土壤電場對團(tuán)聚體破裂及土壤侵蝕的影響.pdf

1、土壤侵蝕是世界范圍的環(huán)境問題,我國是土壤侵蝕發(fā)生最嚴(yán)重的國家之一。土壤侵蝕引起的危害十分嚴(yán)重,給生態(tài)環(huán)境安全帶來了多方面的嚴(yán)重威脅。不但直接破壞土壤,引起地力下降,而且由土壤侵蝕引起的土壤碳和氮的釋放和轉(zhuǎn)化能夠促進(jìn)全球變暖和臭氧空洞。土壤侵蝕還是水體富營養(yǎng)化的重要原因。
　　 土壤團(tuán)聚體破裂是土壤侵蝕發(fā)生的第一步,也是關(guān)鍵的一步。探索土壤侵蝕發(fā)生原因以及提出相應(yīng)的防治措施,都必須首先弄清楚土壤團(tuán)聚體在降雨過程中的破碎機(jī)制及過程。

2、目前,對土壤團(tuán)聚體破裂機(jī)制的研究主要集中于雨滴打擊作用、團(tuán)聚體不均勻膨脹、閉蓄空氣擠壓和物/化分散等土壤團(tuán)聚體內(nèi)、外部作用。雖然這些作用都能夠從各自的角度部分地解釋說明土壤團(tuán)聚體破裂機(jī)制,并且相關(guān)的實驗也表明這些因素的確對降雨侵蝕的發(fā)生和強(qiáng)度存在較明顯的影響,但是都還存在一些不能自圓其說的局限,在某些條件下對土壤團(tuán)聚體破裂原因的解釋也不甚理想。最近,李航等人建立了介觀尺度下土壤膠體顆粒相互作用新理論,該理論為揭示土壤團(tuán)聚體破裂機(jī)制研究提

3、供了新的思路。
　　 本文以紫色土為研究對象,理論計算了紫色土顆粒之間的相互作用,并通過團(tuán)聚體分散和模擬降雨等實驗,研究了不同土壤電場強(qiáng)度作用下的團(tuán)聚體破裂程度和土壤侵蝕強(qiáng)度。結(jié)果表明:
　　 (1)土壤顆粒攜帶有大量的負(fù)電荷,這些電荷在顆粒表面附近數(shù)納米空間尺度內(nèi)形成了巨大的土壤電場,其電場強(qiáng)度可達(dá)109～107V·m-1。土壤電場強(qiáng)度受土壤本體電解質(zhì)濃度和類型的強(qiáng)烈影響。土壤電場在相鄰?fù)寥李w粒間將產(chǎn)生兩種斥力:靜電斥

4、力和水合斥力。靜電斥力的力程較長,可達(dá)100nm左右,但力相對較小;水合斥力的力程較短,在距表面1.5nm左右就趨于0,但在1nm范圍內(nèi),水合斥力可達(dá)上萬個大氣壓,克服顆粒間長程范德華吸引力,避免顆粒陷入無窮深勢阱,并和靜電斥力一起,推動顆粒相互遠(yuǎn)離,導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破裂,進(jìn)而引發(fā)土壤侵蝕。
　　 (2)水合斥力決定土壤團(tuán)聚體是否膨脹,而靜電斥力決定土壤團(tuán)聚體的破裂強(qiáng)度。在土壤團(tuán)聚體被水潤濕的條件下,無論土壤本體電解質(zhì)條件如何,土

5、壤顆粒間將產(chǎn)生巨大的且大小相當(dāng)?shù)乃铣饬?因此只要在被水潤濕的條件下,土壤團(tuán)聚體就會發(fā)生膨脹。此后,如果土壤電場較高,則在靜電斥力的進(jìn)一步推動下,使團(tuán)聚體發(fā)生猛烈的分散;但如果電場強(qiáng)度較低,則顆粒受到凈吸引力的作用而使分散受阻,導(dǎo)致團(tuán)聚體只發(fā)生緩慢膨脹。
　　 (3)土壤電場強(qiáng)度決定了土壤團(tuán)聚體的破裂程度。根據(jù)土壤電場效應(yīng),可將土壤電場強(qiáng)度由高到低分為三部分。其一,在表面電位大于200mV的高電場下,土壤團(tuán)聚體發(fā)生猛烈的爆裂,釋

6、放出大量微團(tuán)聚體和土壤單粒,但釋放的小顆粒數(shù)量在該電位范圍內(nèi)變化不大,表現(xiàn)出較穩(wěn)定的團(tuán)聚體爆裂強(qiáng)度。其二,在表面電位降至200～100mV時,土壤團(tuán)聚體仍然發(fā)生不同程度的破裂并有小顆粒的釋放,但釋放量隨電場降低而迅速減少,說明團(tuán)聚體穩(wěn)定性對這一電位區(qū)間十分敏感,表明該電位區(qū)間是控制土壤團(tuán)聚體破裂的關(guān)鍵區(qū)。其三,在表面電位小于100mV時,土壤團(tuán)聚體只有極少量的小顆粒釋放,說明團(tuán)聚體幾乎沒有發(fā)生破裂,而只是發(fā)生了部分膨脹。
　　

7、(4)模擬降雨實驗表明,土壤電場對降雨侵蝕有強(qiáng)烈的影響。高電場條件(＞200mV)下,侵蝕強(qiáng)度非常大,侵蝕引發(fā)的土壤累積流失曲線幾乎呈線性增長。但隨土壤電場強(qiáng)度降低(200～100mV),土壤流失量也逐漸降低,累積流失曲線逐漸趨于平緩。如果土壤電場強(qiáng)度繼續(xù)降低(＜100mV),土壤侵蝕將幾乎停止,使土壤流失量趨于0。不同土壤電場條件下,土壤侵蝕強(qiáng)度、團(tuán)聚體破裂強(qiáng)度、土壤顆粒間凈相互作用力的變化一致,說明土壤電場對土壤團(tuán)聚體破裂及土壤侵蝕

8、存在客觀的影響。在實驗排出了雨滴打擊等影響因素時,證明了土壤電場是導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破裂,進(jìn)而引發(fā)土壤侵蝕的根本原因。
　　 (5)適宜濃度的PAM能夠有效提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。該能力源于PAM分子能夠克服土壤團(tuán)聚體顆粒之間的靜電斥力,而非水合斥力。這將使得在高土壤電場強(qiáng)度下,強(qiáng)靜電斥力受PAM抑制,而使土壤團(tuán)聚體不能以爆裂的方式分散,從而導(dǎo)致流失量大幅降低。但PAM不能阻止團(tuán)聚體因水合斥力作用而引起的膨脹,以及進(jìn)而引發(fā)