铁铝氧化物是可变电荷土壤中含氧酸根离子的主要吸附载体，砖红壤发育的水稻土遭受水耕人为作用导致氧化铁形态和数量发生强烈变化，然而我们对砷酸根、磷酸根、铬酸根等含氧酸根阴离子的吸附行为如何响应这一变化知之甚少。我室徐仁扣研究团队从土壤表面电化学性质、吸附热力学、吸附动力学等方面开展了一系列的研究工作。
通过砷酸根吸附等温线、zeta电位、吸附动力学、pH影响和与磷酸根竞争吸附等实验，比较了砷酸根在水稻土和砖红壤表面的吸附亲和能力。结果表明，铁解作用导致水稻土中游离氧化铁含量显著降低，而无定形氧化铁增加。由于无定形氧化铁活性更高，砷酸根在水稻土上吸附量的降低幅度略逊于游离氧化铁含量的下降。吉布斯自由能、吸附动力学、zeta电位等数据证明砷酸根在水稻土和砖红壤上发生了明显的专性吸附。解吸实验的数据也表明非静电吸附是砷酸根的主要吸附机制，占比达91–95%。随着体系pH值的增加和磷酸根的加入，砷酸根的吸附受到强烈抑制。因此，水稻淹水种植过程中所导致的酸性土壤pH升高以及大量磷肥的施入将造成土壤已固定砷酸根的活化，加剧砷污染危害，应引起重视。
进一步研究了磷酸根在完整土体和不同粒径土壤颗粒表面的吸附/解吸行为，发现虽然游离氧化铁铝物质是可变电荷土壤中磷酸根的主要吸附载体，但由于比表面积更大、活性位点更多的无定型铁铝氧化物含量的增加，部分抵消了水稻土中游离铁铝含量下降对吸附的影响。通过搅流池、zeta电位、XPS等技术，研究铬酸根在砖红壤发育水稻土表面吸附特征，发现铬酸根在砖红壤上的吸附容量明显高于水稻土，但当去除有机质后，铬酸根吸附容量分别下降18.0%和41.3%，表明铬酸根的吸附受到土壤有机质的制约。解吸实验和zeta电位结果表明，铬酸根在砖红壤和水稻土表面也主要以非静电吸附机制为主。动力学实验结果表明，铬酸根在水稻土和砖红壤表面的吸附符合假一级动力学方程，研究发现游离金属氧化物是铬酸根的主要吸附载体。因此，水稻耕作对可变电荷土壤表面电化学性质及各种含氧酸根阴离子的吸附特性有着显著影响。
上述研究结果分别发表在Chemosphere, Soil & Tillage Research和Science of the Total Environment期刊上，姜军副研究员以及硕士研究生赵震杰和华辉为研究工作的主要完成人。以上研究得到了国家重点研发计划项目(2017YFF0108201和2019YFC1803403)和国家自然科学基金(441771275和41371245)的资助。
水耕人为作用对铬酸根吸附特征的影响及其机制
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https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.03.115
