土壤電場作用下水分運(yùn)動(dòng)的特殊離子效應(yīng).pdf

1、土壤水分在土體中的遷移影響和控制著土壤養(yǎng)分、重金屬離子、農(nóng)藥等污染物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響水土流失、農(nóng)業(yè)面源污染等生態(tài)環(huán)境問題的發(fā)生，所以近年來引起了農(nóng)業(yè)、環(huán)境等各領(lǐng)域的廣泛興趣。雖然人們建立了大量的水力學(xué)模型，然而迄今為止，幾乎沒有一個(gè)模型能夠精確預(yù)測這一薄薄的土壤表層中水分的運(yùn)動(dòng)狀況。這表明土壤水分運(yùn)動(dòng)問題是非常復(fù)雜的。當(dāng)前的土壤水分運(yùn)動(dòng)研究至少還存在著以下兩方面的問題:首先，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是影響水分運(yùn)動(dòng)的重要因素，而土壤水分運(yùn)動(dòng)

2、方程所建立的一個(gè)基本假設(shè)則是土壤團(tuán)聚體為剛性團(tuán)聚體或是土壤固相骨架并不發(fā)生改變。所以，過于簡化的模型可能難以反映土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚或分散過程對(duì)水分運(yùn)動(dòng)所帶來的復(fù)雜影響。其次，人們普遍地未將宏觀的土壤水分遷移過程與其微觀或介觀過程相聯(lián)系。目前的研究表明，土壤電場是影響介觀尺度效應(yīng)的重要控制因素。其中的一個(gè)重要方面是，土壤電場可能影響和控制著土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，并且使土壤團(tuán)聚體的破壞表現(xiàn)出特殊離子效應(yīng)。所以，介觀尺度的土壤電場可能會(huì)影響宏觀的

3、土壤水分運(yùn)動(dòng)，并使水分運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出介觀尺度常有的特殊離子效應(yīng)。然而，目前人們對(duì)土壤電場及其特殊離子效應(yīng)在土壤水分運(yùn)動(dòng)中的作用還不清楚。所以，本研究試圖揭示和明確土壤電場對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的影響，同時(shí)揭示土壤水分遷移過程中存在強(qiáng)烈的特殊離子效應(yīng)。
　　 首先，本研究采用物質(zhì)表面參數(shù)聯(lián)合測定法測定了三種供試土壤——紅壤、黃壤和紫色土的表面電荷性質(zhì);其次，采用有機(jī)玻璃土柱垂直入滲實(shí)驗(yàn)，研究了不同濃度（10-5、10-3、10-2、10-1和1m

4、ol/L）的NaNO3溶液在過1mm篩的Na飽和恒電荷紫色土土柱中的水分入滲速率，以分析和研究土壤電場對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的影響;最后，同樣采用垂直土柱入滲實(shí)驗(yàn)，分別研究了上述五個(gè)濃度的LiNO3和KNO3溶液在Li飽和紫色土土柱和K飽和紫色土土柱中的水分入滲速率，并同時(shí)比較了Li、Na和K體系的水分入滲速率的差異，以分析和研究土壤電場在水分運(yùn)動(dòng)的特殊離子效應(yīng)中的影響。研究結(jié)果表明:
　　 (1)采用物質(zhì)表面參數(shù)聯(lián)合測定法，測定了紅壤、黃

5、壤和紫色土等土壤的表面電位、表面電場強(qiáng)度等表面電荷性質(zhì)。紅壤、黃壤和紫色土的表面電位分別約為-100mV、-120mV和-126mV;表面電場強(qiáng)度分別約為-2.13×108V/m、-4.44×108V/m和-3.41×108V/m。
　　 (2)采用垂直土柱入滲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在150分鐘內(nèi)，隨著NaNO3溶液的濃度由10-5mol/L增大至1mol/L，水分入滲速率增大了約5倍，入滲深度也由約2cm增大至約11cm。土壤水分入滲速率

6、隨土壤電場強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小。在不同的電場強(qiáng)度或表面電位的條件下，NaNO3溶液的水分入滲速率(Ⅰ)具有如下的順序:Ⅰ(-97mV)＞Ⅰ(-150mV)＞Ⅰ(-206mV)＞Ⅰ(-264mV)≈Ⅰ(-382mV)。這揭示土壤電場是控制水分運(yùn)動(dòng)的決定因素。土壤電場可能通過如下兩個(gè)途徑來影響水分運(yùn)動(dòng):(i)電場越強(qiáng)，水的基質(zhì)勢越低，土壤水的不飽和運(yùn)動(dòng)速度越慢;(ii)電場引發(fā)土壤團(tuán)聚體破壞，從而改變了土壤孔隙狀況并減少了土壤大孔隙的數(shù)量，進(jìn)而

7、導(dǎo)致土壤飽和水運(yùn)動(dòng)速度降低。
　　 (3)采用垂直土柱入滲實(shí)驗(yàn)，研究和比較了Li/Na/K體系的土壤水分入滲速率。發(fā)現(xiàn)，K、Na和Li體系的水分入滲速率之間的差異隨著土壤電場強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大。在高電場強(qiáng)度條件下（電解質(zhì)濃度為10-5mol/L），K體系的水分入滲速率為Na體系的3倍;在低電場強(qiáng)度條件下（電解質(zhì)濃度為0.1mol/L），K、Na體系的水分入滲速率分別約為Li體系的20倍和13倍。相同土壤電場強(qiáng)度條件下，不同體系的水