【摘要】：土壤水運動由土壤水的自由能或土水勢梯度所推動。在經(jīng)典理論中,土壤水的運動速度通常用Darcy方程和Darcy Richards方程進行描述。然而,自由能是一個熱力學(xué)概念,土壤中多種物理與化學(xué)因素往往通過十分復(fù)雜的途徑來影響土壤水自由能或土水勢的大小,進而影響土壤水的運動。雖然目前已有大量模型來描述土壤水的運動,但是所有這些因素如何影響了土壤水運動,其詳細的物理機制仍然不清楚。因此闡明土壤中一些重要的物理與化學(xué)因素如何影響了土壤水自由能,在土壤水運動的定量描述中具有根本性的重要意義。土壤孔隙是土壤水運動的通道,土壤中的物質(zhì)組成、土壤機械組成、顆粒表面電荷、土壤中的電解質(zhì)組成、離子界面反應(yīng)中的非經(jīng)典極化等物理與化學(xué)因素決定了土壤中所有土粒間的相互作用,從而決定了土壤中的結(jié)構(gòu)與孔隙狀況。通常情況下,土壤顆粒間的長程分子力和靜電作用力(與表面電荷與表面離子反應(yīng)有關(guān))是土壤顆粒相互作用的基本作用力,所以在土壤顆粒相互作用中,土壤表面電荷、表面吸附態(tài)離子和土壤機械組成是相互耦合的。因此,在本研究中,將不同表面電荷、不同離子界面反應(yīng)和不同機械組成的兩種土壤作為實驗材料,研究了土壤電場和土壤機械組成的耦合如何影響了土壤水的入滲。取得以下研究結(jié)果:(1)在水分入滲過程中,陽離子非經(jīng)典極化對土壤水分運動影響顯著,它與土壤機械組成之間的確存在著強烈的耦合作用。陽離子的非經(jīng)典極化作用通過對土壤中電場強度的影響而影響土壤水的運動。當(dāng)電場較強時(取決于表面電荷,吸附態(tài)反離子的極化和電解質(zhì)濃度)粒間的凈相互作用力表現(xiàn)為排斥力,土壤團聚體破裂程度(它與“電場-機械組成”,土壤顆的耦合作用相關(guān))決定了土壤水分入滲。在這種情況下,研究發(fā)現(xiàn):(1)增加土壤顆粒間的吸引力(即降低排斥力)會加快土壤水分入滲;(2)粘粒含量更高或粉粒、砂礫含量更低的土壤,土壤水分入滲更慢。例如當(dāng)凈排斥力從2.66 atm降低到0.95 atm時,灰棕紫泥的水分入滲速率從45cm~3 m~2 min~(-1)增加到278 cm~3 m~2 min~(-1),紅棕紫泥水分入滲速率從230 cm~3m~2 min~(-1)增加到305 cm~3 m~2 min~(-1),這也表明,在同樣的靜電斥力條件下,粘粒含量更高的灰棕紫泥比紅棕紫泥水分入滲更慢。當(dāng)土壤電場強度很弱時,土壤顆粒間凈作用力表現(xiàn)為吸引力,此時土壤團聚體不會破裂,土壤團聚體的穩(wěn)定性將單獨決定土壤水分運移。在這種情況下,研究發(fā)現(xiàn):(1)增加粒子間的吸引力不會加快土壤水分的入滲;(2)粘粒含量更高或粉粒、砂礫含量更低的土壤,土壤水分入滲更快。例如當(dāng)凈吸引力從3.52 atm增加到5.74 atm時,灰棕紫泥的水分入滲速率從403 cm~3 m~2 min~(-1)增加到406 cm~3 m~2 min~(-1),紅棕紫泥水分入滲速率從333 cm~3 m~2min~(-1)增加到334 cm~3 m~2 min~(-1),表明凈引力的增加并不會明顯提高水分入滲速率;該結(jié)果也表明,當(dāng)電場很弱時,在相同的顆粒間作用力條件下,粘粒含量更高的灰棕紫泥比紅棕紫泥水分入滲更快。(2)即使土壤電場對陰離子的排斥作用降低了陰離子進入雙電層中或與表面發(fā)生相互作用的可能,通過研究Cl~-和NO_3~-界面反應(yīng)對恒電荷土壤團聚體穩(wěn)定性的影響發(fā)現(xiàn),Cl~-和NO3~-兩種陰離子體系的土壤團聚體破裂強度和土壤水分入滲存在著差異,NO_3~-體系中團聚體破裂釋放的10μm微團聚體量遠低于Cl~-體系,這就說明了恒電荷土壤的水分入滲過程里面仍然存在著的陰離子特異性效應(yīng)。進一步分析發(fā)現(xiàn),Cl~-和NO_3~-體系的團聚體破裂強度和水分入滲之間的差異在低濃度范圍內(nèi)更加明顯,隨著離子濃度的升高,土壤團聚體穩(wěn)定性逐漸增強,水分入滲速率逐漸增加,當(dāng)離子濃度高于0.1 mol L~(-1)時,土壤團聚體基本趨于穩(wěn)定,水分入滲速率接近最大值,基本達到穩(wěn)定�；谏鲜鼋Y(jié)果,我們可以得到:(1)對于機械組成一致的土壤,土壤顆粒相互作用決定了土壤團聚體和土壤孔隙的穩(wěn)定性,而土壤團聚體和土壤孔隙的穩(wěn)定性決定了土壤水的入滲速度;而對于電場強度一致的土壤,土壤機械組成決定了土壤孔隙狀況從而決定了土壤水入滲的速度。(2)當(dāng)土壤電場強時,機械組成決定了水入滲通道的暢通程度;而土壤電場弱時,團聚體穩(wěn)定性決定了土壤水入滲通道的暢通性。(3)由于土壤電荷、溶液電解質(zhì)構(gòu)成和離子界面反應(yīng)共同決定了土壤電場的強度,所以在土壤水入滲中,“電場與機械組成的耦合”實際上是“土壤電荷、電解質(zhì)構(gòu)成和離子非經(jīng)典極化與土壤機械組成的耦合”。
【圖文】：

揭示土壤水入滲和土壤水傳輸?shù)膬?nèi)力驅(qū)動機制。.3 研究內(nèi)容1）陽離子特殊離子效應(yīng)對土壤水分入滲快慢的影響。理論計算土壤顆粒表面，包括表面電位和電場強度。在此基礎(chǔ)上計算土壤顆粒間靜電斥力及其凈相用，進而分析土壤水分入滲過程中土壤團聚體的破裂機制。通過土柱實驗測離子（Li+，Na+，K+）作用下的土壤水分入滲的快慢，利用離子非經(jīng)典極化解子特異性效應(yīng)下的土壤水分入滲變化規(guī)律。2）陰離子特殊離子效應(yīng)對土壤水分入滲快慢的影響。通過土柱實驗測定陽離Cl-，NO3-）作用下的土壤水分入滲的變化，主要通過研究土壤團聚體穩(wěn)定性離子特異性效應(yīng)，揭示土壤團聚體破裂的微觀機制。技術(shù)路線

圖 4-2 灰棕紫泥和紅棕紫泥入滲 150 分鐘的土壤水垂直分布Fig. 4-2 Soil water vertical distribution in soil profile at an infiltration time of 150 minthe two soils圖 4-2 顯示，在表面電荷，吸附態(tài)反離子和土壤機械組成中，不同非經(jīng)典極和本體濃度的吸附的反離子是影響兩種土土壤水分入滲的重要因素。以灰棕紫為例：（1）在給定離子濃度為 1mol L-1時，，離子極化最強的 K+作為吸附的反離水分入滲的土壤分布深度為 0-15 cm。然而，對于極化強度為中度的 Na+和極化度最弱的 Li+，分布的深度明顯降低為 9.7 和 4cm。（2）對于給定的反離子 K當(dāng) K+的本體溶液濃度從 1 降低到 10-5mol L-1，水分入滲的土壤分布深度從 15 降
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S152.7

【參考文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 丁武泉;離子界面反應(yīng)對土壤水分入滲的影響[D];西南大學(xué);2016年

2 李嵩;離子界面反應(yīng)對土壤侵蝕強度的影響[D];西南大學(xué);2015年

3 李卓;土壤機械組成及容重對水分特征參數(shù)影響模擬試驗研究[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2009年

本文編號：2604252