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水稻土团聚体颗粒组对外源污染物(镉、铜和菲)的吸附—解吸特性研究

王芳  
【摘要】:团聚体颗粒组是土壤的最基本结构单元,是矿物质、有机质、生物质相互作用在特定条件下的组合,随着土壤有机质的转化和更新,团聚体也会更新,从而导致团聚体颗粒组组成物质的分异,所以不同粒径的团聚体颗粒组对外源污染物的环境功能也可能产生差异。 本文选择太湖地区典型水稻土,研究其不同粒径团聚体颗粒组对外源污染物重金属和有机污染物的吸附-解吸特性及影响因素,以期探讨外源污染物在团聚体颗粒组中的迁移转化特性,为理解田间土壤环境过程提供科学依据。主要研究结果如下: 1、水稻土团聚体颗粒组对重金属镉(Cd2+)的吸附符合Freundlich等温吸附方程,吸附容量以黏粒组最高,粗砂粒组次之,粉砂粒组最低。然而团聚体颗粒组对Cd2+的贡献率却以粉砂粒组和细砂粒组最高。团聚体颗粒组对Cd2+吸附量高于原土,可能意味着传统处理土壤的化学研究低估了重金属的环境移动性。团聚体颗粒组对Cd2+的吸附能力随着有机质含量的升高而升高,与其中阳离子交换量(CEC)和游离氧化铁(Fed)的含量呈显著正相关。不同团聚体颗粒组对Cd2+的解吸特点不同,黏粒组对Cd2+的解吸率(CaCl2解吸)仅为8.4%,远远低于其它的团聚体颗粒组,说明黏粒组对Cd2+的专性吸附能力高于其它团聚体颗粒组。 2、两种不同发生类型的水稻土-黄泥土和乌栅土团聚体颗粒组对重金属铜(Cu2+)的吸附特性均符合Freundlich和Langumir方程,均以黏粒组及粗砂粒组对Cu2+的吸附容量最大。然而细砂粒组和粉砂粒组是决定土壤Cu2+吸附量的主要贡献者。不同团聚体颗粒组与原土间的吸附量不一定都具有加和性,在Fed含量较低的乌栅土中,团聚体颗粒组与原土之间的Cu2+吸附量则加和性较好。在较低Cu2+浓度时,团聚体颗粒组对Cu2+的吸附率皆达到100%,然而随着Cu2+浓度的升高,吸附率则都降低,以黄泥土团聚体颗粒组降低的幅度较快,特别是粉砂粒组。黏粒组和粗砂粒组对Cu2+的固持能力要高于其它团聚体颗粒组。对同一团聚体颗粒组来说,黄泥土对Cu2+的吸附能力明显低于乌栅土。团聚体颗粒组对cu2+的最大吸附量与其中的有机碳、Fed的含量显著相关,但土壤有机质(SOM)是影响团聚体颗粒组吸附与固持Cu2+的优先因素。此结果说明不同发生类型土壤团聚体颗粒组对重金属的吸附解吸特性和优先影响因素是相同的,仅表现为吸附容量的差异。 3、去除不同发生类型水稻土团聚体颗粒组的Fed后,黄泥土团聚体颗粒组对Cu2+的吸附量下降了5.9%(细砂粒组)-40.4%(粗砂粒组),原土仅降低2.9%,而H202处理后Cu2+的吸附量下降以粗砂粒组最高超过了80%,以黏粒组最低仅为15%,原土为88%;然而DCB处理后,乌栅土团聚体颗粒组对Cu2+的吸附量下降了30%(粗砂粒组)-75%(粉砂粒组),原土为44.5%,H2O2处理后团聚体颗粒组对Cu2+的吸附量下降了2.0%(粗砂粒组)-15%(细砂粒组),原土为3.4%。DCB处理后,两土壤解吸率变化较小,H202处理后黄泥土解吸率上升超过80%(除黏粒组9.5%),而乌栅土以粉砂粒组升高最多仅为5.2%;在去除SOM或Fed后,两种水稻土不同团聚体颗粒组对Cu2+的保持能力都有一定程度的下降。特别是,黄泥土的团聚体颗粒组(除黏粒组外)在去除SOM后对Cu2+几乎没有保持能力。这些结果再次表明粗砂粒组在金属吸附中的重要性,且优先吸附与不同稳定状态SOM结合的重金属。因此,水稻土SOM的更新与转化对水稻土环境中重金属保持和化学迁移有重要影响。 4、不同施肥处理对团聚体颗粒组中吸附的菲含量有较大影响,其中以化肥区(CF)菲含量最高,其次为无肥区(NF),常规区(CFM)和秸秆区(CFS)的菲含量最低。不同施肥处理下,团聚体颗粒组中吸附的菲具有相似的特点,主要分布在黏粒组和粗砂粒组,与团聚体颗粒组中吸附的重金属具有相似的特点,然而贡献率却以细砂粒组和粗砂粒组最高。长期施肥处理对原土和团聚体颗粒组中吸附的菲移动性均无显著影响,在电解质作用下菲均无溶出。因此,长期不同施肥处理在影响团聚体颗粒组的组成、有机碳含量的同时,也可对团聚体颗粒组中吸附的菲含量有着显著的影响。 5、团聚体颗粒组对外源菲的吸附等温线可用Freundlich方程较好的拟合,以黏粒组和粗砂粒组对菲的吸附能力较强,与团聚体颗粒组对重金属吸附特性相似,贡献率却以细砂粒组和粗砂粒组最高。然而,不同团聚体颗粒组的logKoc值较接近,说明SOM是影响团聚体颗粒组吸附菲的优先因素。不同施肥处理下,CF降低了团聚体颗粒组对菲的吸附量,而CFS和CFM却相反,然而未影响团聚体颗粒组的吸附特性。团聚体颗粒组去除SOM后对菲的吸附量均大幅下降,表明有机质对菲的吸附具有重要作用。团聚体颗粒组预吸附Cu2+后,对菲的吸附量增加。不同施肥处理下原土对菲的循环吸附/解吸试验结果表明吸附到固相的菲有相当一部分难以再解吸进入液相,即存在着不可逆吸附行为,并且以CFM和CFS对菲的不可逆吸附量较大。团聚体颗粒组对菲同样存在不可逆吸附现象。 6、水稻土团聚体颗粒组对重金属和有机污染物的吸附均可以用Freundlich方程描述,然而对重金属的吸附也可以用Langumir来拟合;团聚体颗粒组对重金属和有机污染物解吸分别用Freundlich和线性方程描述。黄泥土团聚体颗粒组对重金属和有机污染物的吸附与原土相比都存在不可加和性,并且以粗砂粒组和黏粒组对外源污染物的吸附容量较大,然而重金属的贡献率以细砂粒和粉砂粒最大,有机污染物的贡献率则以细砂粒和粗砂粒组最大,说明野外土壤对外源污染物重金属和有机污染物的主要作用单元是不同的。另外,团聚体颗粒组对重金属的解吸率都较低,依重金属类型而异,说明团聚体颗粒组对重金属的吸附主要以专性吸附为主;相比之下,团聚体颗粒组对有机污染物的解吸则存在着不可逆现象。就影响因素而言,团聚体颗粒组对外源重金属和有机污染物的吸附解吸过程都优先受有机质的影响。化肥配施有机肥降低了团聚体颗粒组吸附的菲含量,却增加了对外源有机污染物的吸附量,充分体现了团聚体颗粒组中生物质所起的重要作用。不同发生类型土壤团聚体颗粒组对重金属的吸附解吸特性及优先影响因素是相同的,表现为吸附容量的差异;而不同发生类型土壤对有机污染物的行为还需要进一步研究。


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