土壤中黑炭的積累、分布特征及其穩(wěn)定性的模擬研究.pdf

1、由于黑炭具有特殊的理化性質(zhì)，使其具有影響全球碳循環(huán)、土壤性質(zhì)和環(huán)境中污染物遷移能力等環(huán)境意義。研究黑炭在不同土壤中的積累分布規(guī)律及其穩(wěn)定性，可為深入而全面的理解人為活動對黑炭積累分布的影響、土壤中黑炭的穩(wěn)定性機理、土壤有機碳庫對全球環(huán)境變化的作用及合理管理土壤提供科學依據(jù)。
　　 論文在全面評述黑炭在不同類型土壤中的積累分布特點、在土壤環(huán)境中的轉(zhuǎn)化及其表面化學性質(zhì)變化的基礎(chǔ)上，采樣分析了幾種代表性土壤中黑炭的積累與分布規(guī)律;利用

2、培養(yǎng)實驗和化學氧化方法模擬黑炭進入土壤初期生物與非生物降解過程、不同強度非生物降解過程以及不同時間尺度下黑炭的降解過程，并運用物理、化學和儀器分析方法對降解后黑炭的形貌特征、化學結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)及其對有機污染物吸附規(guī)律的變化進行研究，獲得如下主要結(jié)果:
　　 (1)從浙江省采集了受人類活動不同程度影響的表層土壤和剖面土壤，用化學分析的方法測定土壤中黑炭的含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn):林地土壤中普遍存在黑炭，枯枝落葉層、表土層(0～10 cm)和

3、亞表土層(10～20 cm)黑炭數(shù)量分別為0.27～67.63，0.83～22.42和0.27～8.72 g kg-1，各占有機碳總量的0.12％～13.14％，1.87％～21.40％和3.31％～27.13％。近40年內(nèi)發(fā)生過火災的樣區(qū)枯枝落葉層和表土層黑炭質(zhì)量分數(shù)明顯高于近期沒有發(fā)生過火災的土壤，但近期是否發(fā)生火災對亞表層黑炭積累無明顯影響。地形位置對土壤中黑炭的積累也有一定的影響，積累量在山坡坡腳區(qū)域明顯高于坡頂和上坡。

4、　　 代表性城市土壤黑炭在0～15.22 g kg-1之向，平均為3.83 g kg-1，變異系數(shù)達51.96％，主要集中分布在1～5 g kg-1之間。城市土壤黑炭平均含量由高至低依次為:工廠廠區(qū)土壤＞城郊蔬菜地土壤＞城市道路附近土壤＞城市綠地土壤。黑炭占城市土壤有機碳的比例在0％～53.2％之間，平均為24.83％，該比例由高至低為工廠廠區(qū)土壤＞城市道路附近土壤＞城郊蔬菜地土壤＞城市綠地土壤。另外，在水耕人為土壤中，黃斑田土壤有機

5、碳庫低于青紫泥田和爛青紫泥田，黑炭占有機碳總量的4.2％～24.6％，在黃斑田和青紫泥田中隨深度降低，而在爛青紫泥田中剖面上下差異不大。研究還發(fā)現(xiàn)土壤中的黑炭顆粒較小，主要出現(xiàn)在“粘?！绷＜壷?，隨剖面深度增加黑炭顆粒趨向減小。
　　 (2)采用直接從不同火災發(fā)生歷史記錄并有明顯黑炭積累的土壤中分離出黑炭樣品，并對土壤中黑炭的表面化學性質(zhì)及其變化進行了初步研究，發(fā)現(xiàn)隨著黑炭進入土壤后保存時間的延長，黑炭的C含量在67.3％88.3

6、％之間，逐漸降低;O含量在7.2％～18.6％之間，H含量在1.2％～3.1％之間，有逐漸增加的趨勢;同時，CEC在0.17～42.44 cmol kg1之間，逐漸增加;比表面積在48～132 m2 g-1之間逐漸降低。堿性基團在2.65～18.93 cmol kg-1之間，也隨著形成時間增加趨向減少，而羧基、酸性基團及總基團數(shù)分別在16.59～63.24、38.66～124.17和50.80～1298.39 cmol kg-1之間，隨

7、形成時間的增加而增加。對代表性樣品的紅外光譜鑒定也表明，隨著黑炭進入土壤后保存時間的增加含氧官能團（羧基、羰基、羥基等）均有明顯的增加。
　　 (3)為了比較生物與非生物降解過程對黑炭礦化速率及其表面性質(zhì)的影響程度，采用實驗室模擬的方法研究了黑炭進入環(huán)境初期生物與非生物降解過程對其礦化速率、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、表面官能團及其對有機污染物吸附能力的影響。結(jié)果表明，在30℃培養(yǎng)條件下，添加外源微生物能夠促進黑炭的礦化，且累積釋放的C

8、O2的量比非生物降解條件下累積釋放的CO2的量多;但經(jīng)生物降解后黑炭表面含氧官能團、比表面積和孔徑分布與經(jīng)非生物降解后黑炭的相比無顯著性差異。溫度能夠影響非生物降解過程中黑炭的礦化速率及其累積釋放CO2的量，黑炭在70℃非生物降解過程中的礦化速率和累積釋放CO2的量均顯著大于其在30℃非生物降解過程中的礦化速率和累積釋放CO2的量。而且，經(jīng)70℃非生物降解后黑炭的表面含氧官能團、比表面積、孔徑分布和對硝基苯的吸附能力與經(jīng)30℃生物降解后

9、黑炭的相比均有顯著性差異，說明高溫條件下空氣對黑炭的氧化過程對其表面性質(zhì)的影響比30℃條件下外源微生物的降解過程對其的影響更加顯著。
　　 (4)為了更深入的了解不同強度非生物降解過程對黑炭性質(zhì)的影響，選取了70℃條件下熱空氣氧化（弱氧化）、雙氧水氧化（強氧化）和濃硝酸氧化（極強氧化）等三種不同氧化強度的非生物氧化方法對黑炭性質(zhì)的影響進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)熱空氣氧化后黑炭的孔隙被堵塞導致其比表面積和總孔體積減小。而經(jīng)雙氧水和濃

10、硝酸氧化后，黑炭的初始結(jié)構(gòu)被破壞，形成碎片粒子，這些碎片粒子堆積可形成狹縫孔，從而增加了黑炭的比表面積和總孔體積。氧化強度最大的濃硝酸能夠?qū)⒑谔康目紫督Y(jié)構(gòu)破壞的最徹底。而且，經(jīng)濃硝酸氧化后黑炭的表面形成的含氧官能團的數(shù)量最多，元素組成的變化程度最大。
　　 (5)由于黑炭具有高度的穩(wěn)定性，直接開展黑炭在環(huán)境中經(jīng)不同時間尺度降解后其性質(zhì)變化的研究極具挑戰(zhàn)性，因此本研究利用培養(yǎng)試驗（培養(yǎng)周期為1年，培養(yǎng)溫度為30℃）和濃硝酸劇烈氧化

11、的方法分別模擬黑炭在環(huán)境中發(fā)生的短期降解過程和黑炭進入環(huán)境中極長一段時間后的降解過程。研究結(jié)果表明，經(jīng)短期環(huán)境降解后黑炭的比表面積、孔體積及其對有機污染物的吸附能力均有顯著變化，但其表面含氧官能團及表面碳氧元素比無顯著性交化;經(jīng)長期的環(huán)境降解后黑炭的比表面積、孔體積、表面含氧官能團及其對污染物的吸附能力有顯著性變化。在氧化過程中黑炭性質(zhì)的變化與黑炭的種類（如制備黑炭的生物質(zhì)及制備溫度）和氧化條件有關(guān)。由氧化引起的黑炭性質(zhì)的變化，會對富含