【摘 要】
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三峡库区是我国重要的淡水资源库和长江中下游水环境安全的屏障,紫色土是三峡库区最具代表性土壤之一。近年来,三峡库区蓄水后部分支流和库湾中水体的氮(N)和磷(P)浓度显著升高,N、P与土壤胶体颗粒相互作用将控制着紫色土胶体颗粒的凝聚过程,对三峡库区水土保持起重要影响。溶解性有机质(dissolved organic matter,简称DOM)作为土壤有机质最活跃部分,在环境污染物的迁移转化以及碳循环等
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三峡库区是我国重要的淡水资源库和长江中下游水环境安全的屏障,紫色土是三峡库区最具代表性土壤之一。近年来,三峡库区蓄水后部分支流和库湾中水体的氮(N)和磷(P)浓度显著升高,N、P与土壤胶体颗粒相互作用将控制着紫色土胶体颗粒的凝聚过程,对三峡库区水土保持起重要影响。溶解性有机质(dissolved organic matter,简称DOM)作为土壤有机质最活跃部分,在环境污染物的迁移转化以及碳循环等过程中具有重要作用。进入水体中的N、P及DOM势必与土壤胶体颗粒相互接触,发生一系列土——水界面过程,将影响着土壤胶体颗粒凝聚/分散等过程,进而影响库区水体生态环境安全。然而,从N、P及DOM与土壤胶体颗粒间相互作用微观视角出发,针对N、P及DOM对三峡库区紫色土胶体颗粒凝聚过程的影响机制等方面研究鲜有报道。因此,本研究以三峡库区三种典型紫色土胶体颗粒为研究对象,采用光散射技术、zeta电位仪和联合测定法探究不同浓度N、P及DOM对土壤胶体颗粒凝聚和表面电荷性质的影响,理论计算不同浓度N、P及DOM影响下土壤胶体颗粒间相互作用力及活化能的变化规律,进一步阐明不同浓度N、P及DOM对三种紫色土胶体颗粒凝聚与微观作用力变化的内在机制,为三峡库区水土生态环境安全提供基础数据和理论支撑。得到以下结果:(1)随着N、P及DOM浓度的升高,三种紫色土胶体颗粒从慢速凝聚(线性增长)转化为快速凝聚(幂函数增长)。在N、P体系中,三种紫色土总体平均凝聚速率(TAA)存在明显差异,中性、石灰性、酸性紫色土临界聚沉浓度(CCC)分别是220.14、117.49、47.20 mmol·L-1和507.49、437.15、328.30 mmol·L-1,三种紫色土胶体颗粒凝聚影响均表现为N大于P。在DOM体系中,中性、石灰性、酸性紫色土临界聚沉浓度(CCC)分别为4.74、2.72、1.77 mg·L-1。(2)在N、P体系中,三种紫色土表面电位分别从-172.85 m V降至-70.28 m V、-187.65 m V降至-81.98 m V。随着水体中N、P浓度的升高,三种紫色土胶体表面电荷密度降低,表面电位(绝对值)值减小,在相同浓度下,三种紫色土胶体表面电位(绝对值)表现为P大于N。随着DOM浓度的升高,中性、石灰性、酸性紫色土胶体zeta电位分别从-20.08、-18.89、-16.44 m V降至-10.60、-6.86、-5.62 m V。三种紫色土胶体zeta电位(绝对值)减小,颗粒间静电排斥势能降低,同时,三种紫色土胶体zeta电位随浓度变化存在一个临界值,分别为5.0、2.5、1.7 mg·L-1,与CCC值基本一致。在相同浓度下,中性紫色土胶体zeta电位(绝对值)最大,其次是石灰性紫色土,酸性紫色土最小。(3)三种紫色土胶体颗粒间相互作用活化能均随N、P浓度的增加而不断降低,在相同浓度条件下,N体系中颗粒间活化能显著低于P体系。随着DOM浓度的升高,三种紫色土胶体颗粒间相互作用活化能均不断降低,特别是在较低浓度范围内,活化能下降更加显著,在相同浓度条件下表现为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。(4)理论计算表明水体中N、P改变了土壤表面电荷性质,增大了胶体颗粒间净引力,使得净作用力表现为吸引,胶体颗粒更易发生凝聚。当N、P浓度分别升至0.2、0.1、0.05 mol·L-1,0.5、0.4、0.3 mol·L-1时,三种紫色土颗粒间净作用力为负值,表现为吸引,相应浓度下的表面电位均为-125 m V左右,与其CCC值、活化能基本一致。本研究表明N、P及DOM通过改变紫色土颗粒表面电荷性质,进而引起胶体颗粒间相互作用力和活化能发生改变,最终影响土壤胶体的凝聚过程。研究结果可为三峡库区水土保持、生态环境安全提供理论数据支撑。
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