溶解性有机质的动态变化及其对有机物吸附解吸的影响

论文摘要

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A280值、A254值和E4/E6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。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 前言
• 2 国内外研究现状
• 2.1 有机物在土壤中的吸附-解吸行为
• 2.1.1 吸附的概念
• 2.1.2 有机物在土壤中吸附的基本理论及其发展
• 2.2 溶解性有机质的研究现状
• 2.2.1 定义
• 2.2.2 来源
• 2.2.3 组成
• 2.2.4 官能团组成及其光谱学特征
• 2.3 溶解性有机质对有机物环境行为的影响
• 2.3.1 DOM与有机污染物的结合机理
• 2.3.2 DOM对有机污染物吸附解吸行为的影响
• 2.3.3 DOM对有机污染物生物毒性的影响
• 2.3.4 DOM不同组分对有机污染物的影响
• 2.4 立题目的及意义
• 3 材料与方法
• 3.1 试验材料
• 3.1.1 水稻秸秆
• 3.1.2 土壤
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 DOM的提取
• 3.2.1.1 培养方法
• 3.2.1.2 DOM的提取及测定
• 3.2.2 DOM红外图谱分析
• 3.2.3 DOM的分组
• 3.2.4 目标物的配置及测定
• 3.2.5 本底目标物的溶出测定
• 3.2.6 DOM对有机污染物在土壤中吸附-解吸行为的影响
• 3.2.7 数据处理
• 4 结果与分析
• 4.1 石英砂培养条件下秸秆的腐解动态
• 4.1.1 溶解性有机碳的动态变化
• 4.1.2 溶解性氮和C/N的动态变化
• 4.1.3 水溶性糖的动态变化
• 4.1.4 溶解性酚酸的动态变化
• 4.1.5 DOM亲水-疏水及HA-FA组分的动态变化
• 4.1.6 各项指标间的相关性分析
• 4.2 DOM光学性质的变化
• 4.3 DOM红外光谱分析
• 4.3.1 谱带的归宿
• 4.3.2 腐解过程中DOM分子结构的变化
• 4.4 DOM对有机物在土壤中吸附解吸行为的影响
• 4.4.1 有机物在土壤中的吸附解吸行为
• 4.4.1.1 BSM和PYR在土壤中的吸附速率
• 4.4.1.2 BSM和PYR在土壤中的解吸速率
• 4.4.1.3 BSM和PYR在土壤中的等温吸附-解吸
• 4.4.2 DOM对BSM吸附解吸行为的影响
• 4.4.2.1 DOM对BSM吸附行为的影响
• 4.4.2.2 DOM对BSM解吸行为的影响
• 4.4.2.3 BSM吸附-解吸参数与DOM不同指标间的关系
• 4.4.3 DOM对PYR吸附解吸行为的影响
• 4.4.3.1 DOM对PYR吸附行为的影响
• 4.4.3.2 DOM对PYR解吸行为的影响
• 4.4.3.3 PYR吸附-解吸参数与不同指标间的关系
• 4.5 DOM对土壤吸附有机物的影响机理探讨
• 6 有待进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文