三江平原小叶章湿地土壤SO2-4的吸附与解吸特征

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  摘 要:以三江平原小叶章湿地为研究对象,研究了小叶章湿地土壤SO2-4的吸附和解吸特征。结果表明,小叶章湿地不同层土壤对SO2-4的等温吸附均可以用Langmuir 、Freundrich和Temkin方程来表示,且吸附能力均随土壤深度的增加而增加,这种变化和土壤有机质、pH值和粘粒含量密切相关。土壤的解吸能力不仅和土壤质地密切相关,而且受土壤中吸附SO2-4的影响,一般当土壤中吸附SO2-4量较大时,解吸的绝对量大,但解吸率较低,反之亦然。吸附率明显高于解吸率,对于延缓土壤的酸化具有一定的意义。
  关键词:三江平原;小叶章湿地;土壤;SO2-4;吸附;解吸
  中图分类号:S153.3文献标识号:A文章编号:1001-4942(2010)01-0063-04
  
  Sulfate Adsorption and Desorption Characteristics of Calamagrostis angustifolia Wetland Soil in Sanjiang Plain
  LI Xin-hua1, LIU Jing-shuang2*, WANG Yong1, ZHANG Xi-jin1
  (1.Shandong Institute of Agriculture Sustainable Development, Jinan 250100, China;
   2. Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology, Chinese Acadamy of Sciences, Changchun 130012, China)
  Abstract The characteristics of sulfate adsorption and desorption were studied by choosing Calamagrostis angustifolia wetland in Sanjiang Plain as the research object.The results showed that the isotherms adsorption of different layer soil to sulfate could be expressed by Freundrich, Langmuir and Temkin equations. The adsorption ability increased with the increasing of soil depth, which was closely correlated with the content of soil clay, organic matter and pH value. The desorption ability was closely correlated with not only the soil texture,but also the SO2-4 in soil. Generally speaking,when the amount of adsorbed SO2-4 in soil was much, the absolute amount of desorption was much too, but the desorption rate was low, vice versa. The adsorption ability in wetland soil was obviouslyhigher than the desorption ability, which could delay the soil acidification.
  Key words Sanjiang Plain;Calamagrostis angustifolia wetland;Soil;Sulfate;Adsorption;Desorption
  
  土壤是大气酸沉降的主要受体,H+和SO2-4进入土壤后,对土壤的 pH值、离子吸附和表面电荷等理化性质均产生明显影响,继而影响生态环境。土壤中SO2-4的吸附可以阻止阳离子伴随SO2-4淋失,通过释放吸附表面的OH-增强土壤中和酸的能力,增加新的阳离子交换位而加强土壤阳离子交换量,从而延缓土壤和地表水的酸化[1]。而解吸可以看成是吸附的逆过程。SO2-4在土壤中的吸附—解吸行为是衡量土壤对酸沉降敏感性和承受能力的重要参照因子。
  三江平原是中国湿地面积最大、类型最齐全的地区之一,在本区湿地植被中,沼泽化草甸和沼泽是主要的植被类型,而沼泽化草甸又以小叶章群系最为普遍,该区的小叶章群系主要有小叶章典型草甸(无积水)和小叶章沼泽化草甸(季节性积水)两种类型,占湿地面积的34.45%[2]。小叶章湿地处于不同的水分交错带上,氧化还原条件变化强烈,氧化还原条件的改变影响硫的存在形态,进而影响硫的转化和其它元素的转化过程[9]。但到目前为止,有关三江平原小叶章湿地土壤SO2-4的吸附—解吸特征的研究尚未见报道,为了丰富和完善三江平原湿地系统硫循环的研究内容,本研究以小叶章湿地为对象,探讨土壤中SO2-4的吸附—解吸特征,旨在进一步认识三江平原典型湿地生态系统营养元素的生物地球化学过程和循环机制,以期为三江平原沼泽湿地的保护、合理利用提供理论数据。
  1 材料与方法
  1.1 土壤样品的采集
  2005年8月,在三江平原洪河农场三区试验场内选取典型小叶章湿地,采集0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm层的土壤样品,每种类型重复3~5次,现场剔除大的根系和植物残体,装入自封袋,带回实验室,风干,一部分样品过2 mm筛,用于吸附—解吸试验,一部分样品磨碎过100目筛,装袋待测。土壤分析方法见参考文献[3]。不同层土壤SO2-4的初始含量见表1。
  表1 不同层土壤SO2-4的初始含量
  土壤深度(cm)SO2-4含量(mg/kg)
  0~1088.99
  10~2054.1
  20~3038.64
  30~4037.15
  1.2 吸附试验
  用分析纯的Na2SO4和蒸馏水制备成不同浓度的SO2-4溶液,分别为0、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0 mol/L,并把溶液pH值调为4。称取10 g土壤样品,放入100 ml的振荡瓶中,按土液1∶5的质量比加入吸附液50 ml,恒温振荡1 h,室温下静置24 h,使土壤和溶液之间达到平衡,过滤,用硫酸钡比浊法测定滤液的SO2-4浓度。每个样品重复3~5次。
  1.3 解吸试验把吸附试验中过滤后留在滤纸上的土壤风干,磨碎后过20目筛,称取4 g,放入100 ml的振荡瓶中,按土液1∶5的质量比加入解析液,恒温振荡1 h,室温下静置24 h,使土壤和溶液之间达到平衡,过滤,用硫酸钡比浊法测定滤液中的SO2-4浓度。
  1.4 pH值对土壤吸附SO2-4的影响试验用分析纯Na2SO4和蒸馏水制备成1 mol/L的SO2-4溶液3份,把溶液的pH值分别调为4。用1 mol/L HCl 或NaOH 溶液分别调节溶液的pH值为3.6、4.8、6.0。称取10 g土壤样品放入100 ml 的振荡瓶中,分别加入上述不同pH值溶液。恒温(25±1)℃ 振荡12 h,室温下静置24 h,使土壤和溶液之间达到平衡,过滤,用硫酸钡比浊法测定滤液中的SO2-4浓度。
  1.5 计算方法土壤对SO2-4的吸附量(S)用差减法计算,公式如下:
  S=(C0-C1)V0/m
  式中C0和V0分别为初始加入SO2-4溶液的浓度(mg/L)和体积(L),C1吸附达到平衡后滤液中SO2-4的浓度(mg/L),m 为土壤干重(kg)。
  2 结果与分析
  2.1 小叶章湿地土壤对SO2-4的吸附特征
  2.1.1 不同层土壤对SO2-4的等温吸附特征 由图1可知,SO2-4在小叶章湿地不同层土壤上的吸附具有一致的规律,表现为随着土壤溶液平衡浓度的增加,不同层土壤对SO2-4的吸附量均呈显著上升趋势,但增加的幅度略有不同,方差分析表明不同层土壤对SO2-4的吸附差异不显著(P>0.05)。
  土壤对SO2-4的等温吸附可以用不同的方程来描述,目前应用最广泛的为Langmuir、Freundrich 及Temkin 方程,方程式分别为:Langmuir:1/X=1/Xm + k/C
  Freundrich:X=kC1/a
  Temkin: X=a + klgC
  方程式中X为吸附量(mg/kg),C为平衡液浓度(mg/L),Xm为最大吸附量(mg/kg),k、a为方程式常数。
  
  图1 沼泽化草甸小叶章湿地不同层土壤对SO2-4的等温吸附曲线
  对SO2-4在不同层土壤的吸附数据分别用3个方程进行拟合,得到的参数见表2,可知,3个方程对吸附数据的拟合精度均较高,相关系数均高于90%,也就是说小叶章湿地不同层土壤对SO2-4的等温吸附可用Langmuir 方程、Freundrich方程和Temkin方程式来表示。从Langmuir 方程给出的最大吸附量(Xm)来看,SO2-4在小叶章湿地土壤中的最大吸附量和等温吸附曲线具有一致的规律,均为沿着剖面深度从上到下最大吸附量逐渐增加。
  土壤的理化性质是影响土壤吸附能力的重要因素[4~6],在本研究中,对最大吸附量和土壤理化性质进行相关分析,结果表明最大吸附量和土壤粘粒含量呈显著正相关关系(r=0.975, P<0.05),和土壤有机质含量呈显著负相关关系(r=-0.942, P<0.05)。
  表2 小叶章湿地不同层土壤对SO2-4 等温吸附拟合参数值
  土壤深度(cm)Langmuir方程Xm(mg/kg)kR2Freundrich 方程kaR2Temkin方程kaR2
  0~10568.180.04850.9970.04651.8050.9880.239-0.0250.971
  10~20684.930.04740.9890.04901.6760.9950.274-0.0190.952
  20~30793.650.04930.9980.06291.7280.9790.318-0.0140.966
  30~40925.930.04810.9230.05651.5050.9950.3290.0120.902
  2.1.2 pH值对不同层土壤吸附SO2-4的影响
  土壤酸碱度是土壤的基本化学性质之一,对土壤中元素的淋溶迁移、富集和释放等均有明显影响[7]。从图2可以看出,随着溶液pH值从3.41 升高至5.74,小叶章湿地不同层土壤对SO2-4的吸附量均降低。这是因为土壤pH值对离子吸附量的影响可能与表面电荷的数量、性质、被吸附离子的本身特性有关,对可变电荷的胶体,在其它条件相同的情况下随着pH值的升高负电荷的量增多,因而不利于阴离子的吸附。在一定的pH值范围内,SO2-4的吸附是以置换羟基为主的方式进行[8]:
  M-OH+ SO2-4 ≒ M-SO-4 + OH-
  
  图2 pH值对土壤吸附SO2-4的影响
  上述反应是可逆过程,增加酸度有利于反应向右进行,减少酸度则反应逆转,因此随着pH值的升高,SO2-4的吸附量降低。2.2 小叶章湿地不同土壤层SO2-4的解吸特征
  由表3可知,对于小叶章湿地的不同层土壤,随着SO2-4加入量的增加,每层土壤的吸附量均增加,解吸量也随之增加,但吸附率和解吸率与之相反,均表现为降低,这表明土壤的吸附和解吸能力都存在一个平台,即存在最大吸附量和解吸量。比较不同层土壤的解吸量发现,随着土壤深度的增加,解吸量均降低,因为随着土壤深度的增加,土质变得粘重,由此引起解吸困难。方差分析表明,不同层土壤间的解吸量存在显著差异(P<0.05)。比较同一土壤层的吸附率和解吸率发现,同一土壤层的吸附率均高于解吸率,这表明土壤对SO2-4的吸附能力高于解吸能力,这对于延迟土壤的酸化具有一定的意义。
  表3 小叶章湿地不同土壤层上吸附 SO2-4的解吸特征
  土壤深度(cm)加入量(mg/kg)吸附量(mg/kg)吸附率(%)解吸量(mg/kg)解吸率(%)
  0~1048019296272.14132.246856.768.8870.8377.8963.9844.0228.6248.3864.74
  10~2048019296295.01137.9672.6861.4671.8575.7154.6436.0722.4118.5226.1530.83
  20~3048019296338.05146.2974.9670.4376.1978.0839.5329.212.5211.6919.9616.69
  30~4048019296344.4142.6379.671.7574.2982.9231.515.239.849.1510.6812.36
  3 结论
  小叶章湿地不同层土壤对SO2-4的等温吸附均可以用Langmuir 、Freundrich和Temkin方程来表示,且吸附能力均随土壤深度的增加而增加,0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和 30~40 cm土壤层的最大吸附量依次为568.18、684.93、793.65、925.93 mg/kg,这种变化和土壤有机质、pH和粘粒含量密切相关。土壤的解吸能力不仅和土壤质地密切相关,而且受土壤中吸附SO2-4的影响,对于不同层土壤,均有当土壤中吸附SO2-4量较大时,解吸的绝对量大,但解吸率较低,反之亦然。比较吸附率和解吸率,结果为吸附率明显高于解吸率,这对于延缓土壤的酸化具有一定的意义。
  参 考 文 献:
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