黄壤不同尺度颗粒的电导效应研究

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近半个世纪以来,在土壤表面的电化学性质和过程方面,土壤的动电性质、电导和表面电场力作用下的离子扩散与吸附等研究得到了较广泛的重视。电导在土壤研究中有着非常广泛的应用,能测定土壤含盐量、电阻率,还能辅助测定土壤中离子扩散系数等等,它是反映土壤肥力状况的一个重要指标。近十年来,我国已经广泛运用盐分传感器、时域反射仪、电磁感应仪和交流四电极法定位测定土壤电导率。过去,有关土壤电导的研究方法大部分是针对盐渍土的含盐量及其相关内容的研究,而利用电导来探索非盐渍土的胶体表面化学性质的研究甚少。土壤胶体是土壤固相的电荷载体,在悬液条件下,当向体系施加外加电场时,土壤颗粒和其它带电离子将在外加电场的作用下发生迁移,从而表现出电导。由于土壤胶体颗粒表面带有大量电荷,这些电荷将从土壤溶液中吸附带相反电荷的离子而使体系在宏观上处于电中性;而且这些带相反电荷的离子以扩散状态分布于土壤胶体颗粒的周围。在这种情况下,土壤表面电荷、扩散层中的反离子和土壤本体溶液中的离子三者之间必定存在复杂的相互作用,而这种相互作用的结果将会对土壤电导产生影响。因此土壤电导研究可作为揭示土壤颗粒表面与离子之间的相互作用的一种有效工具。本文以含大量可变电荷的黄壤为研究材料,通过不同条件下该土壤不同尺度的黄壤颗粒的电导效应的研究,探讨土壤不同尺度的黄壤颗粒的表面电荷与离子间相互作用对可变电荷体系电导的影响。首先,采用沉降虹吸分离法从黄壤中提取小于0.5μm、0.5~1μm、1~2μm和小于2μm粒径的黄壤颗粒,制成H饱和样品。然后,将不同浓度的Mg(NO32分别加入相同粘粒浓度的不同粒径黄壤颗粒的悬液中,测定悬液和离心液体系的电导率和pH值,同时测定不同环境条件下样品的表面电荷总量,对不同条件下各粒径黄壤颗粒的悬液电导率、离心液电导率、胶体电导率和表面电荷总量的变化规律进行比较分析。最后,计算出不同尺度黄壤颗粒对土壤整体电导的贡献率。研究结果表明:(1)在相同电解质浓度条件下,随着加入的电解质的量的增加,黄壤颗粒的悬液电导率增加,离心液电导率也增加,且悬液电导率的增加率大于离心液电导率的增加率;而当加入的电解质浓度增加,黄壤颗粒的离心液体系的比例系数增加的速率却比悬液体系快。电解质浓度增加,黄壤颗粒表面可变负电荷的数量增加,胶粒电导率增加,它对悬液电导率的贡献是正贡献;另一方面,电解质浓度增加,扩散层被压缩,黄壤颗粒表面电荷数量增加,双电层中离子数量和浓度增加,离子活度降低,表面电导率将下降,因此它对悬液电导率是负贡献。然而,该研究表明,这两者对悬液电导率的净贡献却是正的贡献。(2)当pH变化不大时,黄壤悬液的电导率也变化不大;当pH降低得越快时,黄壤悬液的电导率就增加得越快。该结果表明,体系pH值的确是影响可变电荷土壤悬液电导率的关键因素。另外,决定可变电荷体系表面负电荷多少的关键并不是H+的活度的高低,而是表面静电吸附中H+与盐基阳离子的相对竞争力的强弱。即使pH低,如果H+在静电吸附中的相对竞争力没有提高(如:当盐基离子活度更高时),H+在表面发生专性吸附的概率同样不会提高。(3)研究表明,在相同电解质浓度条件下,悬液电导率、离心液电导率、胶体电导率和表面电荷数量的变化率的大小与土壤颗粒的粒径大小成反比。当加入的电解质浓度增加时,不同尺度黄壤颗粒的悬液电导率、离心液电导率和胶体电导率的变化率也增加;而黄壤颗粒表面电荷数量的变化率随着体系电解质浓度的增加先逐渐增大,后逐渐减小,最后变为零。黄壤颗粒表面电荷数量的变化率为零的可能原因是,随着电解质浓度增加,黄壤颗粒表面达到所能吸附的阳离子的最大量;这之后不管电解质浓度如何增加,胶粒电导率不再增加。(4)本研究表明小于2μm黄壤颗粒的表面电荷80%是集中在粒径小于0.5μm的部分。黄壤整体电导主要由小于0.5μm的颗粒在发挥效应,而0.5~1μm和1~2μm的黄壤颗粒的电导贡献率较小。
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