土壤团聚体稳定性的特殊离子效应初探

【摘要】土壤团聚体的稳定性直接或间接地影响土壤中热、水、气和养分的调节,水土流失和农田面源污染的发生等等。提高土壤团聚体的稳定性是提高土壤肥力、改善农业生态环境、控制农田面源污染和水体富营养化发生的关键环节之一。长期以来,学术界认为降水引发土壤团聚体的破坏主要原因是雨滴对团聚体的撞击作用力,而一直忽略土壤内部的各种作用力对团聚体稳定性的影响。土壤主要由纳米级到微米级的颗粒组成。介观尺度下,土壤颗粒间的相互作用主要受水合斥力、静电斥力和范德华引力的影响,其净合力决定了土壤胶体体系的凝聚和分散。Hofineister效应又称特殊离子效应,该效应对土壤中的静电场强度将产生重大影响,从而影响土壤颗粒间的静电相互租用,因此必对土壤团聚体的稳定和分散产生影响。但此效应一直没有引起土壤学界的足够重视。因此,本研究以恒电荷土壤-紫色土与可变电荷土壤-黄壤作为供试土壤,以团聚体破裂后释放出的<10μm、<5μm和<2μm的土粒(含微团聚体)数量来定量表征团聚体的稳定性,以土壤溶液中的离子构成差异来表征特殊离子效应,研究了特殊离子效应对土壤团聚体稳定性的影响。结果表明：(1)紫色土团聚体的稳定性存在很强的阳离子特殊离子效应。在各个电解质浓度下,钾团聚体要比钠团聚体稳定。比如,钠离子体系中团聚体破坏释放的小于10、5和2微米的土壤颗粒(含微团聚体)的数量分别是钾体系的释放量的4～5倍、5～11倍和5～8倍。因此,钠体系中土壤团聚体发生了猛烈的破裂过程,而钾体系的团聚体只发生了轻度的分散过程。实验还发现,钾/钠团聚体的稳定性差异随电解质浓度的降低而急剧增加,该结果否定了基于离子水合作用和色散力的Hofineister效应的理论解释。本研究指出,土壤团聚体稳定性的这种差异可能来自于土壤电场对离子核外电子的量子涨落的放大作用。当电解质浓度越低时,土壤电场越强,钾/钠离子间核外电子的量子涨落差异被此电场放大,最终导致低电解质浓度时钾/钠团聚体的稳定性的差异更大。虽然本文只研究了钾、钠两种离子的效应,但其结论表明“特殊离子效应”将普遍性地对土壤团聚体的稳定性产生重要影响。(2)黄壤团聚体的稳定性存在很强的阴离子特殊离子效应。钾肥中不同阴离子,特别是不同的磷酸根离子将使团聚体稳定性呈现很大差异,因此磷肥使用所带来的生态环境问题将是多重性的。研究发现,Cl-使黄壤团聚体具有良好的稳定性,而H2PO4-与HPO42-则使团聚体发生了剧烈的分散作用,团聚体破裂后释放出了大量的＜10μm、＜5μm、＜2μm土壤颗粒,而且HPO42-比H2PO4-更能显著地降低团聚体的稳定性。研究还发现,(1)不论是H2PO4-还是HPO42-,团聚体破裂后释放出来的＜10μm、＜5μm、＜2μm的颗粒百分含量都随着电解质浓度的增加而降低,而且在相同电解质浓度下HPO42-体系所释放出的各粒径土粒数量都显著高于H2PO4-体系;(2)与Cl-体系比较,H2PO4-与HPO42-都显著提高了土壤颗粒的Zeta电位,而相同电解质浓度下HPO42-体系中土粒的Zeta电位值远高于H2PO4-体系中的Zeta电位值,因此H2PO4-特别是HPO42-的专性吸附显著提高了土壤颗粒的表面负电荷密度。上述研究结果使我们得出如下重要结论：(1)肥料中的磷酸根离子可能显著地降低可变电荷土壤团聚体的稳定性；(2)土粒间的静电场是团聚体失去稳定性的根本原因；(3)H2PO4-特别是HPO42-的专性吸附将显著增强土壤电场,从而降低团聚体的稳定性。本研究还发现团聚体稳定性中两个重要的临界值：浓度临界值和Zeta电位临界值。10-3mol/L是电解质浓度的临界值,-30mV是Zeta电位的临界值。当电解质浓度低10-3mol/L或Zeta电位高于-30mV时,进一步降低电解质浓度或进一步升高zeta电位,团聚体稳定性急剧下降。
【作者】李越；
【导师】李航；
【作者基本信息】西南大学，环境工程，2014，硕士
【关键词】土壤团聚体；特殊离子效应；团聚体稳定性；

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