土壤电场与机械组成耦合作用下的土壤水入渗

发布时间：2020-03-28 09:16

【摘要】：土壤水运动由土壤水的自由能或土水势梯度所推动。在经典理论中,土壤水的运动速度通常用Darcy方程和Darcy Richards方程进行描述。然而,自由能是一个热力学概念,土壤中多种物理与化学因素往往通过十分复杂的途径来影响土壤水自由能或土水势的大小,进而影响土壤水的运动。虽然目前已有大量模型来描述土壤水的运动,但是所有这些因素如何影响了土壤水运动,其详细的物理机制仍然不清楚。因此阐明土壤中一些重要的物理与化学因素如何影响了土壤水自由能,在土壤水运动的定量描述中具有根本性的重要意义。土壤孔隙是土壤水运动的通道,土壤中的物质组成、土壤机械组成、颗粒表面电荷、土壤中的电解质组成、离子界面反应中的非经典极化等物理与化学因素决定了土壤中所有土粒间的相互作用,从而决定了土壤中的结构与孔隙状况。通常情况下,土壤颗粒间的长程分子力和静电作用力(与表面电荷与表面离子反应有关)是土壤颗粒相互作用的基本作用力,所以在土壤颗粒相互作用中,土壤表面电荷、表面吸附态离子和土壤机械组成是相互耦合的。因此,在本研究中,将不同表面电荷、不同离子界面反应和不同机械组成的两种土壤作为实验材料,研究了土壤电场和土壤机械组成的耦合如何影响了土壤水的入渗。取得以下研究结果:(1)在水分入渗过程中,阳离子非经典极化对土壤水分运动影响显著,它与土壤机械组成之间的确存在着强烈的耦合作用。阳离子的非经典极化作用通过对土壤中电场强度的影响而影响土壤水的运动。当电场较强时(取决于表面电荷,吸附态反离子的极化和电解质浓度)粒间的净相互作用力表现为排斥力,土壤团聚体破裂程度(它与“电场-机械组成”,土壤颗的耦合作用相关)决定了土壤水分入渗。在这种情况下,研究发现:(1)增加土壤颗粒间的吸引力(即降低排斥力)会加快土壤水分入渗;(2)粘粒含量更高或粉粒、砂砾含量更低的土壤,土壤水分入渗更慢。例如当净排斥力从2.66 atm降低到0.95 atm时,灰棕紫泥的水分入渗速率从45cm~3 m~2 min~(-1)增加到278 cm~3 m~2 min~(-1),红棕紫泥水分入渗速率从230 cm~3m~2 min~(-1)增加到305 cm~3 m~2 min~(-1),这也表明,在同样的静电斥力条件下,粘粒含量更高的灰棕紫泥比红棕紫泥水分入渗更慢。当土壤电场强度很弱时,土壤颗粒间净作用力表现为吸引力,此时土壤团聚体不会破裂,土壤团聚体的稳定性将单独决定土壤水分运移。在这种情况下,研究发现:(1)增加粒子间的吸引力不会加快土壤水分的入渗;(2)粘粒含量更高或粉粒、砂砾含量更低的土壤,土壤水分入渗更快。例如当净吸引力从3.52 atm增加到5.74 atm时,灰棕紫泥的水分入渗速率从403 cm~3 m~2 min~(-1)增加到406 cm~3 m~2 min~(-1),红棕紫泥水分入渗速率从333 cm~3 m~2min~(-1)增加到334 cm~3 m~2 min~(-1),表明净引力的增加并不会明显提高水分入渗速率;该结果也表明,当电场很弱时,在相同的颗粒间作用力条件下,粘粒含量更高的灰棕紫泥比红棕紫泥水分入渗更快。(2)即使土壤电场对阴离子的排斥作用降低了阴离子进入双电层中或与表面发生相互作用的可能,通过研究Cl~-和NO_3~-界面反应对恒电荷土壤团聚体稳定性的影响发现,Cl~-和NO3~-两种阴离子体系的土壤团聚体破裂强度和土壤水分入渗存在着差异,NO_3~-体系中团聚体破裂释放的10μm微团聚体量远低于Cl~-体系,这就说明了恒电荷土壤的水分入渗过程里面仍然存在着的阴离子特异性效应。进一步分析发现,Cl~-和NO_3~-体系的团聚体破裂强度和水分入渗之间的差异在低浓度范围内更加明显,随着离子浓度的升高,土壤团聚体稳定性逐渐增强,水分入渗速率逐渐增加,当离子浓度高于0.1 mol L~(-1)时,土壤团聚体基本趋于稳定,水分入渗速率接近最大值,基本达到稳定。基于上述结果,我们可以得到:(1)对于机械组成一致的土壤,土壤颗粒相互作用决定了土壤团聚体和土壤孔隙的稳定性,而土壤团聚体和土壤孔隙的稳定性决定了土壤水的入渗速度;而对于电场强度一致的土壤,土壤机械组成决定了土壤孔隙状况从而决定了土壤水入渗的速度。(2)当土壤电场强时,机械组成决定了水入渗通道的畅通程度;而土壤电场弱时,团聚体稳定性决定了土壤水入渗通道的畅通性。(3)由于土壤电荷、溶液电解质构成和离子界面反应共同决定了土壤电场的强度,所以在土壤水入渗中,“电场与机械组成的耦合”实际上是“土壤电荷、电解质构成和离子非经典极化与土壤机械组成的耦合”。
【图文】：

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揭示土壤水入渗和土壤水传输的内力驱动机制。.3 研究内容1）阳离子特殊离子效应对土壤水分入渗快慢的影响。理论计算土壤颗粒表面，包括表面电位和电场强度。在此基础上计算土壤颗粒间静电斥力及其净相用，进而分析土壤水分入渗过程中土壤团聚体的破裂机制。通过土柱实验测离子（Li+，Na+，K+）作用下的土壤水分入渗的快慢，利用离子非经典极化解子特异性效应下的土壤水分入渗变化规律。2）阴离子特殊离子效应对土壤水分入渗快慢的影响。通过土柱实验测定阳离Cl-，NO3-）作用下的土壤水分入渗的变化，主要通过研究土壤团聚体稳定性离子特异性效应，揭示土壤团聚体破裂的微观机制。技术路线

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图 4-2 灰棕紫泥和红棕紫泥入渗 150 分钟的土壤水垂直分布Fig. 4-2 Soil water vertical distribution in soil profile at an infiltration time of 150 minthe two soils图 4-2 显示，在表面电荷，吸附态反离子和土壤机械组成中，不同非经典极和本体浓度的吸附的反离子是影响两种土土壤水分入渗的重要因素。以灰棕紫为例：（1）在给定离子浓度为 1mol L-1时，，离子极化最强的 K+作为吸附的反离水分入渗的土壤分布深度为 0-15 cm。然而，对于极化强度为中度的 Na+和极化度最弱的 Li+，分布的深度明显降低为 9.7 和 4cm。（2）对于给定的反离子 K当 K+的本体溶液浓度从 1 降低到 10-5mol L-1，水分入渗的土壤分布深度从 15 降
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S152.7

【参考文献】