利用31P-NMR技术研究环境样品中磷形态特征及其在土壤中形态转换

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城市化每年产生大量的有机废弃物,如污水处理厂产生的污泥、畜禽粪便、生活垃圾、绿化植物废弃物等等,愈来愈多的有机废弃物面临处理处置的难题。同时我国土壤也普遍面临缺磷的现状,而污泥、畜禽粪便、生活垃圾等有机废弃物均含有丰富的氮、磷和有机质等营养物质,如果将这些有机废弃物应用于土壤,不但能有效地提高土壤含磷量,而且能解决有机废弃物处理处置难的问题,是一种符合当前循环经济发展理念的废弃物处置方式。但土壤中施入过多的磷又是潜在的污染源,不同形态磷在土壤中化学行为不同,本文采用NaOH/Na2EDTA-31P-NMR技术为主,结合传统的磷分析方法,对典型有机改良材料中磷的形态以及进入土壤后磷形态变化情况进行研究,为确保有机改良材料能比较科学、合理地在土壤中应用提供技术依据。本论文选择3种典型的地带性土壤以及23种有机改良材料进行磷形态分析,结果显示:与传统的NaOH熔融法测定全磷相比,NaOH/Na2EDTA浸提的全磷占39.18%-134.43%,且两种方法测定的全磷含量之间存在极显著相关关系(R2=0.8433,p<0.01);和传统的灼烧法测定有机磷相比,31P-NMR浸提法测定的有机磷占0%-102.63%,且两种方法测定的有机磷之间呈显著相关(R2=0.6612,p<0.05)。就3种土壤而言,用31P-NMR方法分析得出黑土磷提取率最高,且以有机磷为主。除矿化垃圾外,所有有机改良材料均含丰富的有机磷;且正磷酸单酯是主要的有机磷形态,只有部分样品如大部分污泥、部分畜禽粪便和草炭中测定出正磷酸二酯、焦磷酸盐和DNA;所有样品均没有检测出磷酸酯和多磷酸盐。从磷的形态和组成能比较清晰地了解有机改良材料所处的状态以及处置的程度,31P-NMR技术对有机质含量高和重金属Fe, Mn和Al含量低的样品测定效果比较好。施入不同有机改良材料对土壤的pH值、有机质含量、全磷含量、有机磷含量都有明显的影响。土壤有机质和全磷含量是随着有机改良材料含量增加而增加的。而有机磷的变化趋势却不明显,就不同有机改良材料而言,在同样的施磷量时,以绿化植物废弃物对有机磷的固定效果最好;就不同土壤而言,砖红壤由于本身pH值比较低,因此有利于有机磷的固定.磷酸酶活性受土壤类型和有机改良材料的影响比较大。一般砖红壤和灰潮土磷酸酶活性随有机改良材料施用量的增加而增加,而黑土可能由于本身有机磷含量比较高,施入有机改良材料反而降低了土壤磷酸酶的活性,就不同有机改良材料而言,绿化植物废弃物对磷酸酶活性提高效果最好,和对土壤有机磷固定效果一致;其次为绿化植物废弃物与施入含磷0.96g·kg-1的磷酸二氢钾混合施用;而矿化垃圾降低土壤磷酸酶活性。从这些样品的31P-NMR图谱还可明显地到知各材料施入土壤中:土壤的各种磷化合物都有所增加;但磷形态的变化主要发生在有机改良材料施入土壤中的14d,18d内,正磷酸二酯水解消失;无机正磷酸盐所占的比例随着培养时间逐渐增加;正磷酸单酯逐渐减少。有机磷转化为无机磷,使无机磷含量增加,虽然有利于植物的生长发育,但是过多的无机磷产生的环境问题应引起高度重视。盆栽试验后,明显地发现土壤中有效磷含量减少,不同配比条件下植物的生长状况不同,施用绿化植物废弃物和牛粪的土壤中植物长势较好。但是要对盆栽试验前后有效磷减少量较少的配比方案引起高度重视,多余的磷易引起淋溶,引起水体富营养化现象。无论从不同含量磷用量还是外源磷在土壤中形态转换均可以看出,过多的磷不利于有机磷的固定,有机改良材料虽含丰富的有机磷,但进入土壤后容易转换成无机磷,所以在各有机废弃物的土地利用过程中,要遵循少量多次的原则,以减少对环境的潜在污染。同时针对不同类型土壤应采用不同的施磷对策,对土壤本底磷含量比较高的土壤,应尽量减少施磷量,反之土壤本底含量低的,可适当增加第一次的施磷量。
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