土壤電場對團聚體破裂及土壤侵蝕的影響.pdf

1、土壤侵蝕是世界范圍的環(huán)境問題,我國是土壤侵蝕發(fā)生最嚴重的國家之一。土壤侵蝕引起的危害十分嚴重,給生態(tài)環(huán)境安全帶來了多方面的嚴重威脅。不但直接破壞土壤,引起地力下降,而且由土壤侵蝕引起的土壤碳和氮的釋放和轉(zhuǎn)化能夠促進全球變暖和臭氧空洞。土壤侵蝕還是水體富營養(yǎng)化的重要原因。
　　 土壤團聚體破裂是土壤侵蝕發(fā)生的第一步,也是關鍵的一步。探索土壤侵蝕發(fā)生原因以及提出相應的防治措施,都必須首先弄清楚土壤團聚體在降雨過程中的破碎機制及過程。

2、目前,對土壤團聚體破裂機制的研究主要集中于雨滴打擊作用、團聚體不均勻膨脹、閉蓄空氣擠壓和物/化分散等土壤團聚體內(nèi)、外部作用。雖然這些作用都能夠從各自的角度部分地解釋說明土壤團聚體破裂機制,并且相關的實驗也表明這些因素的確對降雨侵蝕的發(fā)生和強度存在較明顯的影響,但是都還存在一些不能自圓其說的局限,在某些條件下對土壤團聚體破裂原因的解釋也不甚理想。最近,李航等人建立了介觀尺度下土壤膠體顆粒相互作用新理論,該理論為揭示土壤團聚體破裂機制研究提

3、供了新的思路。
　　 本文以紫色土為研究對象,理論計算了紫色土顆粒之間的相互作用,并通過團聚體分散和模擬降雨等實驗,研究了不同土壤電場強度作用下的團聚體破裂程度和土壤侵蝕強度。結(jié)果表明:
　　 (1)土壤顆粒攜帶有大量的負電荷,這些電荷在顆粒表面附近數(shù)納米空間尺度內(nèi)形成了巨大的土壤電場,其電場強度可達109～107V·m-1。土壤電場強度受土壤本體電解質(zhì)濃度和類型的強烈影響。土壤電場在相鄰土壤顆粒間將產(chǎn)生兩種斥力:靜電斥

4、力和水合斥力。靜電斥力的力程較長,可達100nm左右,但力相對較小;水合斥力的力程較短,在距表面1.5nm左右就趨于0,但在1nm范圍內(nèi),水合斥力可達上萬個大氣壓,克服顆粒間長程范德華吸引力,避免顆粒陷入無窮深勢阱,并和靜電斥力一起,推動顆粒相互遠離,導致土壤團聚體破裂,進而引發(fā)土壤侵蝕。
　　 (2)水合斥力決定土壤團聚體是否膨脹,而靜電斥力決定土壤團聚體的破裂強度。在土壤團聚體被水潤濕的條件下,無論土壤本體電解質(zhì)條件如何,土

5、壤顆粒間將產(chǎn)生巨大的且大小相當?shù)乃铣饬?因此只要在被水潤濕的條件下,土壤團聚體就會發(fā)生膨脹。此后,如果土壤電場較高,則在靜電斥力的進一步推動下,使團聚體發(fā)生猛烈的分散;但如果電場強度較低,則顆粒受到凈吸引力的作用而使分散受阻,導致團聚體只發(fā)生緩慢膨脹。
　　 (3)土壤電場強度決定了土壤團聚體的破裂程度。根據(jù)土壤電場效應,可將土壤電場強度由高到低分為三部分。其一,在表面電位大于200mV的高電場下,土壤團聚體發(fā)生猛烈的爆裂,釋

6、放出大量微團聚體和土壤單粒,但釋放的小顆粒數(shù)量在該電位范圍內(nèi)變化不大,表現(xiàn)出較穩(wěn)定的團聚體爆裂強度。其二,在表面電位降至200～100mV時,土壤團聚體仍然發(fā)生不同程度的破裂并有小顆粒的釋放,但釋放量隨電場降低而迅速減少,說明團聚體穩(wěn)定性對這一電位區(qū)間十分敏感,表明該電位區(qū)間是控制土壤團聚體破裂的關鍵區(qū)。其三,在表面電位小于100mV時,土壤團聚體只有極少量的小顆粒釋放,說明團聚體幾乎沒有發(fā)生破裂,而只是發(fā)生了部分膨脹。
　　

7、(4)模擬降雨實驗表明,土壤電場對降雨侵蝕有強烈的影響。高電場條件(＞200mV)下,侵蝕強度非常大,侵蝕引發(fā)的土壤累積流失曲線幾乎呈線性增長。但隨土壤電場強度降低(200～100mV),土壤流失量也逐漸降低,累積流失曲線逐漸趨于平緩。如果土壤電場強度繼續(xù)降低(＜100mV),土壤侵蝕將幾乎停止,使土壤流失量趨于0。不同土壤電場條件下,土壤侵蝕強度、團聚體破裂強度、土壤顆粒間凈相互作用力的變化一致,說明土壤電場對土壤團聚體破裂及土壤侵蝕

8、存在客觀的影響。在實驗排出了雨滴打擊等影響因素時,證明了土壤電場是導致土壤團聚體破裂,進而引發(fā)土壤侵蝕的根本原因。
　　 (5)適宜濃度的PAM能夠有效提高土壤團聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。該能力源于PAM分子能夠克服土壤團聚體顆粒之間的靜電斥力,而非水合斥力。這將使得在高土壤電場強度下,強靜電斥力受PAM抑制,而使土壤團聚體不能以爆裂的方式分散,從而導致流失量大幅降低。但PAM不能阻止團聚體因水合斥力作用而引起的膨脹,以及進而引發(fā)