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长期定位培肥黑土对Cu~(2+)的吸附作用研究

丁华  
【摘要】:目前,环境问题已经成为当今世界五大问题之一,而土壤和重金属的污染问题则是导致环境问题的两个重要因素。随着工农业的发展,环境中的重金属污染状况也越来越严重。重金属排入环境后具有长期累积的特性,会对生物和人体一定的毒性作用;而且重金属会随水迁移,对我们周围的土壤以及地下水造成严重的污染。有关重金属吸附特性的研究也越来越受到人们的关注,而重金属Cu2+既是植物生长所必需的微量营养元素之一,又是污染元素。当土壤环境中累积了过量的Cu2+后,会抑制植物光合作用,导致作物减产;同时对生态系统的安全和人类的健康都会构成一定的威胁。Cu2+进入土壤后首先发生的重要反应就是吸附作用,其作为土壤环境中Cu2+的生态行为的同时也反映进入土壤环境中Cu2+的污染生态过程。土壤对离子的吸附是在不同的环境介质条件下进行的,如不同的pH值、温度、反应时间等,这些环境因素的差异都会对离子的吸附产生不同程度的影响。 黑土是我国东北典型的地带性土壤,研究其对Cu2+的吸附特性,尤其是长期定位培肥的黑土,有助于阐明Cu2+在土壤中的移动及其植物有效性,同时可以为制定其对Cu2+的环境容量,合理利用农业废弃物,防治Cu2+污染的措施等提供理论依据。 本论文选择不同培肥途径腐殖酸和水稳性团聚体,开展了其对Cu2+的吸附特性的研究。具体内容如下:以空白对照(CK)、休闲、NPK、有机肥(M)+NPK、有机肥(M)+NPK+轮作(R)、秸秆(S)+NPK六种培肥处理的黑土为供试对象,通过批量平衡法研究了腐殖酸和团聚体样品在pH值(2~8)、温度(298K~318K)及接触时间(10~1440min)等不同条件下对Cu2+的吸附作用,用Freudlich、Langmuir和Temkin方程来拟合热力学吸附过程,同时用Elovich、一级动力学方程、双常数方程和抛物线扩散方程来拟合动力学吸附过程。从而探索不同培肥途径腐殖酸和水稳性团聚体对Cu2+的吸附规律并比较它们之间的吸附差异,以上研究可以为土壤中重金属污染的预防、修复和治理,以及农业废弃物的合理利用提供理论参考和指导。 通过上述研究,本文得出以下结论: (1)在不同影响因素试验中,不同培肥耕层土壤团聚体对Cu2+的吸附作用受pH值的影响最为强烈,随体系pH值的增大吸附量迅速增大。在pH2~4范围内,Cu2+的吸附率较低且增加缓慢,当pH值在4~6范围内时,Cu2+的吸附率急剧增加,pH7以上时,Cu2+的吸附率已接近100%;在不同pH条件下,不同培肥途径团聚体对Cu2+的吸附容量均表现为:秸秆(S)+NPK有机肥(M)+NPK+R有机肥(M)+NPKNPK休闲CK,该趋势在2-4时较为明显。 (2)随Cu2+浓度的增加和温度的升高,不同培肥耕层土壤水稳性团聚体对Cu2+的吸附量增加。六种不同培肥耕层土壤的四个不同粒径团聚体对Cu2+的吸附等温线均可以用Freundlich、Langmuir和Temkin方程很好的描述,其中又以Langmuir方程的拟合为最佳。根据Langmuir方程的最大吸附量(Ym)值发现增温有利于吸附的自发性,但并不能改变Cu2+在团聚体表面的混乱度。 (3)不同培肥耕层土壤团聚体对Cu2+的吸附量随接触时间的增加而增大,具体表现为:吸附开始的快速反应阶段和经过一段时候后的慢速反应阶段,直至吸附达到稳定平衡的状态。把反应的回归分析结果利用Elovich方程、一级动力学、双常数方程和抛物线扩散方程进行拟合,拟合结果发现:这4种动力学方程对Cu2+吸附动力学曲线的拟合效果均较好,其中以双常数和Elovich方程拟合的效果最佳。根据一级动力学方程的反应速率常数(kD),表明温度升高有利于提高反应的速率。


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