土壤矿物对非腐殖质活性组分的吸附及稳定性的影响

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土壤矿物固碳对于改善全球碳循环、实现“碳中和”和提高土壤有机质的稳定性具有重要价值。土壤矿物对有机质的吸附作为稳定土壤有机质的关键环节,一直是当前环境地球化学研究中的热点问题。土壤有机质中的非腐殖质活性组分输入量大且降解速度快,很大程度上影响了土壤有机质整体稳定性。然而,土壤非腐殖质活性组分在土壤固碳中的关键作用还未得到系统的认识。因此,本研究选取典型矿物(高岭土,蒙脱土和氧化铁)和两类代表性非腐殖质活性组分(碳水化合物类:果糖和水溶性淀粉;小分子有机酸类:没食子酸和单宁酸),研究了三种土壤矿物对两类代表性非腐殖质组分的吸附情况,借助相关表征手段和吸附模型阐释了吸附机制。并且通过对矿物吸附体系进行化学氧化研究,评价矿物吸附对非腐殖质活性组分整体稳定的影响。结果表明:(1)矿物对大分子有机质的吸附速率均快于小分子有机质(小分子果糖、没食子酸分别在5 h和1 h内完成吸附,而大分子量的水溶性淀粉、单宁酸分别在第10 h、4 d完成吸附)。这一方面可以通过内扩散动力学模型的拟合结果解释,对于小分子量的果糖和没食子酸来说,通过结合水的扩散过程是吸附限速步骤;另一方面,与果糖、没食子酸相比,水溶性淀粉、单宁酸的分子量大,快速吸附占据矿物表面,从而产生较大的空间位阻,使进一步的吸附受到抑制。(2)三种矿物对四种有机质均有吸附,有机质的结构性质(分子量、构型、官能团等)以及矿物表面理化性质(比表面积、官能团、层间结构等)都对吸附具有重要作用。果糖、水溶性淀粉在三种矿物上的吸附机理包括氢键作用、疏水缔合以及络合反应。没食子酸和单宁酸在矿物上的的吸附机理为氢键作用、表面配位交换作用以及静电吸引。另外,矿物的对有机质的饱和吸附量与有机质的分子量成正比,大分子量的水溶性淀粉(1.2-3.8 mg/g)和单宁酸(1.0-3.2 mg/g)在矿物上的饱和吸附量高于小分子量的果糖(0.05-0.25 mg/g)和没食子酸(1.0-7.5 mg/g)。研究结果还表明,分子量大致相同的碳水化合物类和小分子有机酸类相比较,矿物对小分子有机酸类的吸附量更多。(3)矿物对较大分子量的水溶性淀粉和单宁酸的吸附,可以提高其稳定性,帮助其抵抗高锰酸钾氧化;而矿物对小分子量的果糖和没食子酸的吸附,却使它们变得更加不稳定,更加容易被氧化降解。这可能是因为小分子量的果糖和没食子酸在矿物上的吸附量以及吸附亲和力都较低,强氧化剂高锰酸钾的加入可能促使没食子酸从矿物上解吸。而且随着氧化的进行,溶液中没食子酸浓度逐渐降低,而没食子酸在矿物上的吸附导致矿物上局部范围内没食子酸的浓度变高,从而激发了高锰酸钾氧化没食子酸的“浓度效应”,加快了氧化速率。这也说明了矿物的吸附并不一定都使有机质稳定性增强,矿物吸附对有机质稳定性的影响实际上是与有机质的结构性质密切相关的。本研究从土壤非腐殖质活性组分的角度阐释了土壤有机质的稳定及其环境功能,这为认知土壤有机质的周转更替,利用矿物对有机质组分优先保护,调控土壤有机质的输入,最终实现提高土壤有机质的整体稳定性提供了理论基础。
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