酸雨對西寧地區土壤中鉀的淋濾作用的研究

摘 要

采集西寧地區的土壤樣品，按照化學成分配制模擬自然酸雨對自制的淋濾管內的土壤進行淋濾實驗，研究了不同pH值（2.5，3.5，4.5，5.5，6.5）的模擬酸雨對土壤中鉀元素的淋濾作用。通過實驗發現：pH≥4.5時酸雨淋洗土壤，土壤中鉀的淋出緩慢，而pH≤3.5時酸雨淋洗土壤，則會使土壤中鉀的淋出加快。

關鍵詞：鉀；模擬酸雨；淋濾；淋出量

中圖分類號：TF826.1文獻標識碼： A 文章編號：

第1章 前 言

酸雨是由空氣中的酸性氣體(通常為SO2和NOx)與空氣中的水相結合,以雨(雪、霧、微粒及細粒) 等形式降落地面,由于其pH 值界于0～5 之間,具酸味,故稱酸雨。酸雨因組成的酸性氣體不同,一般分為硫酸型和硝酸型兩類。通常，清潔的雨pH為5.6 ,微酸。酸雨除化學性質酸外,含有多種致病致癌因素,能誘發多種疾病和癌癥,危害人類和環境。

第2章 實驗部分

2.1 土壤樣品采集和制備

土壤樣品采用之字形取樣法，采樣深度1-20cm。從田間采回的土樣，放在陰涼、干燥、通風、又無特殊的氣體(如氯氣、氨氣、二氧化硫等)、無灰塵污染的室內，把樣品弄碎后平鋪在干凈的牛皮紙上,攤成薄薄的一層，并且經常翻動，加速干燥。在土樣稍干后，要將大土塊捏碎,以免結成硬塊后難以磨細。樣品風干后，揀出枯枝落葉、植物根、殘茬、蟲體以及土壤中的鐵錳結核、石灰結核或石子等。取風干好的土樣研碎，并使其全部通過孔徑為3mm的篩子。將處理過的樣品置于塑料袋盛裝，保存在樣品架上,盡量避免日光、高溫、潮濕或酸堿氣體等的影響。

2.2 主要試劑

① 48％氫氟酸② 70-72%高氯酸③ 6N鹽酸 ④ 70％硝酸⑤1％鹽酸溶液⑥ NaCl溶液：50.0μg/ml ⑦ 鉀標準溶液：25.0μg/ml

準確稱取1.9070g經110℃干燥2h的氯化鉀(優級純)，溶于二次蒸餾水，并定容為1000 ml,此溶液即為鉀質量濃度為1.000 mg/ml。

2.3 主要儀器

Z-2000型原子吸收分光光度計（日本日立）

鉀空心陰極燈（上海電光）

自制淋濾裝置(如圖2-2所示)

2.4 原子吸收分光光度計儀器工作條件

根據所測的元素選取條件最優的儀器工作條件。鉀的儀器工作條件如下表所示：

表2-1原子吸收分光光度計測鉀的工作條件

2.5 酸雨淋濾實驗

2.5.1 模擬酸雨的配制

由于自然景觀條件及社會經濟發展狀況具有各自的特殊性和不均衡性，各地區大氣污染和相應的酸雨組成也存在著比較大的差異。這樣在配置模擬酸雨的過程中就需要確定以什么酸雨組分作為參照標準。為了使實驗結果具有相對的可比性，本次實驗根據2007-2012年酸雨中常見離子平均濃度配制酸雨；SO42-、NO3-、PO43-、Cl-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 、F-離子平均濃度分別為，0.150，0.045，0.002，0.163，0.058，0.006，0.013，0.083和0.007mmol/L。

模擬酸雨配制過程中，遵循的原則首先是不能引入其他雜質，此外還要考慮各種添加組分間的相互作用及其反應特性。模擬酸雨中的各組分濃度均使用分析純或分析純以上純度的化學試劑調節，酸雨中各組分分別用NaF、MgSO4·7H2O、K2SO4、(NH4)2SO4、Ca(NO3)2 4H2O、CaCl2替代F-、Mg2 + 、K+、NH4＋、Ca2 +、Cl -、Na +。

配制酸雨時上述NH4＋、Na +、K+、Ca2 +、Mg2 + 、Cl -、F-7種組分的濃度預先配制高濃度的備用母液，使用時稀釋到所需濃度，我們滴加硫酸與硝酸的混合液來調節酸雨的pH值。

2.5.2 淋濾裝置的制備

第3章 結果與討論

3.1 不同pH酸雨及不同淋濾體積下鉀的淋出規律

實驗中，酸雨的配制方法不變，我們滴加硫酸與硝酸的混合液(3:1)來調節酸雨的pH值，淋濾體積的大小會影響鉀的淋出濃度。得出的結果如表3-1：

圖3-1不同淋濾體積的酸雨中鉀的總淋出濃度(mg/L)

鉀的淋出濃度與酸雨的淋濾體積有著密切的關系，如表3-1所示，采用不同pH的酸雨淋洗相同的土壤時，模擬酸雨的酸度越大，土壤中鉀的淋出濃度就越大。并且在pH≥4.5時土壤中鉀的淋出緩慢，而pH≤3.5時則會使土壤中鉀的淋出加快。在相同的pH值下，淋濾液體積為200mL中鉀的淋出濃度大于淋濾液體積為100mL中鉀的淋出濃度，并且在相同的淋濾體積下，pH值越低，鉀的淋出濃度越大(圖3-1所示)。在第一次取樣中，淋濾液體積為200mL與淋濾液體積為100mL中鉀的淋出濃度之間的差值最大，其它pH的酸雨中鉀的淋出濃度差值不明顯。并且對同一pH的酸雨在同一樣品中除少數數值以外200mL的淋濾液中鉀的淋出濃度都大于100mL淋濾液中鉀的淋出濃度。

3.2 不同的pH酸雨在同一間隔時間下，鉀淋出濃度的規律

實驗中，酸雨的配制方法不變，我們滴加硫酸與硝酸的混合液(3:1)來調節酸雨的pH值，在相同的時間間隔下，鉀的淋出濃度差如圖3－2所示：

圖3-2 不同pH的酸雨在相同間隔時間對鉀的淋出濃度

由圖中我們可以看到間隔時間不長的時候除pH＝4.5的酸雨對鉀的溶出量有所增加外其它pH對鉀的淋出量都呈下降的趨勢，并且趨勢不明顯，這種情況的出現與土壤的緩沖作用有關：(1)碳酸鹽礦物的緩沖作用：H++CaCO3→HCO3-+Ca2+

隨著反應的進行，就會有重碳酸鹽從土壤表層淋出，長此下去，土壤的碳酸鹽緩沖容量就有可能慢慢地被耗盡，最后導致土壤的pH降低。(2)交換鹽基的緩沖作用：2H++Ca2+......粘粒=2H+......粘粒+Ca2+

土壤交換性鹽基對酸的緩沖作用的機制并不是真的將酸中和使酸在土壤中消失，而是將交換出來的酸儲存在土壤貯備酸“庫”內，如果土壤遭到淋洗，這種機制抵抗酸對土壤侵蝕的作用的能力和價值就會隨土壤交換性鹽基的消耗而削弱。

當間隔時間在20h小時的時候可以看到對鉀的濃度差由大到小排列順序為pH2.5＞pH3.5＞pH4.5＞pH5.5＞pH6.5

3.3 不同pH酸雨隨時間累積對淋出液中鉀濃度的影響

實驗中酸雨的配制方法同3.2。對于同一土壤，隨著時間的累積鉀的濃度不斷增大，但是不同pH值的酸雨淋洗相同土壤時，土壤中鉀的累積淋出濃度卻不一樣，時間與鉀的累積淋出濃度關系如下圖所示：

圖3-3在不同的pH值酸雨下，隨時間的累積鉀的淋出濃度

上圖表明，在起始時間為3小時左右時，鉀在pH＝2.5,pH＝3.5，pH＝4.5，pH＝5.5，pH＝6.5的酸雨的淋出濃度都在4mg/L左右，隨著時間的推移，在pH為2.5時，鉀在前后間隔時間的平均淋出濃度都增加2mg/L。其它pH條件下鉀的增加量卻很小，并且pH＝2.5時鉀的累計淋出濃度最大，其它pH酸雨條件下，土壤中鉀的累積淋出濃度差異不太明顯。在實際的生活中pH≤2.5的酸雨是并不存在的，都是在3.5到5.5的范圍內。僅從這個范圍的pH酸雨觀察，126小時以后，鉀的累積淋出濃度還有上漲的趨勢，但是到多少時間后土壤中的鉀基本上全部淋出尚不明確。土壤中的鉀元素持續的淋出，就會導致土壤的貧瘠和風化，從而影響到植物的正常生長。由于植物對鉀元素的吸收量減小使人體從蔬菜中鉀元素的攝入量減小，因而對我們人體產生了危害。因此，酸雨對于土壤中鉀的淋出我們是不容忽視的。

結 論

(1)土壤中鉀的淋出量受酸雨的pH值的影響。本論文研究工作表明：不同pH的酸雨淋洗相同的土壤時，模擬酸雨的酸度越大鉀的淋出量就越大。實驗結果還表明：在酸雨pH≥4.5時土壤中的鉀淋出緩慢，而酸雨pH≤3.5時則會使土壤中的鉀淋出加快。

(2)用相同pH的酸雨淋洗同一種土壤，淋濾液體積越大，淋濾液中鉀的濃度越大，表明隨著酸雨淋洗時間的增長，土壤中淋濾出的鉀濃度越高。

(3)用模擬酸雨淋洗土壤從0小時到20小時這個階段，對于各個不同pH的酸雨鉀的淋出量并無規律性變化。但是在間隔時間為20小時的時候，鉀淋出的濃度差按大小順序排列為pH2.5＞pH3.5＞pH4.5＞pH5.5＞pH6.5.通過進一步研究發現在酸雨pH＝2.5時，鉀隨時間的累計淋出濃度最大，與其它pH值的鉀淋出濃度有顯著性差異。pH＝3.5，pH＝4.5，pH＝5.5，pH＝6.5的累計淋出濃度差異不明顯。

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作者簡介：方郭志，男，漢族，出生于1984年8月，青海省西寧市人，助理工程師。2007年畢業于成都理工大學應用化學系，本科，主要研究方向：化學分析（水質檢測，巖礦測試，土壤檢測）。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。