紫色水稻土颗粒有机质对镉的吸附解吸特征及环境行为影响

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我国是水稻生产大国,水稻又是一种对镉富集能力很强的作物,紫色水稻土作为我国重要的土壤资源,研究镉在紫色水稻土中的迁移转化行为对土壤污染防治具有深远意义。吸附解吸是控制Cd在土壤中迁移转化的一个重要过程,土壤有机质的数量和组成直接控制着Cd的吸附解吸行为。颗粒有机质(POM)作为一类活性较高、腐殖程度较低的有机质,参与了土壤碳、氮、硫循环、营养元素供应等过程。且研究发现,POM多孔,对重金属有明显的吸附作用,但目前在紫色水稻土POM对重金属吸附特征方面的研究还很少,POM对土壤Cd吸附能力的影响及POM吸附作用对土壤Cd生物有效性的影响也需进一步探讨。本研究采集典型的酸性紫色水稻土(APPS)和石灰性紫色水稻土(CPPS),从中分离出颗粒有机质(POM)。通过批量试验研究了POM及其来源土壤Cd的吸附动力学、等温吸附解吸和热力学特征;通过扫描电镜-能谱仪、傅里叶红外光谱仪等手段及吸附前后镉的形态变化的测定,研究了POM对Cd的吸附机制,并分析POM对Cd吸附的影响因素;通过培养试验研究了POM与蒙脱石相互作用对紫色水稻土镉吸附能力的影响以及研究了POM吸附作用对紫色水稻土中Cd生物有效性的影响。研究结论如下:(1)POM对Cd的亲和力远高于其来源土壤,CPPS-POM的亲和力高于APPS-POM。POM对Cd的吸附动力学最优模型均为准二级动力学。Langmuir、Freundlich方程均能较好地描述其等温吸附特征,以Freundlich方程更优,表明POM对Cd的吸附属于多分子层的非均质吸附。吸附热力学参数表明吸附属于自发吸热过程。根据△Hθ值及解吸试验判定POM对Cd的吸附以化学吸附为主。吸附平衡后,POM中交换态和络合态镉比例增加。结合SEM-EDS和FTIR表征结果说明,POM对Cd的吸附机制包括含氧官能团的络合、离子交换、阳离子-π键和静电吸附。POM吸附Cd的最佳固液比为15g·L-1;最佳背景电解质浓度为0.01mol·L-1;POM的粒径越小,对Cd的吸附量也越大。(2)单独或共同添加POM和蒙脱石均能提高APPS和CPPS对镉的吸附量,其中以共同添加增加最为明显。在APPS中仅添加蒙脱石和POM蒙脱石共同添加时Cd的解吸量显著高于仅添加POM和对照,在CPPS中,对照与单独或共同添加POM和蒙脱石处理互相之间均无显著差异。pH值、CEC和有机碳含量均与镉吸附量和解吸量极显著正相关(P<0.01)。因此,添加POM和蒙脱石可通过改变土壤pH值、CEC和有机碳含量,影响紫色水稻土对Cd的吸附能力。(3)在APPS和CPPS中,吸附于POM中的镉有效性较直接培养等量镉污染土更低。APPS中有效Cd含量均高于CPPS。与对照相比,添加POM吸附Cd和直接培养等量Cd污染土处理在APPS中促使Cd向有机质紧结合态转化,在CPPS中则向矿质态转化。两种土壤中添加POM吸附Cd处理可交换态Cd的占比最小,说明POM吸附Cd能减轻其环境风险。pH值和有机碳含量均与有效Cd含量显著负相关(P<0.05)。较对照而言,其余两种处理都提高了APPS和CPPS的p H值,但两者间均无显著差异;添加POM吸附Cd处理能提高APPS和CPPS的有机碳含量,直接培养等量Cd污染土处理则有所降低,再次证明吸附于POM中的Cd生物有效性更低。
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