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生物质炭存在下淡灰钙土对SO_4~(2-)的吸附作用及土柱中SO_4~(2-)迁移的模拟研究

南旭军  
【摘要】:土壤中营养元素的含量及其迁移转化直接影响植物的生长状态,充分利用土壤中的营养元素,对于保障粮食产量、控制面源污染具有重要意义。同时,生物质炭具有孔洞结构、表面电荷和表面官能团等特征,输入土壤后不仅对土壤的结构和性质产生影响,也必将影响土壤营养元素的界面过程和迁移性,为丰富生物炭减缓营养元素的淋溶损失提供科学的理论依据。因此,本文评述了生物质炭对植物营养元素的迁移转化的影响,对国内外研究状况进行阐述和总结。选择油菜秸秆生物质为原材料,通过缺氧热解制备生物质炭,研究了生物质炭对淡灰钙土(light sierozem,LS)吸附SO_4~(2-)的影响及其机制;重点考察了土柱中SO_4~(2-)迁移的影响,并利用CXTFIT2.1软件,拟合SO_4~(2-)在混合介质中迁移的穿透曲线(breakthrough curves,BTCs);分析了淋滤后土柱中无机硫形态的变化。研究结果为区域生物炭的应用、区域土壤中硫素淋失控制与硫肥施用及调控具有重要的现实意义。主要结果有:(1)采用批平衡实验法,研究油菜秸秆生物质炭(BS600和BS300)、LS和1:9(w/w)炭土混合物(BS600/BS300-LS)对SO_4~(2-)的吸附特性。考察了吸附时间、初始SO_4~(2-)浓度、温度和pH值对吸附作用的影响,并探讨了吸附机理。结果表明,准二级动力学方程能较好的拟合BS600、BS300、BS600-LS、BS300-LS和LS对SO_4~(2-)的吸附过程,LS对SO_4~(2-)吸附达到平衡时所需要的时间少于其他四种吸附剂。采用Langmuir模型能较好的拟合SO_4~(2-)吸附等温线。当初始溶液的浓度为500 mg·L~(-1)时,五种吸附剂对SO_4~(2-)最大吸附量按LSBS600-LSBS300-LSBS600BS300(28.63、26.81、23.01、19.57和17.61 mg·g~(-1))顺序下降。BS600和BS300的添加并没有提高淡灰钙土对SO_4~(2-)的吸附能力。热力学研究表明五种吸附剂对SO_4~(2-)的吸附反应是自发的过程。对吸附剂吸附前后的表征表明,BS600和BS300对SO_4~(2-)的吸附主要是通过静电作用吸附,而LS对SO_4~(2-)的吸附主要是静电作用和形成难溶性的CaSO4沉淀。(2)土柱淋滤实验研究了BS600和BS300对淡灰钙土土柱中SO_4~(2-)迁移特性的影响,考察了土柱高度(5、10、15、和20 cm)、生物质炭的投加量(0%、5%、10%和15%)、初始溶液的pH值(3、5、7和9)和初始溶液的浓度(50、100、150和200 mg·L~(-1))对迁移过程的影响。结果表明,对非反应性溶质Br-在多孔介质中的迁移的BTCs为对称性的,并没有明显的拖尾现象。在淡灰钙土中添加相同比例的BS600和BS300以后,穿透平衡时孔隙体积没有显著的差异。增加生物质炭的投加量、土柱高度以及减小初始溶液的pH值和初始溶液的浓度,均会使穿透孔隙体积增大,即穿透时间延长,可以降低SO_4~(2-)淋失,增加SO_4~(2-)在淡灰钙土中的淋滤时间。考察生物质炭的投加量,土柱高度、初始溶液的pH值和浓度时,反应性溶质SO_4~(2-)在多孔介质中的BTCs均呈现非对称性,且存在拖尾现象。(3)利用CXTFIT2.1软件,采用非平衡对流弥散方程(CEDnoneq)的两区模型(TRM)能够较好的拟合溶质迁移的BTCs。当添加不同比例的BS600和BS300后,用CDEeq拟合非反应性溶质Br-在土柱中的迁移获得水动力弥散参数(D),其值分别在0.47-0.11和0.48-0.79之间变化。用CXTFIT2.1软件拟合反应性溶质SO_4~(2-)的BTCs,并且运用批平衡实验获得的阻滞因子(R1、R2)和模型获得的参数(Rmod)均能较好拟合反应性溶质迁移的BTCs,表明非平衡两区模型能够准确的描述SO_4~(2-)在土壤中的迁移。两区模型拟合获得的传递系数(w)值均远远小于100,表明吸附点位差异造成的非平衡性对SO_4~(2-)在混合介质中迁移起着主导作用;分行系数(b)值小于1,表明溶质的吸附反应存在着速率限制过程,一阶动力学速率系数(a)并没有明显的变化规律。(4)对淋滤后土柱中SO_4~(2-)的形态分析表明,在淡灰钙土中添加BS600并淋滤后,水溶性硫(H2O-S)、吸附态硫(adsorbed-S)和盐酸可溶性硫(HCl-S)含量均随着土柱高度和初始溶液的pH值的增大而增加。当土柱高度为19.7 cm、生物质炭的含量为15%、初始溶液pH值为9.01和浓度为50 mg·L~(-1)时,总无机硫的含量分别为115.42、106.52、131.34和89.47 mg·kg~(-1)。在淡灰钙土中添加BS300并淋滤后,H_2O-S、adsorbed-S和HCl-S含量与BS300之间并没有显著的相关关系,当增大初始溶液的pH和浓度时,混合介质中HCl-S含量随之在减小。


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