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土壤电场对粘土矿物团聚体稳定性的影响

许晨阳  
【摘要】:团聚体是土壤团粒结构的基本单元。团聚体是土壤单粒经多级聚合作用形成的,主要过程包括粘团的形成和物质的联结。土壤单粒之间首先通过离子键、共价键和氢键的作用形成粘团,粘团之间通过高价阳离子、有机大分子和生物菌丝等联结起来形成团聚体。团聚体的稳定性受到土壤有机质含量、粘土矿物组成和可交换性钠百分含量等多个土壤性质的影响。土壤胶体体系的性质决定了土壤团聚体的稳定性,胶体颗粒之间的相互作用不仅受到DLVO作用力的支配,也受到非DLVO作用力的影响。介观尺度的颗粒主要受到静电斥力、水合斥力和范德华引力的支配,其净合力决定了体系的凝聚和分散。本文主要利用体系本体溶液电解质的类型、浓度和温度来调节颗粒表面电场,研究了不同电场强度下蒙脱石和高岭石两种粘土矿物及其它们的混合团聚体的稳定性。本研究发现团聚体结构发生破坏的主要原因并不是雨滴打击、流水剪切和理化分散,土壤电场才是造成团聚体分散的静电斥力和水合斥力的根本来源。团聚体经过这个过程释放出单粒和微团聚体,进而在雨滴打击的扰动作用下形成悬液,然后随径流流失到侵蚀的下游区域,造成水土流失和水体富营养化等环境问题。同时在此基础上,对于粘土矿物团聚体稳定性的特殊离子效应进行初步探索。 本文的研究结果可以总结如下。 (1)粘土矿物团聚体的稳定性受到静电斥力、水合斥力和范德华引力的支配。颗粒表面电场是导致矿物团聚体破坏的根本原因,电场的强弱决定了矿物团聚体的分散方式:在高表面电位条件下,团聚体以爆裂的方式发生分散;在低表面电位条件下,团聚体以消散或者膨胀的方式分散。对于蒙脱石团聚体,其以爆裂方式发生分散的临界表面电位值为-170mV。静电斥力、水合斥力和范德华引力的作用力程分别为1000nm1.5nm和50nm;静电斥力和水合斥力都来自于粘粒表面电场,电场强弱决定了斥力势能的高低。水合斥力在相邻粘土颗粒距离很近时,可以产生上万个大气压,对于团聚体结构破坏起到了关键作用,而静电斥力的高低决定了团聚体以何种方式分散。 (2)颗粒表面电场和粘土矿物组成对于团聚体结构的破坏过程有强烈的耦合作用。由蒙脱石和高岭石按照不同的质量比形成的混合团聚体稳定性与单一矿物团聚体有明显不同。蒙脱石团聚体的稳定性明显弱于高岭石。对于混合团聚体,高岭石含量高的两个组合(20%蒙脱石+80%高岭石和50%蒙脱石+50%高岭石)团聚体发生爆裂式破碎的临界表面电位显著高于高岭石含量较低的两个组合的情况(80%蒙脱石+20%高岭石和100%蒙脱石);前者大约在210-220mV时发生爆裂式破碎,后者大约在160~170mV时发生爆裂式破碎。同时,在高表面电位条件下,高岭石含量较高(80%和50%高岭石含量)的团聚体破坏后释放的小颗粒量显著地高于高岭石含量较低(0%和20%高岭石含量)的团聚体的释放量;而在低表面电位下,上述情况几乎正好相反,即蒙脱石含量高的团聚体破坏后释放的小碎片量明显较高。所以可以得到结论:高表面电位条件下,小颗粒的释放量由电场强度和水分入渗速度共同决定;低表面电位条件下,颗粒的释放量由团聚体内的小颗粒含量决定。 (3)混合矿物团聚体的稳定性研究还得到一个重要结论:最不稳定的土壤团聚体并不是粘粒(蒙脱石)含量最高的团聚体,而是含有一定量粘粒且以砂粒为主的粉质土壤。因为这种土壤发生爆裂式分散所需的表面电位值较高,因此在强降雨条件下粉质土壤是最容易发生侵蚀的土壤。而我国黄土高原地区的粉质土正好符合这个条件,在长期干旱气候下的强降雨区是土壤侵蚀发生最严重的区域。 (4)团聚体的稳定性也存在特殊离子效应,且特殊离子效应产生的本质原因可能是表面电场与量子振荡耦合作用的结果。在阴离子固定的条件下,钠饱和团聚体的稳定性显著弱于钾饱和团聚体,且这种差异随着表面电位值的升高(电解质溶液的降低)而增强。钠离子和钾离子的极化率不同,前者小于后者;钾离子的电子云更柔软,在强电场条件下容易发生变形,在粘粒表面出现的概率大于钠离子,因此对表面负电场的屏蔽效应强。在相同的电解质浓度条件下,双电层中钾离子的相互作用能约为钠离子的1.6倍。考虑颗粒表面电场和量子振荡的耦合作用之后,必须引入有效电荷系数对离子的化合价进行修正。在电解质的浓度为10-5mol/L时,钠饱和团聚体的表面电位是钾饱和团聚体的1.5倍,且随着电解质浓度的降低而比值减小,只有当电解质浓度值很高(超过1mol/L时),二者的表面电位值才接近。表面电位值是团聚体的稳定性的决定因素,二者正好呈正相关。钠体系和钾体系的静电排斥压强比的变化趋势也与此相同。因此证明,特殊离子效应不是离子水合或者色散力作用的结果,而是颗粒表面电场与量子振荡耦合作用的结果。


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