn)。當(dāng)然這一結(jié)果并不能說明所有種類的土壤只有當(dāng)pH值達(dá)到中性7的時(shí)候,Fe3+才會(huì)被大量還原為Fe2+。根據(jù)Asami等人的研究可知,pH值即使在7以下甚至6以下時(shí),還原性土壤中仍然可以有大量的Fe2+出現(xiàn)。由此表明,不同種類的土壤在還原過程中大量形成Fe2+時(shí)的pH值是不相同的。本試驗(yàn)結(jié)果表明,土壤pH值和Eh值之間存在著密切的3次方程式關(guān)系(P<0.001)(圖6)。這種關(guān)系說明,并不是所有的土壤在還原過程中pH值和Eh值始終是呈同步的變化關(guān)系,即負(fù)的直線相關(guān)關(guān)系。從圖6可以看出,土壤pH值和Eh值的回歸曲線可以劃分為3個(gè)區(qū)間,在第1區(qū)間(pH值<6.5,Eh>400mV)內(nèi),pH值的變化幅度較大,Eh值的變化幅度卻較小,△Eh與△pH的比值(△Eh/△pH)約150;在第2區(qū)間(6.5<pH<6.9,200mV(Eh<400mV)內(nèi),pH值和Eh值的變化幾乎是同步的,△Eh/△pH的比值約500;在第3區(qū)間(6.9<pH<7.2,Eh<200mV)內(nèi),pH