电场及“电场-腐殖质”耦合作用下的土壤水分运动

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土壤水分运动与农业生产、环境保护等诸多方面密切相关,因而土壤水分运动一直是学术界研究的热点问题。自Darcy定律提出至今,虽然国内外学者已经建立了众多土壤水分入渗模型,并试图实现对土壤水分运动的准确描述,但人们很快发现,由于土壤本身和土壤水分运动的复杂性,很难找到一个普遍适用的数学模型实现对土壤水分运动的准确描述。于是,人们开始着眼于水分入渗过程中土壤内部机理研究,试图从影响土壤水分运动的因素和机制入手探究土壤水分运动的规律。近期研究发现,土壤电场在土壤水分运动过程中起着十分重要的作用。土壤电场越强,土壤胶体颗粒之间的排斥力越大,土壤团聚体稳定性及土壤孔隙隙稳定性越差,水分运动也就越慢,反之则相反。众所周知,土壤腐殖质能够提高土壤团聚体和土壤孔隙的稳定性,从而可以促进土壤水入渗。但从胶体化学的角度,一方面,腐殖质也是一种胶体颗粒,表面带有大量的负电荷,因此提高土壤中腐殖质含量必定增强土壤的电场,从而降低土壤团聚体和土壤孔隙稳定性,进而降低水分运动速度;另一方面,腐殖质作为大分子有机物质,它又可以提高土壤颗粒间的长程分子引力而提升土壤团聚体和土壤孔隙稳定性,进而促进水分运动。这表明,在土壤水分运动过程中,土壤电场与土壤腐殖质间存在复杂的耦合作用。但目前这方面的研究还较少涉及。基于此,本研究将着眼于土壤电场作用下水分运动过程中电场和腐殖质间的耦合作用,阐明其耦合作用的效应、强度和影响土壤水运动的机理。本研究以不同浓度的NaCl、KCl、CaCl2电解质溶液来调节电场,以不同HA(腐殖质)含量的紫色土样品为试验材料,利用室内一维垂直土柱入渗试验,测定不同电场强度和不同HA含量时的土壤水入渗速率,研究发现:(1)1:1型电解质(NaCl、KCl)体系下的水分入渗速率随着随着电解质浓度的升高而单调增大,随着电解质浓度从10-5mol L-1增大到1mol L-1,KCl、NaCl电解质体系下的水分入渗速率分别增大了约2倍和21倍;并且,当电解质浓度相同时,水分入渗速率与电解质种类有关,表现为:KCl>NaCl,KCl体系下的水分入渗速率是NaCl电解质体系下水分入渗速率的约1.2-12.2倍。(2)2:1电解质(CaCl2)体系下的水分入渗速率以10-22 mol L-1为临界点,当电解质浓度低于10-2 mol L-1时,水分入渗速率随电解质浓度的提高而增大,电解质浓度为10-2 mol L-1时的平均入渗速率分别比电解质浓度10-5 mol L-1和10-3mol L-1时的平均入渗速率增大了56%、17%。当电解质浓度高于10-2 mol L-1时,水分入渗速率随电解质浓度提高而减小,10-2 mol L-1时的平均入渗速率分别比电解质浓度10-1 mol L-1和1 mol L-1时的平均入渗速率增大了8%、39%。(3)当电解质浓度相同时,对于NaCl电解质体系,1%HA时入渗速率最大,其次是0%HA或5%HA,而2.5%HA时入渗速率最小;对于KCl电解质体系,0%HA入渗速率最大,其次是2.5%,最小的是1%HA或5%HA。根据上述结果,可以得出以下结论:(1)1:1型电解质和2:1型电解质存在时,电场在水分运动过程中扮演着不同的角色。1:1型电解质存在时,紫色土中的水分入渗是由土壤电场决定。土壤电场越强,土壤颗粒之间的静电斥力越强,土壤团聚体稳定性越低,土壤孔隙结构越差,导致水分入渗越慢。由于K+比Na+屏蔽土壤电场的能力更强,土壤颗粒之间的相互作用力更小,因此K+体系下水分入渗更快。2:1型电解质体系下紫色土中的水分入渗存在临界浓度;对于CaCl2,临界浓度是10-22 mol L-1;并且,10-22 mol L-11 CaCl2也是相对总水势(基质势和渗透之和)的临界浓度。当电解质浓度较低时,如CaCl2浓度小于10-22 mol L-1时,基于静电场的基质势支配了土壤水运动;当电解质浓度较高时,如CaCl2浓度高于10-22 mol L-1时,此时静电场被Ca2+充分屏蔽,渗透势支配了土壤水运动。(2)“土壤电场-腐殖质”在紫色土中的水分入渗过程中存在强烈的耦合作用。由于耦合作用的存在,使NaCl电解质体系下的水分入渗速率表现为1%HA>0%HA或5%HA>2.5%HA;KCl电解质体系下的水分入渗速率则表现为0%HA>2.5%HA>1%HA或5%HA;这可能与HA增大了土壤电场,以及HA的胶结性和斥水性有关。另外,“土壤电场-腐殖质”的耦合作用强度与电场大小及HA含量都有关,并且存在明显的离子特异性效应;即,当电场大小及HA含量相同时,耦合作用强度与电解质种类有关,均表现为KCl>>NaCl。
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