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水稻秸秆腐解产生溶解性有机质的分组组成及其环境意义

肖燏杰  
【摘要】: 溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM),亦称水溶性有机质,泛指能够溶解于水、酸或碱溶液中的有机质。其操作上的定义为能通过0.45μm滤膜的有机质。由于自身的结构特征和物理化学性质,DOM被认为是土壤生态环境中极其活跃的化学组分之一。在土壤和沉积物环境中,DOM可能对有机物的形态、迁移和最终归宿均起着控制作用。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。 本研究以有机物料(水稻秸秆)为DOM来源,将DOM用XAD-8树脂分成了AIM、HOB、HIM、HOA、HON五个组分,研究了其腐解过程中DOM各组分的动态变化。同时,以多环芳烃(芘)为代表性有机物,研究了腐解过程中DOM组分对芘在土壤中吸附行为的影响,并结合红外光谱对DOM组分各腐解阶段组成与结构特征的表征,探讨了影响机理。得到以下主要结论: (1)采用XAD-8树脂分组方法研究了水稻秸秆分解过程中产生DOM的组成变化特征。结果表明,有机物料分解期间DOM各组分的含量是一个动态变化的过程。在有机物料分解的初期阶段,HIM组分含量很高,随着秸秆进一步腐解,其含量逐渐降低;HOB在DOM中含量很少,且在整个腐解阶段变化较小;HON组分含量随着腐解的进行升高幅度较小,其质量分数为10%;AIM和HOA组分含量随着腐解的进行缓慢升高,其含量分别占到了30%和40%左右。 (2)采用红外光谱分析研究了DOM各组分结构特征的变化。分析结果表明:不同腐解阶段得到的DOM各组分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,但不同组分官能团吸收峰的强度有明显差异,且随着腐解的进行DOM中各组分官能团也在变化。 (3)研究了有无DOM及其组分存在情况下,土壤吸附芘过程的热力学及机理。结果表明,芘在水相和土壤之间的分配系数Kd值与温度成负相关,其吸附过程为自发的放热反应。DOM中各组分的加入,减低了芘在土壤上的吸附自由能,其主要吸附作用力为疏水键力、范德华力、氢键力和偶极间力。添加DOM各组分后,吸附标准自由能变小是芘在土壤上吸附的推动力。 (4)研究了DOM组分不同浓度对土壤吸附芘的影响。结果显示:DOM组分对芘吸附的影响与DOM各组分的浓度有关,土壤对芘的吸附随着DOM组分浓度(0~300 mg/L)增加而减少。DOM各组分不同浓度处理之间,除HON组分200mg/L和300mg/L两个处理之间抑制效应差异不显著,其余各组分不同浓度处理之间差异显著(P<0.05)。主要与DOM各组分和芘在溶液中结合作用有关。 (5)DOM组分的加入抑制了土壤对PYR吸附,在腐解过程中各阶段DOM组分产生的抑制效应不一样。总体上随着秸秆腐解时间延长,DOM各组分的对土壤吸附PYR的抑制效果越强。这种效应是多种因素共同作用的结果,其中组分的极性与结构起着重要的作用。


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