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溶解性有机质的动态变化及其对有机物吸附解吸的影响

唐东民  
【摘要】: 溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM),亦称水溶性有机质,主要是指能够溶解于水、酸或碱溶液中的有机质,如天然水中的有机质、土壤溶液中的有机质、土壤和有机肥中能被水、酸或碱等浸提的有机质。其操作上定义为能通过0.45μm滤膜的有机质。由于其水溶性特点,DOM被认为是陆地生态系统和水生生态系统中一种重要的、非常活跃的化学组分,是土壤圈与相关圈层物质交换的重要形式,影响着成土过程和营养物质的输送,以及有机污染物质的环境行为特性(如毒性、迁移转化特性以及生物可降解性等)。随着人们对有机污染关注程度的加深,DOM对有机物环境行为的影响研究日益成为土壤学、生态学和环境科学等学科的研究热点。本文以有机物料(水稻秸秆)为DOM来源,研究了其腐解过程中DOM的动态变化。同时,采用完全混合法定量地研究了各腐解阶段DOM对除草剂(苄嘧磺隆,BSM)和多环芳烃(芘,PYR)在土壤中吸附解吸行为的影响,并探讨了影响机理。得到以下主要结论: (1)采用化学分析、XAD-8树脂分组等方法研究了水稻秸秆分解过程中产生DOM的组成性质变化特征。结果表明,有机物料分解期间溶出DOM的含量与化学组成是一个动态变化的过程。在有机物料分解的初期阶段,有机物料自身溶出的水溶性物质等是DOM的主要来源,此时DOM组成以碳水化合物和有机酸为主,表现出较强的亲水性。随着秸秆进一步腐解,半纤维素、纤维素的分解产物成为DOM的主要来源,此时DOM组成主要是分子量大、芳香性较强的物质,表现出很强的疏水性。秸秆分解91天后,DOC、DON、水溶性糖、溶解性酚酸都趋于稳定,但DOM各组分的含量仍处于变化中。通过相关性分析发现,不同指标之间存在一定的相关性,其中溶解性碳与溶解性酚酸、胡敏酸(HA)呈显著正相关,与富里酸(FA)呈显著负相关,溶解性糖与亲水组分呈正相关,溶解性酚酸与胡敏酸呈极显著正相关,胡敏酸与疏水组分、富里酸与亲水组分分别呈极显著正相关。 (2)采用特征波段扫描和红外光谱分析研究了DOM的光学性质及其结构特征的变化,结构表明,随着秸秆腐解的不断进行,提取的DOM其ΔlogK先上升后下降,而A_(280)值、A_(254)值和E_4/E_6升高,表明DOM氧化程度和芳香性增强,脂族性降低,分子结构向复杂化方向转变,分子量增大。DOM的羧基、羰基和酚羟基含量增加,甲氧基和醇羟基含量降低,富含酸性解离基的暗色高分子在不断生成。同时,DOM中可提取的HA比例(PQ)上升,FA的最初形成速度大于HA,随着培养时间延长,FA转化为HA。从红外光谱可见,不同阶段得到的DOM本身含有的官能团组成是相似的。主要包括:甲基、亚甲基、次甲基、羟基、羧基、酰胺基和苯环等;化合物的组成主要为:碳水化合物、糖类、脂肪族有机酸、芳香族有机酸、醇类、酰胺化合物和酚类化合物。 (3)BSM和PYR的吸附.解吸作用存在两段行为,即快速吸附-解吸阶段和慢速吸附-解吸阶段,8h内能基本达到吸附-解吸平衡。同时,线性方程和Freundilch方程能很好地描述BSM和PYR在土壤中的吸附解吸行为,BSM和PYR存在解吸迟滞现象,解吸并不完全是吸附的可逆过程,这二者存在不同的机制。 (4)DOM的加入抑制了土壤对BSM和PYR吸附作用,却促进了BSM和PYR的解吸。但不同阶段DOM产生的抑制和促进效应不一样,各阶段的DOM之间所产生的抑制和促进效应存在显著差异(p<0.05)。总体上,DOM对BSM抑制或促进效应均随着秸秆腐解时间的延长而减弱;而DOM对PYR抑制或促进效应均随着秸秆腐解时间的延长而增强,这种效应是多种因素共同作用的结果,其中亲水组分-疏水组分和富里酸.胡敏算起着重要作用。亲水组分和富里酸在BSM的吸附解吸中起主要作用,而疏水组分和胡敏酸在PYR的吸附解吸中起主要作用。


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