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珠江三角洲地区土壤和表层沉积物有机质的非均质性研究

宋建中  
【摘要】: 土壤和沉积物有机质是高度非均质的,包括许多复杂的有机高分子聚合物如腐殖质、干酪根、碳黑等。这些有机质的相对含量,性质和结构对全球碳循环,全球气候变化,有机和无机污染物在自然界的迁移、转化和归宿,土壤的肥力等有非常重要的影响。因此,对土壤和沉积物中的不同有机质进行定量、性质和结构的表征具有重要的意义。 本工作在珠江三角洲地区采集了四种土壤和表层沉积物样品,分别是稻田土壤、河流、稻田和海洋沉积物。然后利用一种综合的化学分离方法将土壤和沉积物有机质分为腐殖酸+干酪根+碳黑(HKB)、干酪根+碳黑(KB)、腐殖酸(HA)和碳黑(BC)四种组分,并对腐殖酸、干酪根和碳黑进行了定量。最后采用元素分析、粒度分析、X射线衍射光谱、扫描电镜、有机岩石学分析、固体~(13)C NMR核磁共振(~(13)C NMR)、在线热解(Py-GC-MS)、碳同位素分析等方法对不同有机质的来源、性质和结构进行了表征。结果表明土壤和沉积物有机质是高度非均质的。 1.四种土壤和沉积物有机质中除了腐殖酸和干酪根,都含有相当数量的碳黑,最少的海洋沉积物有机质中碳黑含量也达到18.36%。并且不同的有机质有不同的来源,腐殖酸通常是浮游生物和陆生的高等植物经过生物降解、聚合等过程形成的;干酪根是腐殖酸进一步演化而成,既有原生的也有异地迁移而来的;碳黑则不同于腐殖酸和干酪根,它是生物质和煤、油等化石燃料经过燃烧产生的。不同的有机质在性质和结构上也是不同的。从HA、HKB、KB到BC,有机质H/C和O/C原子比不断减小,表明了从腐殖酸到干酪根,再到碳黑,样品的极性降低,稳定性增高。~(13)C核磁共振分析也说明了腐殖酸、干酪根和碳黑具有不同的结构特征,从腐殖酸、干酪根到碳黑,芳香碳结构增加,含氧官能团、碳水化合物等结构减少,整个大分子结构更加致密、刚硬和稳定。 2.采用一种改进的腐殖酸萃取方法从珠江三角洲稻田土壤和Pahokee泥炭中分离出了游离腐殖酸(HA-Ⅰ)和包裹腐殖酸(HA-Ⅱ),并采用元素分析、~(13)C NMR、Py-GC-MS和有机岩石学方法对HA-Ⅰ和HA-Ⅱ进行了定量和定性研究,结果表明两种腐殖酸在性质和结构上是有区别的。HA-Ⅱ具有更稳定的性质和结构。 3.在燃烧过程中碳黑沥青质总是伴随着碳黑产生,并与碳黑结合在一起。采用元素分析和热解-色谱-质谱等技术对不同地区生物质燃烧产生的现代碳黑和碳黑沥青质进行的研究表明,现代碳黑作为生物质燃烧产生的残余物,具有稳定的高度芳香性结构。但现代碳黑又不同于石墨,它还具有一些含氧官能团、脂 珠江三角洲地区土壤和表层沉积有机质的非均质性研究 肪碳等结构。碳黑沥青质虽然与石油沥青质一样,都是由脂肪链连接的平面芳香 化合物组成的芳香核、脂肪链和脂肪环化合物组成的立体网状结构。但碳黑沥青 质与原油沥青质也是不同的,碳黑沥青质的分子结构中含有更多的芳香结构组分 和含氧基团,较少的脂肪侧链组分。 4.采用Py一Gc一Ms技术对土壤和沉积物有机质组分—腐殖酸、干酪根和 碳黑进行了研究。结果同样表明土壤和沉积物有机质是非均质。腐殖酸大分子结 构中芳香化合物组分最少,稳定性最差;干酪根的芳香碳结构和稳定性比腐殖酸 高,碳黑具有更高和更致密的芳香性结构,稳定性也最高。 另外,我们还对Py一GC一MS分析时产生的含碳残余物进行了结构表征,表明 它具有高度芳香性的结构,十分稳定。热解分析虽然只能检测到一部分热解产物, 但对于研究有机质的来源、性质和结构还是非常有用的。 综上所述,表层土壤和沉积物中的有机质是高度非均质的,包括腐殖酸、干 酪根和碳黑,并且碳黑具有相当高的含量。碳黑在来源、性质和结构上不同于腐 殖酸和干酪根,它是生物体和化石燃料不完全燃烧产生,具有更加稳定的性质和 结构。系统的研究土壤和沉积物有机质的非均质性将有利于我们准确的估计全球 碳循环和有机污染物在自然体系中的行为。


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