基于土壤颗粒间相互作用调控黑土水分入渗的研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zj2008263
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东北黑土区是我国重要的商品粮产地,对于保护我国粮食安全具有重要的意义。但随着我国人口数量的激增,为满足人民对粮食的需求,对黑土区进行了不合理的开发利用,忽略了对黑土地的养护,导致该地土壤结构遭到严重破坏,有机质含量显著下降,黑土层厚度变薄,土壤退化严重。团聚体作为土壤优良的结构体,其稳定性可以不仅可以代表土壤结构的良好程度,也是影响水分入渗的重要因素。研究表明,土壤颗粒间相互作用力,包括静电斥力、范德华引力和水合斥力,它们对团聚体稳定性具有重要影响。团聚体破碎后会释放大量的细小颗粒,堵塞土壤水分运移的通道,从而影响土壤水分入渗过程。然而,目前从土壤颗粒间相互作用的角度来探讨黑土水分入渗的研究还较少。为探明不同颗粒间相互作用力对典型东北黑土水分入渗过程的影响,本研究以两种东北黑土区域典型的黑土(宾县黑土和克山黑土)作为研究对象,采用物质表面性质联合测定法,测定两种区域黑土的表面电化学性质,并通过理论计算量化了不同离子体系和电解质浓度下土壤颗粒间相互作用力,明确了土壤颗粒间相互作用对黑土结构稳定性及水分入渗特性的影响,阐明了东北典型黑土水力学特性对土壤颗粒间相互作用的响应机理,为进一步科学高效调控该区土壤水分入渗特性提供一定的理论参考。研究所取得的主要结果如下:(1)量化了不同离子体系和电解质浓度下典型黑土表面电场及颗粒间相互作用力的大小及分布。用物质表面性质联合测定方法,获取了两种典型黑土的表面电化学性质,试验结果显示,宾县和克山黑土的阳离子交换量、比表面积分别为21.3、23.4cmol/kg,58.6、66.5m2/g。根据经典双电层理论分别计算了在KCl和Ca Cl2体系下两种黑土表面电场及颗粒间静电斥力、范德华引力和水合斥力的大小及分布,理论计算结果表明,随着本体溶液电解质浓度的降低,两种黑土表面电位(绝对值)、电场强度、静电斥力和净合力均增强,且变化趋势相似,均呈现先迅速增加而后逐渐保持稳定。随着土粒间距离的增加,土壤颗粒间相互作用力急剧衰减。在KCl体系中,以宾县黑土土粒间距离2nm为例,当电解质浓度由1mol/L降低到0.001mol/L时,静电斥力由0.87atm增加到18.67atm,净合力由-5.23atm(吸引力)增加到12.57atm。这些结果说明,在自然条件下,当雨水或灌溉水进入土壤后,由于土壤本体溶液电解质浓度降低,土粒间斥力作用将会急剧增强,进而土壤团聚体破碎强度增大,引发土壤结构破坏。(2)明确了土壤颗粒间相互作用对典型黑土水分入渗过程的影响。通过改变电解质浓度和离子类型来定量调控土壤颗粒间相互作用力,研究了不同内力作用下两种黑土团聚体稳定性及水分入渗特性的变化规律。试验结果表明,随着电解质浓度的减小,两种黑土团聚体破碎强度增大,团聚体稳定性降低;同时0.01mol/L是团聚体破碎的关键浓度。随电解质浓度的减小,在KCl体系中,以克山黑土累计入渗量为例,当电解质浓度由1mol/L降低到0.001mol/L时,累计入渗量由16.50g降到3.06g。这些结果说明,土壤内力作用增强使团聚体破碎强度增大,释放的细小颗粒堵塞水分运移的孔隙,从而使湿润锋运移速率、入渗速率和累计入渗量减小。在KCl体系中,水分平均入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率呈现先减小而后保持稳定的趋势。(3)揭示了土壤内力作用对土壤水分特征曲线及土壤收缩特性的响应机理。通过定量调控土壤颗粒间相互作用力,研究了不同内力作用下两种黑土导水性、持水性和干缩开裂的变化规律。结果显示,在不同黑土和离子体系下,随着电解质浓度的降低,土壤颗粒内部作用力增强,土壤饱和导水率减小,持水能力增强。在KCl体系中,以宾县黑土为例,当电解质浓度由0.1mol/L降低到0.0001mol/L时,饱和导水率由0.03mm/min降到0.01mm/min。在KCl体系中,土壤的收缩性随着电解质浓度的降低而增大;干缩开裂特性随着电解质浓度的降低整体呈现增大的趋势。在Ca Cl2体系中,收缩性随着电解质浓度的降低而减小;干缩开裂特性随着电解质浓度变化规律不明显。
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