基于数字图像技术反演中国东北黑土有机质含量

以东北黑土为研究对象,利用数码相机获取黑土的数字图像,遴选与土壤有机质(SOM)含量相关的红(R)、绿(G)、蓝(B)颜色分量,并通过逐步多元回归(SMRM)和神经网络模型(NNM)建立基于数字图像的SOM含量预测模型。结果表明:黑土数字图像的各颜色分量原始值与SOM含量的相关系数绝对值(r)依次为:R>G>B,分别为0.67、0.65、0.50。原始值经对数和开平方数值变换后,r增加,而经倒数和平方变换后,r降低。据此,基于数字图像R、G、B颜色分量的原始值和各变换值建立了预测SOM含量的SMRM模型,训练集和验证集决定系数(R2)分别为0.43~0.50和0.46~0.50,均方根误差(RMSE)分别为1.28%~1.39%和1.31%~1.39%(P<0.001),其中基于对数和开平方变换值的模型拟合程度和预测精度更高。同时,利用NNM模型基于黑土R、G、B颜色分量的原始值反演SOM含量,发现多层感知器算法模型得到的黑土SOM实测值和预测值之间R2均为0.49,RMSE为1.31%和1.28%(P<0.001)。因此,SMRM和NNM均能通过黑土数字图像的R、G、B颜色分量反演SOM含量,其是快速获取中国东北黑土SOM含量的一套可操作的预测方法。

便携式土壤多参数快速检测仪原位测量东北黑土pH

土壤pH是耕地质量的重要指标之一,准确快速获取土壤pH对数字农业具有重要意义。以我国东北黑土地区耕地土壤为研究对象,利用便携式土壤多参数快速检测仪(SHMI2000)对辽河平原和松嫩平原黑土pH进行原位测量,并将结果与实验室电位法(HJ 962—2018)测定结果比较。结果发现:(1)实验室电位法测定我国黑土区表层和亚表层黑土pH分别为4.04~10.09和4.01~10.06,平均值分别为6.13和6.47,变异系数分别为19.64%和18.37%,属于中等变异强度。整体上,黑土呈现西南(黑龙江西部、吉林北部和内蒙古南部地区)偏碱,东部(三江平原)、北部(松嫩平原)和黑龙江、吉林、辽宁三省南部偏酸的空间分布格局。(2)利用SHMI2000在野外原位测定了表层和亚表层土壤pH,与HJ 962—2018法测定的pH具显著相关,皮尔逊相关系数r达到0.81(P=9.11×10^(-52))(3)以0.2个单位的原位pH为步长,对两种方法获得的黑土pH进行移动平均处理后,皮尔逊相关系数r提高至0.93。因此,SHMI2000原位测定黑土pH准确可靠,适合东北黑土pH的快速获取。

砖红壤中铬的溶出和外源三价铬的氧化转化

砖红壤铬(Cr)的背景值和锰氧化物的含量均较高,当土壤中Cr溶出或者受到Cr(Ⅲ)污染,可能被氧化生成毒性较高的Cr(Ⅵ),从而对周围环境造成威胁。为考察砖红壤中Cr的环境风险,以云南、海南和广东采集的部分砖红壤为对象,研究土壤中Cr的溶出和外源Cr(Ⅲ)的氧化。连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠法提取和电子探针扫描分析的结果表明,砖红壤中的Cr主要与铁氧化物和硅酸盐矿物结合,呈非活性状态。盐酸和柠檬酸的酸化和络合作用促进了Cr的溶出,但即使1 mol·L^(-1)的盐酸也仅使海南3和广东9砖红壤中3.68%和3.54%的Cr溶出。向砖红壤中添加Cr(Ⅲ)并培养42d,发现少量添加的Cr(Ⅲ)氧化为Cr(Ⅵ),但不同土壤中Cr(Ⅵ)的生成量与亚锰的净产生量不一致,说明土壤中Cr(Ⅲ)氧化生成的Cr(Ⅵ)可能会被土壤有机质重新还原为Cr(Ⅲ)。去除土壤有机质后,一次平衡实验中观察到外源添加的Cr(Ⅲ)氧化为Cr(Ⅵ),氧化量与土壤易还原锰的含量一致。随着溶液pH的增加,Cr(Ⅲ)的氧化量呈先上升后降低的趋势,在pH4.5时Cr(Ⅲ)氧化量达最大值,但Cr(Ⅲ)的氧化转化量在Cr(Ⅲ)添加量中的占比很小,外源Cr(Ⅲ)在土壤中氧化转化的风险也很低。虽然砖红壤的背景Cr和易还原锰的含量较高,但自然条件下Cr的溶解和Cr(Ⅲ)的氧化反应很难发生,Cr(Ⅲ)不易转化为Cr(Ⅵ),因此无需过度担忧砖红壤中Cr的环境风险。

铝氧化物对层状硅酸盐矿物和红壤酸化过程中铝活化的影响

层状硅酸盐矿物和铝氧化物是土壤酸化过程中铝活化的主要来源,二者也是土壤中化学反应较为活跃的部分。关于铝氧化物对层状硅酸盐矿物和土壤酸化过程中铝活化的影响及机制还有待深入研究。本文利用恒pH自动电位滴定仪精确控制模拟矿物和土壤悬液的pH,研究了三水铝石对高岭石、无定形铝氧化物对高岭石和蒙脱石酸化过程中铝活化的影响;此外,还研究了两种铝氧化物和两种层状硅酸盐矿物在不同pH条件下的铝活化动力学;最后,选择了一种第四纪红黏土发育的红壤进行了包铝处理,研究了包铝对土壤铝活化的影响。结果表明,三水铝石对高岭石酸化过程中铝活化有促进作用。而包铝处理对高岭石酸化过程中交换性铝的产生有抑制作用,对水溶性铝的产生有促进作用。对于蒙脱石,无定形铝氧化物主要对交换性铝的产生有明显的促进作用。4种矿物的铝活化动力学结果表明,矿物铝释放的难易程度为:无定形铝氧化物>蒙脱石>高岭石>三水铝石。土壤包铝处理后,在pH4.3条件下,土壤交换性铝和水溶性铝含量均明显增加,水溶性铝含量增加幅度更大。这与高岭石包铝处理后的结果一致,主要原因是该土壤中的主要黏土矿物为高岭石。因此,铝氧化物对不同层状硅酸盐矿物铝活化有不同影响,主要与矿物的本性有关(如1︰1或2︰1型矿物)。而对于土壤酸化过程中铝活化的影响主要与其所含黏土矿物类型有关。

低分子量有机酸对高岭石中铝释放的影响

选择了几种土壤中可能存在的低分子量脂肪羧酸 ,研究了它们对高岭石中铝释放的影响。结果表明 ,有机酸可以通过络合作用促进高岭石中铝的释放。几种有机酸对体系中可溶性铝影响的大小顺序为 :草酸 >柠檬酸 >丙二酸 >苹果酸 >乳酸。草酸、柠檬酸和乳酸对可溶性铝释放的促进作用随体系pH的升高而减小 ,其中草酸体系中可溶性铝随pH的变化幅度最大。在苹果酸体系中 ,可溶性铝随pH的升高而稍有增加。体系中的可溶性铝随有机酸浓度的增加而增加 ,而交换性铝随柠檬酸浓度的增加而减少 ,先随苹果酸浓度增加而增加 ,然后又逐渐减少。与对照相比 ,柠檬酸和草酸使交换性铝的量减小 ,苹果酸和乳酸在低pH下使交换性铝明显增加 ,而苹果酸在较高pH下使交换性铝减少。有机酸影响释放出的铝在固液相间的分配比 ,苹果酸在低pH下使体系中释放出的大部分铝以交换性形态存在 ,而在较高pH下 ,大部分铝以可溶形态存在。在草酸体系中 ,释放出铝的大部分都以可溶形态存在。不同有机酸的不同表现与体系中铝的溶解平衡、铝的吸附 -解吸平衡、有机酸的吸附 -解吸平衡、有机酸的离解平衡和铝与有机酸的络合 -离解平衡有关。

低分子量有机酸影响可变电荷土壤吸附铜的机制

采用平衡实验法研究了水杨酸和邻苯二甲酸对砖红壤吸附铜的影响,并通过吸附铜的解吸实验探讨了有机酸对铜吸附的影响机制. 结果表明,有机酸可以增加土壤对铜的吸附量,与对照相比,有机酸体系中吸附的铜的解吸量高.有机酸对铜吸附的影响随体系pH值的增加而增大,约在pH4.3(水杨酸体系)或pH4.5(邻苯二甲酸体系)达最大,然后逐渐减小.土壤对有机酸的吸附量越高,有机酸对铜吸附的影响程度越大.有机酸可以通过形成表面三元络合物和改变土壤的表面电荷2种机制影响土壤对铜的吸附.水杨酸体系中铜的解吸增量与吸附增量的百分比在76%～89%之间,说明水杨酸主要是通过增加土壤表面的净负电荷量来增加铜的静电吸附量.

可变电荷土壤中特殊化学现象及其微观机制的研究进展

综述了近年来可变电荷土壤化学研究的进展,着重总结了可变电荷土壤中的盐吸附、铁铝氧化物对土壤自然酸化的抑制作用和离子强度对离子专性吸附的影响等特殊化学现象及其微观机制的研究进展。用颗粒表面扩散层重叠导致有效电荷数量减小的原理解释了盐吸附现象和铁铝氧化物对土壤自然酸化的抑制作用。阐明了可变电荷土壤和矿物中介质离子强度影响离子专性吸附的机制,用四层吸附模型解释了离子专性吸附随离子强度增大而增加的现象,并根据胶体zeta电位随离子强度改变而变化的趋势进一步证明了离子强度增大使胶体专性吸附面上静电电位的绝对值减小,是离子专性吸附随离子强度增大而增加的主要原因。带电颗粒表面双电层结构和双电层相互作用的深入研究,有助于阐明可变电荷土壤中一些特殊化学现象的微观机理,从而进一步完善土壤化学理论。

砷酸根对砖红壤中铜吸附和解吸影响的初步研究

研究了加砷酸根对砖红壤吸附铜及随后吸附性铜的解吸的影响.结果表明,加砷后土壤对铜的吸附量和解吸量均增加.随砷加入量的增加,土壤对铜的吸附量和吸附性铜的解吸量均增加.在pH值为3 4至5 2范围内,砷对铜吸附的促进作用随pH值的增加而增加,约在pH值为4 5时达最大,然后逐渐减小.表面电荷的测定结果和铜的解吸实验结果均说明砷酸根主要通过自身的吸附来增加土壤的表面净负电荷,从而增加土壤对铜的吸附量.

低分子量有机酸对两种可变电荷土壤吸附铜的影响

采用室内实验方法,研究了3种低分子有机酸对两种可变电荷土壤吸附铜的影响。结果表明,有机酸对铜吸附的影响与有机酸的种类和土壤类型有关,柠檬酸和苹果酸能显著增加可变电荷土壤对铜的吸附,而草酸在低浓度下对铜吸附有一定的增加作用,随着草酸加入量的增加其主要表现为对铜吸附的抑制作用。有机酸主要通过与铜形成表面三元络合物来增加铜的吸附量,以这一机制吸附的铜不能为中性盐NaNO3交换而解吸,因此可以降低铜的活动性和生物有效性。

基于Zeta电位的水稻土吸附Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)能力的比较

测定了3种水稻土胶体在不同Cd/Pb摩尔比的悬液体系中的Zeta电位,并与2种重金属离子在土壤中的吸附量和解吸量进行比较,当Cd/Pb摩尔比为1∶4时,Zeta电位数值最高;Cd/Pb摩尔比为1∶1时Zeta电位数值居中;Cd/Pb摩尔比为4∶1时Zeta电位数值最小,因此,Pb(Ⅱ)在三种土壤表面发生专性吸附的能力均大于Cd(Ⅱ),这与土壤中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附量和解吸量的结果相一致.

pH对酸性土壤中铝的溶出和铝离子形态分布的影响

pH对酸性土壤中铝的溶出和土壤溶液中铝离子形态分布的影响的研究结果表明，土壤中铝的溶出量随pH降低而增加，pH对不同土壤中铝的溶出的影响不同，三种土壤中铝的溶出量受pH影响的大小顺序是：红壤＞赤红壤＞砖红壤，说明不同类型土壤中铝的溶出对外来酸的敏感程度不同。对三种单核无机形态铝的研究结果表明，土壤溶液中铝离子的形态分布随pH的改变而变化。随pH降低，Al3+占总单核无机铝的比例增加，而Al－F络合物呈相反的变化趋势，在所研究的pH范围内，Al-OH均占很小的比例，一般不超过总单核无机铝的5％。温度影响铝的溶出量和溶出的铝离子形态的分布，随着温度的降低，铝的溶出量增加，Al3+占无机铝的百分数增加，而Al-F络合物所占比例相应减小。土壤溶液中的聚合态铝占总酸溶性铝的比例随pH的降低而减小。在酸性至强酸性条件下（pH＜45），聚合态铝所占比例很小。对红壤和砖红壤的研究结果表明，酸性土壤中铝的溶解度主要受固相铝的氧化物所控制。

我国东部七省(闽、浙、赣、湘、鄂、苏、皖)生态系统对酸沉降的临界负荷的研究2.临界负荷和临界负荷图

本文用MAGIC区域模型研究了我国东部地区生态系统对酸沉降的临界负荷 ,并初步编制了临界负荷图。根据模型的预测结果 ,对不同酸沉降水平下 ,该地区土壤的酸化趋势进行了讨论。根据所编制的酸沉降临界负荷图 。

砖红壤吸附低分子量有机酸的初步研究

本文用一次平衡法研究了砖红壤对柠檬酸、草酸和醋酸等 3 种低分子量有机酸的吸附反应。结果表明砖红壤对多元羧酸有很高的吸附容量,3 种有机酸吸附量的大小顺序为:柠檬酸>草酸>醋酸。土壤体系中有机酸的吸附量先随 pH 的增加而增加,约在 pH5.0 左右达最大,然后逐渐减小。土壤中的氧化铁是有机酸吸附的主要载体,当用 DCB 法将土壤游离氧化铁去除后,土壤对有机酸的吸附量大幅度减小。

酸化对茶园黄棕壤CEC和粘土矿物组成的影响

用采自江苏溧阳种茶13 a和34 a的茶园黄棕壤表土和种茶54 a的茶园土壤剖面研究了酸化对土壤黏土矿物组成和阳离子交换量(CEC)的影响。结果表明:种茶13 a和34 a,表层土壤发生明显酸化,但土壤2∶1型黏土矿物的质量分数和CEC均与荒地土壤相似,说明酸化没有对黏土矿物转化和CEC产生明显影响。但种茶54 a后土壤发生进一步酸化,表层和表下层土壤pH降至3.79和3.70。土壤2∶1型黏土矿物质量分数随采用深度的增加而增加,高岭石质量分数呈相反的变化趋势。说明表层和表下层土壤的严重酸化加速土壤2∶1型黏土矿物向1∶1型高岭石的转化,这导致表层和表下层土壤CEC显著减小。

用土柱淋溶实验研究水杨酸对酸性土壤铝迁移的影响

选择2种可变电荷土壤和1种酸性恒电荷土壤用土柱淋溶实验研究了水杨酸对土壤铝迁移的影响。结果表明,不同土壤由于矿物组成的差异,它们对有机酸的吸附容量有很大的不同,因此有机酸对不同土壤中铝的迁移有不同的影响。富铁土游离氧化铁的含量低于铁铝土,它对有机酸的吸附量也低于铁铝土的,因此在淋溶实验初期,有机酸对铝迁移的影响较小,在淋溶实验后期,由于土壤对有机酸的吸附达饱和状态,有机酸对铝的迁移表现出很强的促进作用,特别在有机酸初始浓度较高的情况下。铁铝土含有大量铁、铝氧化物,对有机酸有很高的吸附容量,有机酸对这类土壤铝迁移的影响很小。淋溶土对有机酸的吸附量很小,当有机酸的初始浓度较高时,淋溶实验开始后不久,有机酸就对铝的迁移表现出明显的促进作用。实验结果还表明,铝的迁移还与体系pH有关,低pH条件有利于土壤铝的溶解和迁移。

Cu(Ⅱ)对红壤吸附Cr(Ⅵ)的影响

选择3种红壤研究了Cu(Ⅱ)对土壤吸附CrO42-的影响,结果表明Cu(Ⅱ)显著增加了土壤对CrO42-的吸附量,Cu(Ⅱ)对CrO42-吸附的影响程度随着Cu(Ⅱ)加入量的增加和体系pH的升高而增加。3种土壤对CrO42-的吸附量及Cu(Ⅱ)对土壤吸附CrO42-影响的大小顺序为:广西红壤>湖南红壤>江西红壤,这与这些土壤游离氧化铁和游离氧化铝含量的大小顺序基本一致。Cu(Ⅱ)不仅增加土壤对CrO42-的吸附量,在铜存在下土壤吸附的CrO42-的解吸量也高于对照体系中的,但解吸增量(加铜体系与对照体系之间解吸量的差值)比吸附增量(加铜体系与对照体系之间吸附量的差值)低得多,说明Cu(Ⅱ)对CrO42-在土壤中吸附的促进作用机制涉及静电作用、专性吸附和表面共沉淀。不同土壤中,不同机制对Cu(Ⅱ)促进CrO42-吸附的相对贡献不同,广西红壤中静电吸附的贡献很小;而在江西红壤和湖南红壤中,由于铜的吸附导致土壤表面正电荷增加使土壤对CrO42-静电吸附量增加是铜增加CrO42-吸附的重要原因之一。铜的促进作用增加了红壤对CrO42-的吸附量,降低了CrO42-在土壤中的活动性。