酸雨对西宁地区土壤中钾的淋滤作用的研究

摘 要

采集西宁地区的土壤样品，按照化学成分配制模拟自然酸雨对自制的淋滤管内的土壤进行淋滤实验，研究了不同pH值（2.5，3.5，4.5，5.5，6.5）的模拟酸雨对土壤中钾元素的淋滤作用。通过实验发现：pH≥4.5时酸雨淋洗土壤，土壤中钾的淋出缓慢，而pH≤3.5时酸雨淋洗土壤，则会使土壤中钾的淋出加快。

关键词：钾；模拟酸雨；淋滤；淋出量

中图分类号：TF826.1文献标识码： A 文章编号：

第1章 前 言

酸雨是由空气中的酸性气体(通常为SO2和NOx)与空气中的水相结合,以雨(雪、雾、微粒及细粒) 等形式降落地面,由于其pH 值界于0～5 之间,具酸味,故称酸雨。酸雨因组成的酸性气体不同,一般分为硫酸型和硝酸型两类。通常，清洁的雨pH为5.6 ,微酸。酸雨除化学性质酸外,含有多种致病致癌因素,能诱发多种疾病和癌症,危害人类和环境。

第2章 实验部分

2.1 土壤样品采集和制备

土壤样品采用之字形取样法，采样深度1-20cm。从田间采回的土样，放在阴凉、干燥、通风、又无特殊的气体(如氯气、氨气、二氧化硫等)、无灰尘污染的室内，把样品弄碎后平铺在干净的牛皮纸上,摊成薄薄的一层，并且经常翻动，加速干燥。在土样稍干后，要将大土块捏碎,以免结成硬块后难以磨细。样品风干后，拣出枯枝落叶、植物根、残茬、虫体以及土壤中的铁锰结核、石灰结核或石子等。取风干好的土样研碎，并使其全部通过孔径为3mm的筛子。将处理过的样品置于塑料袋盛装，保存在样品架上,尽量避免日光、高温、潮湿或酸碱气体等的影响。

2.2 主要试剂

① 48％氢氟酸② 70-72%高氯酸③ 6N盐酸 ④ 70％硝酸⑤1％盐酸溶液⑥ NaCl溶液：50.0µg/ml ⑦ 钾标准溶液：25.0µg/ml

准确称取1.9070g经110℃干燥2h的氯化钾(优级纯)，溶于二次蒸馏水，并定容为1000 ml,此溶液即为钾质量浓度为1.000 mg/ml。

2.3 主要仪器

Z-2000型原子吸收分光光度计（日本日立）

钾空心阴极灯（上海电光）

自制淋滤装置(如图2-2所示)

2.4 原子吸收分光光度计仪器工作条件

根据所测的元素选取条件最优的仪器工作条件。钾的仪器工作条件如下表所示：

表2-1原子吸收分光光度计测钾的工作条件

2.5 酸雨淋滤实验

2.5.1 模拟酸雨的配制

由于自然景观条件及社会经济发展状况具有各自的特殊性和不均衡性，各地区大气污染和相应的酸雨组成也存在着比较大的差异。这样在配置模拟酸雨的过程中就需要确定以什么酸雨组分作为参照标准。为了使实验结果具有相对的可比性，本次实验根据2007-2012年酸雨中常见离子平均浓度配制酸雨；SO42-、NO3-、PO43-、Cl-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 、F-离子平均浓度分别为，0.150，0.045，0.002，0.163，0.058，0.006，0.013，0.083和0.007mmol/L。

模拟酸雨配制过程中，遵循的原则首先是不能引入其他杂质，此外还要考虑各种添加组分间的相互作用及其反应特性。模拟酸雨中的各组分浓度均使用分析纯或分析纯以上纯度的化学试剂调节，酸雨中各组分分别用NaF、MgSO4·7H2O、K2SO4、(NH4)2SO4、Ca(NO3)2 4H2O、CaCl2替代F-、Mg2 + 、K+、NH4＋、Ca2 +、Cl -、Na +。

配制酸雨时上述NH4＋、Na +、K+、Ca2 +、Mg2 + 、Cl -、F-7种组分的浓度预先配制高浓度的备用母液，使用时稀释到所需浓度，我们滴加硫酸与硝酸的混合液来调节酸雨的pH值。

2.5.2 淋滤装置的制备

第3章 结果与讨论

3.1 不同pH酸雨及不同淋滤体积下钾的淋出规律

实验中，酸雨的配制方法不变，我们滴加硫酸与硝酸的混合液(3:1)来调节酸雨的pH值，淋滤体积的大小会影响钾的淋出浓度。得出的结果如表3-1：

图3-1不同淋滤体积的酸雨中钾的总淋出浓度(mg/L)

钾的淋出浓度与酸雨的淋滤体积有着密切的关系，如表3-1所示，采用不同pH的酸雨淋洗相同的土壤时，模拟酸雨的酸度越大，土壤中钾的淋出浓度就越大。并且在pH≥4.5时土壤中钾的淋出缓慢，而pH≤3.5时则会使土壤中钾的淋出加快。在相同的pH值下，淋滤液体积为200mL中钾的淋出浓度大于淋滤液体积为100mL中钾的淋出浓度，并且在相同的淋滤体积下，pH值越低，钾的淋出浓度越大(图3-1所示)。在第一次取样中，淋滤液体积为200mL与淋滤液体积为100mL中钾的淋出浓度之间的差值最大，其它pH的酸雨中钾的淋出浓度差值不明显。并且对同一pH的酸雨在同一样品中除少数数值以外200mL的淋滤液中钾的淋出浓度都大于100mL淋滤液中钾的淋出浓度。

3.2 不同的pH酸雨在同一间隔时间下，钾淋出浓度的规律

实验中，酸雨的配制方法不变，我们滴加硫酸与硝酸的混合液(3:1)来调节酸雨的pH值，在相同的时间间隔下，钾的淋出浓度差如图3－2所示：

图3-2 不同pH的酸雨在相同间隔时间对钾的淋出浓度

由图中我们可以看到间隔时间不长的时候除pH＝4.5的酸雨对钾的溶出量有所增加外其它pH对钾的淋出量都呈下降的趋势，并且趋势不明显，这种情况的出现与土壤的缓冲作用有关：(1)碳酸盐矿物的缓冲作用：H++CaCO3→HCO3-+Ca2+

随着反应的进行，就会有重碳酸盐从土壤表层淋出，长此下去，土壤的碳酸盐缓冲容量就有可能慢慢地被耗尽，最后导致土壤的pH降低。(2)交换盐基的缓冲作用：2H++Ca2+......粘粒=2H+......粘粒+Ca2+

土壤交换性盐基对酸的缓冲作用的机制并不是真的将酸中和使酸在土壤中消失，而是将交换出来的酸储存在土壤贮备酸“库”内，如果土壤遭到淋洗，这种机制抵抗酸对土壤侵蚀的作用的能力和价值就会随土壤交换性盐基的消耗而削弱。

当间隔时间在20h小时的时候可以看到对钾的浓度差由大到小排列顺序为pH2.5＞pH3.5＞pH4.5＞pH5.5＞pH6.5

3.3 不同pH酸雨随时间累积对淋出液中钾浓度的影响

实验中酸雨的配制方法同3.2。对于同一土壤，随着时间的累积钾的浓度不断增大，但是不同pH值的酸雨淋洗相同土壤时，土壤中钾的累积淋出浓度却不一样，时间与钾的累积淋出浓度关系如下图所示：

图3-3在不同的pH值酸雨下，随时间的累积钾的淋出浓度

上图表明，在起始时间为3小时左右时，钾在pH＝2.5,pH＝3.5，pH＝4.5，pH＝5.5，pH＝6.5的酸雨的淋出浓度都在4mg/L左右，随着时间的推移，在pH为2.5时，钾在前后间隔时间的平均淋出浓度都增加2mg/L。其它pH条件下钾的增加量却很小，并且pH＝2.5时钾的累计淋出浓度最大，其它pH酸雨条件下，土壤中钾的累积淋出浓度差异不太明显。在实际的生活中pH≤2.5的酸雨是并不存在的，都是在3.5到5.5的范围内。仅从这个范围的pH酸雨观察，126小时以后，钾的累积淋出浓度还有上涨的趋势，但是到多少时间后土壤中的钾基本上全部淋出尚不明确。土壤中的钾元素持续的淋出，就会导致土壤的贫瘠和风化，从而影响到植物的正常生长。由于植物对钾元素的吸收量减小使人体从蔬菜中钾元素的摄入量减小，因而对我们人体产生了危害。因此，酸雨对于土壤中钾的淋出我们是不容忽视的。

结 论

(1)土壤中钾的淋出量受酸雨的pH值的影响。本论文研究工作表明：不同pH的酸雨淋洗相同的土壤时，模拟酸雨的酸度越大钾的淋出量就越大。实验结果还表明：在酸雨pH≥4.5时土壤中的钾淋出缓慢，而酸雨pH≤3.5时则会使土壤中的钾淋出加快。

(2)用相同pH的酸雨淋洗同一种土壤，淋滤液体积越大，淋滤液中钾的浓度越大，表明随着酸雨淋洗时间的增长，土壤中淋滤出的钾浓度越高。

(3)用模拟酸雨淋洗土壤从0小时到20小时这个阶段，对于各个不同pH的酸雨钾的淋出量并无规律性变化。但是在间隔时间为20小时的时候，钾淋出的浓度差按大小顺序排列为pH2.5＞pH3.5＞pH4.5＞pH5.5＞pH6.5.通过进一步研究发现在酸雨pH＝2.5时，钾随时间的累计淋出浓度最大，与其它pH值的钾淋出浓度有显著性差异。pH＝3.5，pH＝4.5，pH＝5.5，pH＝6.5的累计淋出浓度差异不明显。

参考文献

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作者简介：方郭志，男，汉族，出生于1984年8月，青海省西宁市人，助理工程师。2007年毕业于成都理工大学应用化学系，本科，主要研究方向：化学分析（水质检测，岩矿测试，土壤检测）。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。