黑土对冻融有机质的吸附作用

郭 平,明 恋,王观竹,李悦铭,李琳慧,于济通

(吉林大学 环境与资源学院,地下水资源与环境教育部重点实验室,长春 130012)

近年来,对溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)环境行为的研究已逐渐成为土壤学、 环境科学和生态学的研究热点之一.DOM具有比固相有机质更多的活性点位,可参与土壤中的多种反应[1],通过静电吸附、 配位体交换、 配合作用、 疏水作用、 熵值效应、 氢键作用和阳离子键桥作用等方式与土壤胶体结合[2-3].

目前,对天然溶解性有机质[4]、 土壤溶液中的有机质[5]、 垃圾渗滤液[6]和畜禽粪便可溶性有机质[7]的吸附研究较多,对经过冻融处理的DOM吸附研究较少.冻融是我国北方地区的一个重要气候特征,作为一种非生物应力,对土壤中各种物质的环境行为具有重要影响.本文以农业生产中常用的秸秆和污泥为研究对象,考察东北黑土对冻融和未冻融处理秸秆和污泥DOM的吸附作用,并分析了pH值、 离子强度和离子类型与黑土吸附冻融处理秸秆和污泥DOM间的关系.

1 材料与方法

1.1 材料采集与处理

黑土采集于吉林省长春市生态园农田0～20 cm表层土壤,在室温下自然风干,剔除植物残体和砂砾等杂物,按四分法获取足量样品研磨,过1 mm筛,保存于聚乙烯塑料封口袋中备用.黑土的基本理化性质列于表1.

表1 供试黑土的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of experimental black soil

秸秆和污泥分别取自长春市生态园和长春市大成玉米厂.玉米秸秆经蒸馏水洗净后,风干,剪成约1 cm的碎片后,粉碎备用.污泥样品经自然风干后,粉碎过0.5 mm筛备用.将污泥和秸杆碎屑的含水率调节为饱和含水率的90%后,进行冻融处理(-25 ℃冻结24 h,5 ℃融化24 h,48 h为一个冻融周期).秸秆和污泥经6个冻融周期处理后,分别加入0.01 mol/L的NaCl溶液在振荡器中振荡浸提,用0.45 μm滤膜过滤浸提液,所得滤液即为DOM.将所得DOM保存于4 ℃冰箱备用,其基本理化性质列于表2.

表2 DOM的基本理化性质Table 2 Physical and chemical properties of DOM

1.2 吸附实验

将浸提的DOM用0.01 mol/L的NaCl溶液稀释5倍后,用移液管分别向5个100 mL玻璃瓶中移取2,4,6,8,10 mL的DOM溶液,并用0.01 mol/L的NaCl溶液分别定容至25 mL.所得未冻融秸秆和污泥DOM的初始质量浓度分别为13.63～111.75 mg/L和17.73～98.35 mg/L,冻融秸秆和污泥DOM的初始质量浓度分别为43.05～146.12 mg/L和23.57～116.75 mg/L.用棉塞封瓶后,进行高压锅灭菌,抑制微生物活性.冷却后,在超净台内称取已灭菌的黑土0.5 g分别置于上述5个玻璃瓶中,于25 ℃,170 r/min下振荡2 h达到吸附平衡后,先用0.45 μm滤膜过滤,再用紫外分光光度法测定吸附前后DOM的质量浓度[8].

2 结果与讨论

2.1 黑土对冻融与未冻融DOM的吸附作用比较

图1为黑土对冻融与未冻融秸秆和污泥DOM的吸附作用比较.由图1可见,无论秸秆和污泥是否经过冻融处理,黑土对秸秆和污泥DOM的吸附量均为负值,表明秸秆和污泥DOM未被黑土吸附,反而促进黑土有机质的解吸释放.在实验平衡质量浓度范围内,DOM的解吸释放作用随DOM平衡质量浓度的增加而下降.主要原因为：

1) 本文实验黑土有机质的含量较高.土壤中有机质含量越高,对DOM的吸附越弱[9].

2) 秸秆和污泥DOM亲水组分和小分子组分含量较高.亲水组分和小分子组分不易被土壤吸附,并促进土壤有机质的解吸释放[10-11].

3) 实验条件.由于添加的DOM初始质量浓度较低,因此黑土未吸附DOM,DOM反而促进了黑土中有机质的解吸释放.

图1 黑土对冻融和未冻融秸秆(A)和污泥(B)DOM的吸附作用比较Fig.1 Comparison between adsorption of DOM from straw (A) and sludge (B) by freeze-thaw and no frozen treatments

在相同平衡质量浓度下,与未冻融秸秆和污泥的DOM比较,冻融作用增强了秸秆和污泥DOM对黑土有机质的解吸作用,降低了黑土对DOM的吸附作用.这是由于未冻融秸秆和污泥DOM初始质量浓度分别小于冻融秸秆和污泥DOM的初始质量浓度所致,或与冻融作用改变秸秆和污泥DOM各组分含量有关.由表2可见,冻融秸秆和污泥DOM中的小分子组分和亲水组分所占比例分别大于其大分子组分和疏水组分所占比例,与文献[12]结果相符.由图1可见,秸秆DOM对黑土有机质的解吸释放呈曲线关系； 污泥DOM对黑土有机质的解吸释放呈线性关系,这与DOM性质和组成有关[13].

2.2 不同影响因素对冻融DOM吸附作用的影响

图2 pH值对黑土吸附秸秆(A)和污泥(B)DOM的影响Fig.2 Influence of pH value on the adsorption of the DOM from straw (A) and sludge (B) on black soil

2.2.1 pH值 图2为不同pH值对黑土吸附秸秆和污泥DOM的影响.由图2可见,黑土对秸秆和污泥DOM的吸附值均为负值,表明在不同pH条件下,秸秆和污泥DOM未被黑土吸附,反而促进了黑土有机质的解吸释放.秸秆和污泥DOM对黑土的解吸释放量随秸秆和污泥DOM平衡质量浓度的增加而降低.在相同秸秆和污泥DOM平衡质量浓度下,不同pH值对黑土吸附秸秆和污泥DOM的解吸释放量绝对值均为pH=8.5>pH=7>pH=5.5,与文献[14]结果相符.pH值对DOM吸附的影响是通过改变溶液电荷密度以及DOM组成及其吸附特征实现的[15],此外,土壤溶液中的H+与较多的化学反应有关,pH值改变会引起其他成分的性质发生变化,进而影响土壤对DOM的吸附作用.

2.2.2 离子强度 图3为不同离子强度对黑土吸附秸秆和污泥DOM的影响.由图3可见: 黑土对污泥DOM的吸附量均为负值;除了当离子强度为0.1 mol/L、 秸秆DOM平衡质量浓度较高时的吸附量为正值外,黑土对秸秆DOM的吸附量均为负值.表明在3种离子强度下,污泥DOM未被黑土吸附,反而促进了黑土有机质的解吸释放； 对于秸秆DOM,当离子强度和DOM平衡质量浓度较低时,DOM促进黑土有机质的解吸释放,随着DOM平衡质量浓度的增加,DOM对黑土有机质的解吸作用逐渐降低.在相同DOM平衡质量浓度、 不同离子强度下DOM对黑土有机质的解吸量绝对值为c(NaCl)=0.001 mol/L>c(NaCl)=0.01 mol/L>c(NaCl)=0.1 mol/L,表明黑土对秸秆和污泥DOM的吸附量随吸附体系离子强度的增大而增大,与文献[16]结果相符.这是由于当离子强度较大时,黑土和DOM表面的负电荷均被屏蔽,因此,在黑土吸附DOM时会产生较小的排斥力,导致吸附量较大.同时,黑土与DOM间的排斥力减小使其相互吸附并缠绕而形成无规则团状,表面积增加,导致更多的DOM被吸附.随着离子强度的减小,DOM和黑土表面的负电荷屏蔽减小,黑土和DOM间的排斥力增加,使黑土与DOM间的缠绕逐渐展开成线状,因此吸附下降.

图3 离子强度对黑土吸附秸秆(A)和污泥(B)DOM的影响Fig.3 Influence of ion strength on the adsorption of the DOM from straw (A) and sludge (B) on black soil

图4 离子类型对黑土吸附秸秆(A)和污泥(B)DOM的影响Fig.4 Influence of ion type on the adsorption of the DOM from straw (A) and sludge (B) on black soil

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