土壤電場(chǎng)對(duì)粘土礦物團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響.pdf

1、團(tuán)聚體是土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的基本單元。團(tuán)聚體是土壤單粒經(jīng)多級(jí)聚合作用形成的，主要過(guò)程包括粘團(tuán)的形成和物質(zhì)的聯(lián)結(jié)。土壤單粒之間首先通過(guò)離子鍵、共價(jià)鍵和氫鍵的作用形成粘團(tuán)，粘團(tuán)之間通過(guò)高價(jià)陽(yáng)離子、有機(jī)大分子和生物菌絲等聯(lián)結(jié)起來(lái)形成團(tuán)聚體。團(tuán)聚體的穩(wěn)定性受到土壤有機(jī)質(zhì)含量、粘土礦物組成和可交換性鈉百分含量等多個(gè)土壤性質(zhì)的影響。土壤膠體體系的性質(zhì)決定了土壤團(tuán)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(lái)調(diào)節(jié)顆粒表面電場(chǎng)，研究了不同電場(chǎng)強(qiáng)度下蒙脫石和高嶺石兩種粘土礦物及其它們的混合團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。本研究發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)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(chǎng)才是造成團(tuán)聚體分散的靜電斥力和水合斥力的根本來(lái)源。團(tuán)聚體經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程釋放出單粒和微團(tuán)聚體，進(jìn)而在雨滴打擊的擾動(dòng)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(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，對(duì)于粘土礦物團(tuán)聚體穩(wěn)定性的特殊離子效應(yīng)進(jìn)行初步探索。
　　 本文的研究結(jié)果可以總結(jié)如下。
　　 (1)粘土礦物團(tuán)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(chǎng)是導(dǎo)致礦物團(tuán)聚體破壞的根本原因，電場(chǎng)的強(qiáng)弱決定了礦物團(tuán)聚體的分散方式:在高表面電位條件下，團(tuán)聚體以爆裂的方式發(fā)生分散;在低表面電位條件下，團(tuán)聚體以消散或者

4、膨脹的方式分散。對(duì)于蒙脫石團(tuán)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(lái)自于粘粒表面電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)弱決定了斥力勢(shì)能的高低。水合斥力在相鄰粘土顆粒距離很近時(shí)，可以產(chǎn)生上萬(wàn)個(gè)大氣壓，對(duì)于團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞起到了關(guān)鍵作用，而靜電斥力的高低決定了團(tuán)聚體以何種方式分散。
　　 (2)顆粒表面電場(chǎng)和粘土礦物組成對(duì)于團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的破壞

5、過(guò)程有強(qiáng)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(tuán)聚體穩(wěn)定性與單一礦物團(tuán)聚體有明顯不同。蒙脫石團(tuán)聚體的穩(wěn)定性明顯弱于高嶺石。對(duì)于混合團(tuán)聚體，高嶺石含量高的兩個(gè)組合（20％蒙脫石+80％高嶺石和50％蒙脫石+50％高嶺石）團(tuán)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(gè)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(shí)發(fā)生爆裂式破碎，后者大約在160～170mV時(shí)發(fā)生爆裂

6、式破碎。同時(shí)，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(tuán)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(tuán)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(tuán)聚體破壞后釋放的小碎片量明顯較高。所以可以得到結(jié)論:高表面電位條件下，小顆粒的釋放量由電場(chǎng)強(qiáng)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(tuán)聚體內(nèi)的小顆粒含量決定。
　　 (3)混合礦物團(tuán)聚

7、體的穩(wěn)定性研究還得到一個(gè)重要結(jié)論:最不穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體并不是粘粒（蒙脫石）含量最高的團(tuán)聚體，而是含有一定量粘粒且以砂粒為主的粉質(zhì)土壤。因?yàn)檫@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(qiáng)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(guó)黃土高原地區(qū)的粉質(zhì)土正好符合這個(gè)條件，在長(zhǎng)期干旱氣候下的強(qiáng)降雨區(qū)是土壤侵蝕發(fā)生最嚴(yán)重的區(qū)域。
　　 (4)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性也存在特殊離子效應(yīng)，且特殊離子效應(yīng)產(chǎn)生的本質(zhì)原因可能是表面電場(chǎng)與量子振蕩耦

8、合作用的結(jié)果。在陰離子固定的條件下，鈉飽和團(tuán)聚體的穩(wěn)定性顯著弱于鉀飽和團(tuán)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(qiáng)。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(qiáng)電場(chǎng)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(duì)表面負(fù)電場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)強(qiáng)。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(chǎng)和量子振蕩的耦合作用之后，必須引入有效電荷系數(shù)對(duì)離子的化合價(jià)