森林棕壤及其腐殖酸吸附Hg（Ⅱ）机制和暖温带栎属森林凋落物腐殖化过程研究

【摘要】：汞是一种具有持久性、生物累积毒性的全球性的环境污染物。汞可以在大气层中进行长距离的迁移,那些具有低汞排放量、低人口密度的国家和地区也会受到汞污染的侵害；同时由于环境中的无机态汞可以转化成各种毒性更大的有机态汞,并且通过食物链最终危害到人类的健康和安全,因此,环境中汞的背景值的问题已经越来越受到人类的关注。在过去的几十年内,亚洲地区,特别是中国,由于经济的快速发展和工业化进程的加速,已经成为大气中汞重要的排放地区之一。大气中的汞可以被氧化成离子态沉降到地面并被释放到水体和陆地生态系统中,森林生态系统是陆地生态系统的重要组成成分,沉降到森林中的汞大部分都滞留在表层森林土壤中,危害森林周围水源地的安全。山东省是工业大省,采矿业,氯碱工业发达。而这些工业都是重要的大气汞人为污染源。泰山,崂山,房干是山东省重要林区,这些林区周围均有重要的饮用水源地,因此研究这些地区森林土壤对于Hg(Ⅱ)的吸附/解吸过程对于了解汞在土壤中的迁移转化过程有重要的意义。 暖温带是我国文明的发源地之一,生物资源十分丰富。近代以来,伴随着环境问题的加剧该地区山区的自然植被遭到了前所未有的破坏,导致本地区生物多样性降低,生物资源匮乏。壳斗科的栎属在暖温带森林资源中占有极为重要的作用,是该地区重要的森林群落优势种和建群种。土壤腐殖化过程在森林植被恢复过程中起着重要的作用：胡敏酸有助于土壤养分的保持及土壤结构的形成；富里酸对促进矿物的分解和养分的释放具有重要作用。因此,研究暖温带栎类植被凋落物的腐殖化过程对于重建暖温带森林植被群落有重要的理论意义。 本实验研究了Hg(Ⅱ)在山东泰山、崂山、房干地区三种典型棕壤上的吸附解吸特性及机理,以及崂山地区典型的暖温带栎类植被下的森林土壤的腐殖化过程,结果如下： (1)Hg(Ⅱ)在三种山东森林棕壤上的等温吸附数均能很好地被Langmuir和Freundlich方程拟合。虽然泰山棕壤具有较大的潜在吸附量,但是却具有较低的吸附反应强度。三种森林棕壤的解吸率都小于0.6%,这表明Hg(Ⅱ)与土壤具有较强的结合能力。泰山土样与崂山土样和房干土样相比,具有较高的解吸率,表明由大气沉降到泰山土样上的汞容易通过径流而释放到水体中。傅立叶红外光谱的研究表明,三种土样具有相似的官能团结构,相对吸光度的研究表明,Hg(Ⅱ)的吸附主要发生在O-H、C-O和C=O基团上。 (2)Hg(Ⅱ)在六种源自山东森林棕壤的腐殖酸上的等温吸附数均能很好地被Langmuir和Freundlich方程拟合。胡敏酸与富里酸相比具有较大的吸附反应强度和实际吸附量。所有的腐殖酸对于Hg(Ⅱ)的解吸率均小于2.6%,表明腐殖酸对于Hg(Ⅱ)具有较大的吸附作用力。由于与富里酸相比,胡敏酸对于Hg(Ⅱ)具有较大的吸附强度和较低的解吸率,因此胡敏酸在土壤对于Hg(Ⅱ)的吸附/解吸过程中具有重要的作用。傅立叶红外光谱显示,这六种腐殖酸具有相似的光能团结构。Hg(Ⅱ)在腐殖酸上的吸附不仅包含有离子交换作用,在高汞浓度条件下,Hg(Ⅱ)在腐殖酸上的吸附与巯基基团结合饱和后,还与C=O、COO-、O-H和C-O等官能团上的氢键结合。 (3)通过自然条件下不同土层的森林土壤样本的傅立叶红外光谱表征及傅立叶红外光谱的相对吸光度(relative absorbances/rA)来研究森林土壤的腐殖化过程。结果表明,随着腐殖化过程的进行,土样中的羧羟基或者醇羟基经历了一个先分解后又重新生成的过程,同时随着土层深度的增加土壤中羧基化合物的相对含量出现了上升的趋势。尽管在腐殖化过程中芳香基团及含氮基团出现了降解,绝对含量下降,相对含量却保持了相对的稳定。C-O基团随着多聚糖和类多聚糖结构的分解,相对含量降低。腐殖质层的腐殖化过程已经趋于稳定,形成的腐殖酸已较为成熟。腐殖质层富里酸的形成过程可能存在着羧基化合物的先消耗后合成和具有C-O结构的多聚物的先合成再消耗的过程。 【关键词】：
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X53
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 腐殖质概述13-17
• 1.1.1 腐殖质的定义,组分13-14
• 1.1.2 腐殖质的来源(腐殖化过程)和环境学意义14-15
• 1.1.3 腐殖质的化学结构特征15-17
• 1.2 汞污染概述17-20
• 1.2.1 汞的基本性质及其环境学特性17-18
• 1.2.2 汞污染的危害18-19
• 1.2.3 汞的全球控制和预防19-20
• 1.3 土壤中汞污染的迁移转化机制20-23
• 1.3.1 土壤汞的迁移机制20-22
• 1.3.2 土壤汞的转化机制22-23
• 1.4 研究的背景、内容和意义23-24
• 第二章 实验材料、仪器和方法24-39
• 2.1 材料与仪器24-28
• 2.1.1 供试土壤样品的采集和处理24-25
• 2.1.2 供试土壤腐殖质样品的提取和纯化25-27
• 2.1.3 测试仪器27-28
• 2.1.4 测试试剂28
• 2.2 研究方法28-39
• 2.2.1 土壤基本性质的测定28-35
• 2.2.2 汞的等温吸附实验35-37
• 2.2.3 土壤/腐殖酸及络合物的傅立叶红外光谱表征37
• 2.2.4 暖温带栎属森林凋落物的腐殖化过程研究37-39
• 第三章 三种森林棕壤及其腐殖质对Hg(Ⅱ)的吸附解吸特性研究39-60
• 3.1 引言39
• 3.2 等温吸附39-42
• 3.3 线性方程的拟合42-49
• 3.3.1 三种森林土壤对Hg(Ⅱ)的等温吸附数据的线性方程拟合42-44
• 3.3.2 六种腐殖酸对Hg(Ⅱ)的等温吸附数据的线性方程拟合44-49
• 3.4 吸附量-解吸量关系49-51
• 3.5 土壤样品和土壤-汞样品的红外光谱表征51-55
• 3.6 腐殖酸样品和腐殖酸-汞样品的红外光谱表征55-58
• 3.7 本章小结58-60
• 第四章 崂山地区栎类植被下森林土壤的腐殖化过程研究60-72
• 4.1 引言60
• 4.2 不同土层的傅立叶红外光谱表征60-65
• 4.3 腐殖质层的腐殖酸的傅立叶红外光谱表征65-71
• 4.4 本章小结71-72
• 第五章 结论及其创新点72-74
• 参考文献74-81
• 致谢81-82
• 硕士期间发表的论文82-83
• 学位论文评阅及答辩情况表83

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