我国亚热带季风气候区湿地土壤DOC分布特征和吸附特性研究

摘要

湿地碳循环中，土壤有机碳不仅能转化为气体形式(CO2、CH4)直接释放到大气中，也能够以水溶物形式即可溶性有机碳(DOC)，被地表径流携带进入水体，构成碳循环的另一重要环节。目前关于湿地碳循环的研究主要集中在CO2与CH4的排放规律，对于DOC在湿地土壤中的迁移转化则少有关注。本文选取中国亚热带季风气候区的三种典型湿地（城市次生湿地-杭州西溪湿地、湖泊滩涂湿地-湖州下渚潮湿地、人工湿地-余杭区径山水稻田）作为研究对象。通过野外采样分析观测湿地土壤DOC含量的分布特征;通过实验室常规吸附模拟实验，得出较短时间尺度上湿地土壤对DOC的吸附特性;借助多种表征手段，进一步揭示湿地土壤对DOC的吸附机理。研究结果表明:
　　1、土壤DOC的含量变化范围在125.72～512.92mg·kg-1之间，平均含量为269.72±119.01mg·kg-1，约占TOC平均含量的2％，含量较为丰富。其在土壤剖面中的分布整体呈现出随土层深度增加而降低的趋势。三种湿地DOC平均含量的大小顺序为:水稻田＞城市次生湿地＞湖泊滩涂湿地。土壤理化性质对DOC的分布有一定影响。土壤TOC作为DOC的来源，其含量与DOC含量呈极显著正相关;高含水率的土壤有利于DOC的产生与积累;土壤全氮、碱解氮与DOC三者之间存在协同促进关系。通径分析结果表明:TOC和碱解氮是影响DOC含量分布的两个相对重要因素，其中TOC的直接影响更大。
　　2、当吸附质初始浓度介于0～45mg·l-1范围内时:IM isotherm、Freundlich、Temkin三种等温吸附模型都能较好的拟合吸附过程，其中IM isotherm方程的拟合效果最佳。IM isotherm方程中的分配系数m可反映吸附能力强弱，m值越大，吸附能力越强，各采样点底层土壤均表现出最强的吸附能力。水稻田与城市次生湿地土壤的吸附能力相近，强于湖泊滩涂湿地。土壤吸附DOC的能力受多变量共同影响，其主控因素为土壤pH值、物理性粘粒和活性铝含量，而土壤TOC、活性铁及含水率等因子对吸附过程影响不显著。
　　3、扫描电镜和比表面积分析表明土壤表面的孔隙结构是决定土壤吸附能力的关键因素，孔隙越多，比表面积越大，比表面能越大，对DOC的吸附能力就越强，进而推测土壤吸附DOC过程存在物理吸附机制。傅里叶-红外测试证实了化学吸附机制的存在，即DOC与土壤矿物羟基之间的配位体交换作用。颗粒物中的脂肪族或芳香族等大分子有机物可能不利于吸附过程的进行。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土壤DOC的定义和来源

1．2．2 土壤DOC的分布

1．2．3 土壤DOC的吸附行为研究

1．3 研究内容和研究目标

1．4 主要创新点

1．5 技术路线

2 材料与方法

2．1 研究区域概况

2．1．1 余杭区径山镇

2．1．2 西溪湿地

2．1．3 下渚潮湿地

2．2 土样采集与预处理

2．3 土壤理化性质分析方法

2．3．1 pH

2．3．2 含水率

2．3．3 DOC

2．3．4 TOC

2．3．5 全氮和碱解氮

2．3．6 物理性粘粒含量

2．3．7 活性Fe、Al

2．4 吸附实验方法

2．4．1 电解质溶液的配制

2．4．2 DOC溶液的制备

2．4．3 等温吸附实验

2．5 表征方法

2．5．1 扫描武电子显徼镜(SEM)

2．5．2 比表面积(BET)

2．5．3 X射线衍射(XRD)

2．5．4 傅里叶红外(FT-IR)

2．6 数据处理方法

3 湿地土壤理化性质及DOC含量分布特征

3．1 湿地土壤的理化性质

3．1．1 pH

3．1．2 含水率

3．1．3 物理性粘粒

3．1．4 TOC

3．1．5 全氮(TN)及碱解N

3．1．6 碳氮比

3．1．7 活性Fe、Al

3．2 供试土壤DOC含量的分布特征

3．3 土壤理化性质对DOC含量的影响

3．3．1 土壤理化性质与DOC含量的相关性分析

3．3．2 湿地土壤理化性质对DOC含量影响的通径分析

3．4 本章小结

4 湿地土壤DOC的吸附特性研究

4．1 湿地土壤对DOC的等温吸附

4．2 湿地土壤理化性质对土壤吸附DOC性能的影响

4．2．1 湿地土壤pH和含水率对吸附性能的影响

4．2．2 湿地土壤DOC与TOC含量对吸附性能的影响

4．2．3 湿地土壤物理性粘粒含量对吸附性能的影响

4．2．4 湿地土壤活性Fe、Al含量对吸附性能的影响

4．2．5 湿地土壤理化性质对吸附影响的通径分析

4．3 本章小结

5 湿地土壤颗粒的表征测试与吸附DOC的机理分析

5．1 湿地土壤颗粒的表征测试

5．1．1 湿地土壤颗粒的扫描电镜分析

5．1．2 湿地土壤颗粒的比表面积分析

5．1．3 湿地土壤颗粒的X射线衍射分析

5．1．4 湿地土壤颠粒的傅里叶-红外光谱分析

5．2 湿地土壤吸附DOC的机理分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 不足与展望

参考文献

作者简历