关键词：水分入渗;;土壤电场;;团聚体稳定性;;土壤机械组成
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
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