寧夏中部干旱帶壓砂礫石礦質元素淋溶規(guī)律

王 潔，李王成, ，董亞萍，趙廣興，徐天淵

（1. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

壓砂耕作模式常應用于寧夏中部及甘肅南部等長期干旱缺水地區(qū)[1]，利用河湖溝壑等沖擊所產生的砂礫石鋪設在田間，厚度一般10～15 cm[2]，對土壤起增滲、保墑、增溫、壓堿等作用[3-4]。近年來，由于壓砂年限過長及不合理耕作等因素導致大部分壓砂地土壤生態(tài)功能下降、作物產量降低甚至出現(xiàn)大面積棄用砂地。

寧夏中部干旱帶主要種植枸杞、紅棗、西瓜、玉米等作物[5]，充足礦質元素可提高作物產量、增強作物品質，影響作物適應性及抗性[6-7]。崔迪等研究壓砂地不同氮、鉀元素含量下枸杞生長發(fā)育、產量、品質之間差異，得出枸杞不同生育期氮、鉀元素最適宜需求量[1]。壓砂所用礫石可為作物提供大部分礦物質元素，因此“壓砂礫石—土壤—植物”一個有機整體，相互作用、相互影響。王江南等開展喀斯特地區(qū)“巖石—土壤—植物”元素遷移規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，元素從巖石遷移到土壤，再從土壤到植物，具有一定繼承性，但遷移過程受氣候、生物和化學等風化作用影響[8-9]。莫源福等通過分析廣西巴馬巖溶石山碳酸鹽巖“巖石—土壤—植物”之間元素相關性發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖和土壤元素、土壤元素與植被元素之間密切相關且植物中常量元素受巖石中常量元素影響[10]。國內外關于壓砂地研究主要有砂地土壤肥力、鹽分變化、土壤水分分布及入滲規(guī)律[11]、作物生長狀況、產量[12]及耕作模式等[13]。隨壓砂年限延長，砂田老化并出現(xiàn)大面積棄耕砂田等問題。目前關于壓砂地可持續(xù)利用及砂田生態(tài)環(huán)境改善研究較少，壓砂地與普通田地不同之處在于土壤上部覆蓋一層礫石，礫石在當?shù)匚⑾趟喔燃敖邓饔孟率欠襻尫诺V質元素進入土壤尚不明確。鑒于此，本試驗通過模擬壓砂礫石干濕凍融循環(huán)試驗，分析淋溶液中礦質元素含量，探討壓砂礫石中礦質元素淋溶規(guī)律并結合元素地球化學及礦物學分析其變化規(guī)律成因，以期為作物合理施肥、提質增產提供科學依據(jù)。

1 試驗設計與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)紅圈子村，當?shù)貕荷暗孛娣e約為80 000 hm2，屬于典型大陸性季風氣候，風大沙多，干旱少雨[14]。年均降水180 mm 且多集中于7～8 月，蒸發(fā)量達2 100～2 400 mm，農業(yè)生產對自然降水依賴較強[15]。紅圈子村位于香山和大羅山交界處，是壓砂地分布主要地區(qū)之一，巖石大部分為變質巖，屬奧陶紀、寒武紀淺變質巖系，主要有灰綠板巖、千枚巖、石英砂巖等，土質為灰鈣土，質地以沙壤土為主。該地區(qū)獨特地理位置和充足礫石資源為當?shù)貕荷疤峁┍憷麠l件。

1.2 試驗材料

試驗采用壓砂礫石為灰綠-深灰色板巖[4]，地質年代為奧陶系，其結構呈隱晶質結構或顯微鱗片變晶結構。大部分灰綠板巖主要由石英、綠泥石、方解石、云母、斜長石組成。礫石中礦質元素含量見表1。

表1 壓砂礫石中礦質元素含量Table 1 Content of mineral elements in pressed sand and gravel (mg·L-1)

1.3 試驗設計

本試驗采用室內模擬試驗，設置3種粒徑和3種鹽分濃度兩因素隨機試驗。通過控制烘箱和冰箱實現(xiàn)干濕凍融循環(huán)模擬，試驗為9 個處理，重復3 次，共27 次試驗。根據(jù)當?shù)剞r民壓砂粒徑1～3 cm，取1、2、3 cm 3個粒徑水平，鹽分濃度設置以蒸餾水作為參考，根據(jù)寧夏土壤鹽漬化等級輕鹽漬化、中鹽漬化標準設置3、6 g·L-1。干濕凍融循環(huán)參數(shù)取自香山地區(qū)近30 年氣象資料，夏、秋季節(jié)干濕破壞，冬、春季節(jié)凍融破壞特征以及國內外凍融試驗相關規(guī)范[16]，采用飽水狀態(tài)下，凍結溫度-20±2 ℃，凍結時長17 h，溶解溫度25±2 ℃，溶解時長7 h；干濕溫度30±2 ℃，干燥時長22 h，泡水時長2 h，一個干濕凍融循環(huán)過程48 h，循環(huán)80 次。循環(huán)每運行20 次，取淋溶液檢測元素。

1.4 觀測項目及數(shù)據(jù)處理

淋溶液中元素含量檢測采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國安捷倫科技有限公司）、元素分析儀（德國Elementar公司）和離子色譜儀（美國戴安公司）測定。

2 結果與分析

2.1 礦質元素淋溶規(guī)律

2.1.1 大量元素

壓砂礫石淋溶液中大量元素主要有Ca、K、Mg、P、S、Si、N，不同處理下大量元素淋溶量見表2。隨循環(huán)次數(shù)增加，不同處理下各元素淋溶量均呈先增后減趨勢；在相同粒徑不同鹽分濃度處理下，Ca、Mg、K、P四種元素淋溶量均在40次達到峰值，S、Si 元素淋溶量在60 次達到峰值；Ca、K、P、Si 元素淋溶量隨鹽分濃度增加而增加，Mg元素淋溶量減??；隨鹽分濃度增加，S元素淋溶量呈先增后減趨勢，N元素淋溶量先減后增。

表2 不同處理下大量元素淋溶量Table 2 Leaching amount of macro elements under different treatments

在不同粒徑相同鹽分濃度處理下，Ca、Si、S元素淋溶量隨粒徑增加而減小，K、P 元素淋溶量反之；在干濕凍融循環(huán)前60次Mg元素淋溶量隨粒徑增加而減小，第80 次時淋溶量呈增加趨勢；N元素在相同鹽分不同粒徑處理下變化規(guī)律不明顯，可能與不同粒徑中所處生境不同有關。

2.1.2 微量元素

壓砂礫石淋溶液中微量元素主要有Mo、Cu、Mn、Ni、Zn、B。淋溶液中Mo 元素含量均小于0.2 mg·L-1，超出儀器檢測限，因此未分析Mo元素淋溶量變化規(guī)律。Cu元素僅在第20次1 cm粒徑淋溶液中檢測到含量，其余均超出檢測限，含量較低。其余各微量元素淋溶量如圖1所示。微量元素中除B元素外，其他各微量元素淋溶量均隨循環(huán)次數(shù)先增后減，循環(huán)次數(shù)40次時淋溶量達到峰值。B元素淋溶量隨循環(huán)次數(shù)增加呈減小趨勢。在相同粒徑不同鹽分濃度處理下，隨鹽分濃度增加Mn、Ni、Zn淋溶量呈減小趨勢，F(xiàn)e、B元素淋溶量逐漸增加。在相同鹽分濃度不同粒徑處理下，F(xiàn)e 元素淋溶量與粒徑呈負相關、Mn 元素淋溶量與粒徑呈正相關，B元素淋溶量先減后增，Zn、Ni元素淋溶量隨粒徑變化規(guī)律不明顯。

圖1 各微量元素淋溶量Fig.1 Leaching amount of each trace element

2.1.3 元素淋溶總量

元素淋溶總量為每經過干濕凍融循環(huán)20 次后淋溶液中所有礦質元素總和。大量元素淋溶總量即每次凍融干濕循環(huán)后Ca、K、Mg、Si、P、S 元素總量，微量元素淋溶總量即B、Fe、Mn、Ni、Zn、Cu 元素總量。Li 等研究表明在變質作用過程中銨可被氧化并以NH3和N2形式釋放[17-18]，同時在一定氧化還原及pH 條件下氮以NH3和N2形式從硅酸鹽巖中流失[19]。隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，水交替作用增強，各處理中自養(yǎng)型細菌逐漸增加，銨在氧氣及硝化細菌作用下轉化為NO2-及NO3-，不同粒徑和鹽分濃度處理下自養(yǎng)型細菌數(shù)量不同導致在循環(huán)過程中氮元素含量變化較大[20]。因此，未將N 元素淋溶量計入大量元素淋溶總量、計算。

干濕凍融循環(huán)過程中元素淋溶總量變化如圖2所示，干濕凍融循環(huán)過程中各處理下淋溶總量呈先增后減趨勢。大量元素淋溶總量峰值出現(xiàn)在60次，微量元素淋溶量峰值均出現(xiàn)在40 次。大量元素淋溶量峰值較微量元素滯后是因各處理下S、Si元素淋溶量大部分在40 次達到峰值，而Ca、K、Mg等元素在60次達到峰值。硫元素淋溶量較硅元素小，對元素淋溶總量影響小，可忽略。硅元素常存在于二氧化硅和硅酸鹽礦物中，硅酸鹽風化釋放硅[21]?；揖G板巖中二氧化硅和云母含量較高，降水和碳酸使云母和石英分解，干濕凍融循環(huán)促使兩種礦物溶解，但相對較緩慢[22]。在鹽分濃度一定時，微量、大量元素淋溶總量與粒徑呈負相關；粒徑一定時大量、微量元素淋溶總量隨鹽分濃度變化不明顯。

通過SPSS 24 計算元素淋溶總量與循環(huán)次數(shù)、粒徑、鹽分濃度相關性見表3。

圖2 元素淋溶總量變化Fig.2 Total amount change of element leaching

表3 元素淋溶總量與循環(huán)次數(shù)、粒徑、鹽分濃度相關性Table 3 Correlation between the total amount of element leaching and the number of cycles,particle size,and salt concentration

由表3可見，微量元素淋溶總量與循環(huán)次數(shù)和粒徑顯著性水平均小于0.05，微量元素淋溶總量與循環(huán)次數(shù)、粒徑存在顯著負相關，粒徑與淋溶總量相關性較循環(huán)次數(shù)稍強；大量元素淋溶總量僅與循環(huán)次數(shù)存在正相關，顯著性水平為0.001，與粒徑和鹽分濃度相關性較差。

2.1.4 元素累積淋溶總量

元素累積淋溶總量是在干濕凍融循環(huán)過程中礫石元素淋溶量隨循環(huán)次數(shù)增加的累積量。元素累積淋溶總量變化見圖3（A圖為大量元素，B圖為微量元素）。

由圖3可知，大量元素、微量元素累積淋溶總量隨循環(huán)次數(shù)增加呈正相關。大量元素累積淋溶總量變化規(guī)律如下：粒度為1 cm 礫石隨鹽分濃度增大元素累積淋溶總量在前60 次呈先減后增趨勢，第80 次隨鹽分濃度增加而增加；粒度為2 cm礫石隨鹽分濃度增加呈先減后增趨勢；粒度為3 cm 礫石隨鹽分濃度增加除第20 次循環(huán)呈先減后增趨勢外，其余均逐漸減??；鹽分濃度為0、3 g·L-1處理下，大量元素累積淋溶總量隨粒徑增加第20、80 次呈先減后增趨勢、第40、60 次呈減小趨勢；鹽分濃度為6 g·L-1處理下，累積淋溶總量與粒徑呈負相關。微量元素累積淋溶總量變化規(guī)律如下：粒度為1 cm 礫石隨鹽分濃度增加微量元素累積淋溶量呈先減后增趨勢，粒度為2 cm 反之；粒度為3 cm 礫石微量元素累積淋溶總量與鹽分濃度呈正相關；同一鹽分濃度水平下，微量元素累積淋溶總量與粒徑呈負相關。

2.2 遷移累積系數(shù)

壓砂礫石中元素在降雨淋溶等風化過程中向水中遷移，大部分離子隨水流遷移至礫石下部土壤層中進而被作物吸收。采用遷移累積系數(shù)表征礫石元素風化淋溶狀態(tài)[8]，計算公式見式（2）。

式中，Cn為淋出液中元素含量（mg·L-1）；CD為礫石中元素含量（mg·L-1）。

本文采用蒸餾水淋溶液中各元素含量及礫石中各元素含量計算遷移累積系數(shù)。若某元素Kx小于1，則認為該元素處于遷移狀態(tài)；若某元素Kx大于1，則認為該元素處于富集狀態(tài)[23]。分別計算不同粒徑礫石中各元素在經過80 次凍融循環(huán)后遷移累積系數(shù)，氮元素各循環(huán)次數(shù)遷移累積系數(shù)大于1，均處于富集狀態(tài)，其余元素遷移累積系數(shù)見表4。

除N 元 素外，Ca、K、Mg、P、S、Si、B、Cu、Fe、Mn、Ni、Zn 元素遷移累積系數(shù)均小于1，為純遷移元素。經過80 次凍融循環(huán)后各元素遷移累積系數(shù)大致趨勢為S＞Mg＞Ca＞B＞K＞Ni＞Mn＞Fe＞Zn＞P＞Cu＞Si，表 明 在干濕 循 環(huán)作用中，Mg、Ca 等遷移能力較強元素受劇烈淋溶使其從礫石中淋失；Fe、Zn、P、Cu、Si 等難溶元素受強烈淋溶作用淋失量相對較小。S 元素與重金屬有較強的親和力較高遷移能力最強，可與Mg、Ca、K 等遷移能力較強元素形成化合物且易溶于水[15,24]。

圖3 元素累積淋溶總量變化Fig.3 Changes in the total amount of accumulated leaching

表4 各元素遷移累積系數(shù)Table 4 Migration accumulation coefficient of each element (%)

3 討 論

3.1 大量元素淋溶機理分析

灰綠板巖在干濕凍融循環(huán)作用下各元素與溶液發(fā)生物理、化學反應。同一粒徑處理下鹽分濃度增加促進Ca、K、Si 元素富集，Mg、P、S 元素淋失，形成原因可能如下：Ca 通常以碳酸鹽形式溶解于水中，離子半徑與鈉離子相近，Na 可在不同溫度下按不同比例在斜長石中與鈣作類質同象置換。在干濕凍融循環(huán)處理下，隨鹽分濃度增加Na 可與Ca 發(fā)生置換，使Ca 含量增加，同時含Ca硅酸鹽在風化過程中發(fā)生溶解釋放鈣；K 動能較低，具有較大溶解度，可富集于鹽湖。在溫度較低時鉀鹽溶解度比鈉鹽低，在地表干濕凍融風化過程中鉀和鈉化合物互溶量為零，因此鉀可從氯化鈉中分離形成鉀[24-25]；Si在溶液中常以硅酸或半硅酸形式存在。干濕凍融循環(huán)過程處于堿性環(huán)境，在pH＞8環(huán)境中鈉離子和硅酸生成離子，增加二氧化硅溶解度[26]；Mg元素主要來自綠泥石中，在巖石淋溶風化作用中，鎂遷移形式主要為氯化鎂和硫酸鎂。隨鹽分濃度增加，鎂與氯發(fā)生化合反應，使鎂含量減少；P元素在淋溶液中含量較少，在干濕凍融循環(huán)中這兩種元素大多從礦物中被淋濾出，鹽分濃度增加可促進磷元素釋放；S與Na、K等輕金屬元素形成化合物可溶解于水，鹽分濃度越高消耗硫元素越多[14]；N 元素在水中通常以NH4+、NO2-、NO3-形式存在，并相互轉換。N元素變化規(guī)律說明鹽分濃度較大淋溶液促進氮元素釋放析出。

Si元素是組成巖石礦物中除氧外含量最多的元素，Ca、Mg 是組成綠泥石、白云母、方解石主要元素，3 種礦物硬度較小且在自然狀態(tài)下不穩(wěn)定，干濕凍融循環(huán)下粒徑小的礦物與水接觸面積較大，易發(fā)生溶解。礫石粒徑越小與含氧水接觸越多，礦物中硫化物在含氧水作用下易發(fā)生溶解進而導致硫元素釋放。在鹽分濃度相同條件下，pH隨粒徑增大呈增大趨勢，P元素在堿性環(huán)境中易發(fā)生溶解。干濕凍融循環(huán)中硅酸鹽礦物中鉀易被析出并被水流帶走，但鉀元素極化率高易被小顆粒或土壤所吸附[14]。因此，粒徑越大淋溶液出S、Si、Ca含量越小，K、P元素含量越多。

3.2 微量元素淋溶機理分析

作物生長過程離不開微量元素，灰綠板巖中微量元素釋放在不同處理下存在差異。不同微量元素在干濕凍融循環(huán)作用下可能發(fā)生如下反應：Mn 在自然界中常以錳氧化物及其含氧酸鹽形式存在，在淋溶過程中可能與氯元素絡合形成錳氯絡合物，鹽分濃度增加即氯離子濃度增加，加速錳和氯的絡合使溶液中錳含量減小。Zn 元素常存在含有鐵鎂的造巖硅酸鹽礦物中，在干濕凍融風化淋溶作用下進入淋溶液中，溶液中鋅元素含量受碳酸鋅、磷酸鋅、氧化鋅等化合物約束。同時鋅還可與氯離子、硝酸根離子化合，易被黏土礦物吸附[15]；在堿性環(huán)境中，Ni在含有強氧化劑溶液中可被氧化成四價鎳離子形成含氧酸鹽，還可與鹵族元素形成鹵化物，同時鎳元素在造巖礦物中可與鐵、鎂等價類質同象置換進入鐵鎂硅酸鹽礦物中，在干濕凍融循環(huán)中導致鎳元素減小的原因可能是鎳與鹵族元素形成鹵化物及與鎂、鐵元素置換[16]；在鐵鎂硅酸鹽巖中二價Fe 離子呈六次配位，二價鎳離子可替代鐵離子進入硅酸巖中使得鐵離子淋溶釋放，還可能與溶液pH有關。隨鹽分濃度增加，淋溶液pH與濃度呈負相關，二價鐵離子隨pH 減小遷移能力逐漸增加。在含Cl 水溶液中，B元素穩(wěn)定性較弱，與離子化合能力較強的鈉可在冷水中溶解。由以上可能存在反應說明相同粒徑不同鹽分濃度處理下，鹽分濃度增加促進Fe、B元素釋放，同時制約Mn、Ni、Zn元素釋放。

礫石粒徑在一定程度上影響微量元素釋放。隨粒徑增加淋溶液pH呈升高趨勢，鐵在堿性水中遷移能力較弱，有自由氧存在時，亞鐵不穩(wěn)定易變?yōu)檫w移性較弱的氧化鐵從而減弱鐵元素釋放。Mn 元素離子半徑與Fe、Mg 相近，可類質同象替換，在干濕凍融循環(huán)過程中可能發(fā)生Fe 置換Mn。B元素釋放與溫度、礦物性質有關，且易被膠質黏土礦物吸附[14]。

檢測每循環(huán)20 次后淋溶液，分析不同鹽分濃度、粒徑對礫石礦質元素淋溶規(guī)律的影響。各元素淋溶量隨循環(huán)次數(shù)增加呈先增后減趨勢，與王霞研究結果接近[27]。在第60 次干濕凍融循環(huán)下淋溶量達到峰值，說明經過60 次循環(huán)后，礫石中大部分可溶礦物達到最大溶解限度，同時干濕凍融過程中水分凍脹、間歇滲透作用使礫石內部結構疏松，水溶性較強元素淋失量達到峰值[28]。鹽分濃度設置是模擬當?shù)赜盟ㄎ⑾趟Φ[石中元素淋溶的影響，與蒸餾水相比，鹽分濃度增加可在一定程度上促進作物生長所需礦質元素Ca、K、P、Si、Fe、B 釋放同時抑制Mg、Mn、Ni、Zn 元素釋放。K、P、N 元素是植物生長發(fā)育所需三大營養(yǎng)元素，三大元素參與植物體內生理生化反應、促進有機物合成、提高酶活性及抗逆性[29]、參與植物光合作用并維持植物表皮細胞等滲透調節(jié)作用[30-31]，提供作物生長相關生理活動所需，但在實際壓砂地中礦質元素含量不均一，因此，在實際施肥、灌溉壓砂地過程中要因地制宜，根據(jù)不同肥力、土壤元素含量合理施肥。

4 結 論

通過分析壓砂礫石作干濕凍融后淋溶液中元素釋放、遷移規(guī)律，得出如下結論：

a.各處理下元素淋溶總量呈先增后減趨勢，大量元素淋溶總量峰值出現(xiàn)較微量元素晚，可能與Si元素釋放量較大且在第60次達到峰值有關。

b. 相同粒徑下，淋溶液中Ca、K、P、Fe、Si元素淋溶量與鹽分濃度呈正相關，Mn、Zn、Cu、Ni、S、Mg、N 元素淋溶量反之；相同鹽分濃度下淋溶液中Ca、Si、Fe、Mg 元素淋溶量與粒徑呈負相關，K、P、Mn元素淋溶量反之。對于鹽分較高且壓砂礫石粒徑較大地塊，可適量減少鉀肥、磷肥施用。

c.各處理下礫石中Mg、Ca、K 等易溶元素遷移能力大于Fe、Zn、Si 等難溶元素，可為作物提供一定量礦質元素。從礦質元素釋放總量隨循環(huán)次數(shù)增加變化趨勢看，在夏季砂田溫度為30 ℃時對壓砂地多次灌溉可使巖石內部礦質元素釋放。