土壤電場對粘土礦物團聚體穩(wěn)定性的影響.pdf

1、團聚體是土壤團粒結構的基本單元。團聚體是土壤單粒經(jīng)多級聚合作用形成的，主要過程包括粘團的形成和物質(zhì)的聯(lián)結。土壤單粒之間首先通過離子鍵、共價鍵和氫鍵的作用形成粘團，粘團之間通過高價陽離子、有機大分子和生物菌絲等聯(lián)結起來形成團聚體。團聚體的穩(wěn)定性受到土壤有機質(zhì)含量、粘土礦物組成和可交換性鈉百分含量等多個土壤性質(zhì)的影響。土壤膠體體系的性質(zhì)決定了土壤團聚體的穩(wěn)定性，膠體顆粒之間的相互作用不僅受到DLVO作用力的支配，也受到非DLVO作用力的影響

2、。介觀尺度的顆粒主要受到靜電斥力、水合斥力和范德華引力的支配，其凈合力決定了體系的凝聚和分散。本文主要利用體系本體溶液電解質(zhì)的類型、濃度和溫度來調(diào)節(jié)顆粒表面電場，研究了不同電場強度下蒙脫石和高嶺石兩種粘土礦物及其它們的混合團聚體的穩(wěn)定性。本研究發(fā)現(xiàn)團聚體結構發(fā)生破壞的主要原因并不是雨滴打擊、流水剪切和理化分散，土壤電場才是造成團聚體分散的靜電斥力和水合斥力的根本來源。團聚體經(jīng)過這個過程釋放出單粒和微團聚體，進而在雨滴打擊的擾動作用下形成

3、懸液，然后隨徑流流失到侵蝕的下游區(qū)域，造成水土流失和水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。同時在此基礎上，對于粘土礦物團聚體穩(wěn)定性的特殊離子效應進行初步探索。
　　 本文的研究結果可以總結如下。
　　 (1)粘土礦物團聚體的穩(wěn)定性受到靜電斥力、水合斥力和范德華引力的支配。顆粒表面電場是導致礦物團聚體破壞的根本原因，電場的強弱決定了礦物團聚體的分散方式:在高表面電位條件下，團聚體以爆裂的方式發(fā)生分散;在低表面電位條件下，團聚體以消散或者

4、膨脹的方式分散。對于蒙脫石團聚體，其以爆裂方式發(fā)生分散的臨界表面電位值為-170mV。靜電斥力、水合斥力和范德華引力的作用力程分別為1000nm、1.5nm和50nm;靜電斥力和水合斥力都來自于粘粒表面電場，電場強弱決定了斥力勢能的高低。水合斥力在相鄰粘土顆粒距離很近時，可以產(chǎn)生上萬個大氣壓，對于團聚體結構破壞起到了關鍵作用，而靜電斥力的高低決定了團聚體以何種方式分散。
　　 (2)顆粒表面電場和粘土礦物組成對于團聚體結構的破壞

5、過程有強烈的耦合作用。由蒙脫石和高嶺石按照不同的質(zhì)量比形成的混合團聚體穩(wěn)定性與單一礦物團聚體有明顯不同。蒙脫石團聚體的穩(wěn)定性明顯弱于高嶺石。對于混合團聚體，高嶺石含量高的兩個組合（20％蒙脫石+80％高嶺石和50％蒙脫石+50％高嶺石）團聚體發(fā)生爆裂式破碎的臨界表面電位顯著高于高嶺石含量較低的兩個組合的情況（80％蒙脫石+20％高嶺石和100％蒙脫石）;前者大約在210～220mV時發(fā)生爆裂式破碎，后者大約在160～170mV時發(fā)生爆裂

6、式破碎。同時，在高表面電位條件下，高嶺石含量較高（80％和50％高嶺石含量）的團聚體破壞后釋放的小顆粒量顯著地高于高嶺石含量較低（0％和20％高嶺石含量）的團聚體的釋放量;而在低表面電位下，上述情況幾乎正好相反，即蒙脫石含量高的團聚體破壞后釋放的小碎片量明顯較高。所以可以得到結論:高表面電位條件下，小顆粒的釋放量由電場強度和水分入滲速度共同決定;低表面電位條件下，顆粒的釋放量由團聚體內(nèi)的小顆粒含量決定。
　　 (3)混合礦物團聚

7、體的穩(wěn)定性研究還得到一個重要結論:最不穩(wěn)定的土壤團聚體并不是粘粒（蒙脫石）含量最高的團聚體，而是含有一定量粘粒且以砂粒為主的粉質(zhì)土壤。因為這種土壤發(fā)生爆裂式分散所需的表面電位值較高，因此在強降雨條件下粉質(zhì)土壤是最容易發(fā)生侵蝕的土壤。而我國黃土高原地區(qū)的粉質(zhì)土正好符合這個條件，在長期干旱氣候下的強降雨區(qū)是土壤侵蝕發(fā)生最嚴重的區(qū)域。
　　 (4)團聚體的穩(wěn)定性也存在特殊離子效應，且特殊離子效應產(chǎn)生的本質(zhì)原因可能是表面電場與量子振蕩耦

8、合作用的結果。在陰離子固定的條件下，鈉飽和團聚體的穩(wěn)定性顯著弱于鉀飽和團聚體，且這種差異隨著表面電位值的升高（電解質(zhì)溶液的降低）而增強。鈉離子和鉀離子的極化率不同，前者小于后者;鉀離子的電子云更柔軟，在強電場條件下容易發(fā)生變形，在粘粒表面出現(xiàn)的概率大于鈉離子，因此對表面負電場的屏蔽效應強。在相同的電解質(zhì)濃度條件下，雙電層中鉀離子的相互作用能約為鈉離子的1.6倍?？紤]顆粒表面電場和量子振蕩的耦合作用之后，必須引入有效電荷系數(shù)對離子的化合價