可变电荷土壤中特殊化学现象及其微观机制的研究进展

综述了近年来可变电荷土壤化学研究的进展,着重总结了可变电荷土壤中的盐吸附、铁铝氧化物对土壤自然酸化的抑制作用和离子强度对离子专性吸附的影响等特殊化学现象及其微观机制的研究进展。用颗粒表面扩散层重叠导致有效电荷数量减小的原理解释了盐吸附现象和铁铝氧化物对土壤自然酸化的抑制作用。阐明了可变电荷土壤和矿物中介质离子强度影响离子专性吸附的机制,用四层吸附模型解释了离子专性吸附随离子强度增大而增加的现象,并根据胶体zeta电位随离子强度改变而变化的趋势进一步证明了离子强度增大使胶体专性吸附面上静电电位的绝对值减小,是离子专性吸附随离子强度增大而增加的主要原因。带电颗粒表面双电层结构和双电层相互作用的深入研究,有助于阐明可变电荷土壤中一些特殊化学现象的微观机理,从而进一步完善土壤化学理论。     

离子强度对三种可变电荷土壤表面电荷和Zeta电位的影响

本文用离子活度和反号离子在土壤胶体双电层扩散层滑动面的分布解释了可变电荷土壤表面电荷与胶体Zeta电位随着离子强度增加呈相反变化趋势的原因。当p H大于土壤的盐效应零点(PZSE)时,离子强度增加导致土壤胶体双电层紧密层阴离子含量增加,土壤表面负电荷量增加,双电层滑动面上的反号离子(阳离子)数量增加,使得土壤胶体Zeta电位向正值位移。相反,当p H小于土壤PZSE,随着离子强度增加,土壤表面正电荷量增加,此时的反号离子为阴离子,双电层滑动面上的反号离子(阴离子)数量增加,导致土壤胶体Zeta电位向负值方向位移。另外,由于土壤表面对K+的吸附亲和力强于Na+,因此在相同浓度下,土壤胶体双电层滑动面上K+浓度高于Na+,导致土壤胶体在KNO3溶液中的Zeta电位高于在Na NO3溶液中的,从另一方面印证了这一解释。     

中国土壤电化学的发展历程

本文介绍了土壤电化学研究历时50多年的系统成果,涉及带电粒子的化学行为、电极使用、学科渗透、工作成就、国内外影响和评价,形成集基本理论、实际应用和研究方法于一体的土壤电化学体系。在近期继承发展上,论述了电化学体系的土壤氧化还原过程及其研究法和酸化红壤修复原理与技术。前者扼要说明红壤中铝、锰离子的非等当量交换和非电性吸附;地跨湿润至干旱地区土壤氧化还原状况的水平带谱、垂直分异;有机还原性物质和无机氧化性物质的依存关系和变化规律,从而论证氧化还原过程作为土壤物质循环的转化动力(化学和生物学的)所作的贡献。后者扼要说明以铝化学为核心,土壤酸化理论、改良措施和从环保出发的工农业废弃物的利用;相反电荷胶体表面双电层的相互作用与电荷密度、离子强度、盐吸附的关系,扩散层重叠机制以及双电层作用对土壤表面性质和土壤酸化的影响。     

不同pH条件下黄壤胶体凝聚的动态光散射研究

土壤胶体的凝聚或分散紧密地联系着许多环境问题,并受胶体表面电荷性质的调控.以黄壤为实验材料,利用动态光散射技术研究pH作用下该可变电荷胶体颗粒的凝聚动力学.结果发现:土壤胶体的凝聚与否强烈依赖于pH.不同浓度HNO3和KOH诱发的土壤胶体凝聚均表现出慢速和快速凝聚特征,在快速凝聚中,HNO3作用较KOH作用的黄壤胶体平均凝聚速率更高、变化更快,表明表面电荷中和诱发的凝聚远大于压缩双电层诱发的凝聚.通过快速平均凝聚速率变化的反转点对应的pH,估计电荷零点(Zero pointof charge,ZPC),提供了一个实验测定ZPC的新方法.     

可变电荷土壤中胶粒双电层的相互作用与阴阳离子同时吸附

可变电荷土壤是在热带和亚热带地区母岩经历强烈的风化和淋溶作用形成的,或者由火山灰母质发育形成的土壤。这类土壤中硅酸盐矿物以高岭石为主,并含有大量Fe/Al氧化物。因此,这类土壤颗粒表面既带负电荷,又带有一定量的正电荷[1]。Qafoku和Sumner[2]研究发现带净负电荷的硅酸盐矿物颗粒和带正电荷的铁铝氧化物颗粒之间的相互作用是这类土壤能同时通过静电作用吸附阳离子和阴离子的主要原因。当用Ca(NO3)2溶液对装有可变电荷土壤的土柱进行淋溶实验时,Ca2+和NO-3在2.5孔隙体积(PV)后才在淋出液中同时出现,表明溶液中Ca2+和NO3-同时被土壤吸附[3]。当用稀CsCl溶液(0.5mmo     

氧化铁的存在方式对土壤和黏土矿物胶体动电电位的影响

土壤表面带有电荷是土壤胶体的基本特征,也是土壤具有保肥能力的主要原因。可变电荷土壤由于矿物组成的特点,其表面电荷特征与恒电荷土壤有很大不同。在通常的pH条件下这类土壤中的硅酸盐矿物带负电荷,而铁、铝氧化物带正电荷,因此,可变电荷土壤中存在两类带相反电荷的胶体颗粒,两者之间存在相互作用。Qafoku和Sumner[1]发现当用很稀的CsCl溶液(0.5mmol L-1)对美国老成土进行淋溶实验时,淋出液中Cs+和Cl-的浓度在开始阶段几乎保持不变,而且较加入的淋溶液低很多,淋出液的电导率(EC)较加入的淋溶液的电导率也低得多。此现象无法用传统的离子交换理论和形成离子对模型来解释,他们提出可变电荷     

褐土碳酸钙结核的胶体特性研究

碳酸钙是黄土母质发育土壤的重要胶结物质，对土壤团粒结构的形成具有重要作用。本文采集了碳酸盐褐土中的碳酸钙结核，采用物理分散法和化学分散法分别提取得到褐土碳酸钙结核纳米颗粒和褐土碳酸钙结核胶体，并以工业纳米碳酸钙作为对照对其胶体特性进行研究。采用X射线衍射仪、zeta电位仪和动态光散射仪对褐土碳酸钙结核胶体和工业纳米碳酸钙的矿物组成、zeta电位和胶体稳定性进行了表征。结果表明：褐土碳酸钙结核胶体、褐土碳酸钙结核纳米颗粒和工业纳米碳酸钙的初始颗粒直径分别为224.24、88.01和98.50 nm，而褐土碳酸钙结核胶体和褐土碳酸钙结核纳米颗粒的多分散度高于工业纳米碳酸钙。褐土碳酸钙结核胶体中方解石含量为70.3%，其次含有石英、长石和伊利石等矿物；褐土碳酸钙结核纳米颗粒主要含有方解石和伊利石，含量分别为48%和45%。3种碳酸钙胶体表面均带负电荷，其zeta电位绝对值均随着溶液pH的增大而增大。褐土碳酸钙结核胶体在NaCl和CaCl₂溶液中的临界聚沉浓度分别为538.01 mmol/L和2.08 mmol/L，褐土碳酸钙结核纳米颗粒在NaCl和CaCl₂溶液中的临界聚沉浓度为82.18 mmol/L和1.11 mmol/L，而工业纳米碳酸钙的临界聚沉浓度为80.37 mmol/L和1.59 mmol/L。3种碳酸钙胶体的矿物组成差异是引发其凝聚行为差别的内在原因，化学分散剂的表面修饰作用、颗粒直径大小和溶液化学条件也是影响胶体稳定性的重要因素。本文研究结果表明，碳酸钙胶体的可变电荷特性可能是其具有胶结特性的本质原因，其对石灰性土壤团聚体结构的影响还需要进一步深入研究。     

单一电解质体系下恒电荷土壤胶体扩散双电层中滑动层厚度的计算

土壤胶体颗粒表面滑动层厚度是一个重要的物理参数。利用Gouy-Chapman理论推导得到单一电解质体系中滑动层厚度计算公式,测得三种紫色土胶体颗粒表面电位值和ζ电位值,通过计算得到滑动层厚度值。结果表明:(1)在2∶1型电解质体系中三种紫色土胶体表面电位和zeta电位绝对值均远低于1∶1型电解质体系,两种单一电解质体系下三种紫色土表面电位值随电解质浓度变化差异要远大于zeta电位值;(2)两种单一电解质体系下三种紫色土胶体滑动层均离双电层中Stern层较远,而与Gouy层靠近,并且在2∶1电解质体系中的滑动层厚度要远低于1∶1电解质体系;(3)三种紫色土胶体颗粒随着电解质浓度升高,其滑动厚度均变薄。不同表面电位土壤胶体颗粒,在电解质浓度较低时,它们的滑动层厚度差异显著;当电解质浓度较高时,它们的滑动层厚度之间差异不明显。     

黄土高原植被恢复过程中土壤表面电化学性质演变特征

土壤胶体表面所带电荷是土壤具有一系列物理、化学性质的根本原因。表面电荷数量、比表面积、表面电荷密度、表面电场强度以及表面电位是土壤胶体颗粒重要性质,影响土壤中物理、化学、生物化学过程。运用带电颗粒表面性质联合分析法,测定黄土高原子午岭地区不同植被类型下土壤表面电荷性质,研究自然植被恢复过程对土壤表面电荷性质的影响。结果表明:随着植被的演替,子午岭林区土壤表面电荷数量、比表面积、表面电荷密度均随植被的恢复增加,变化范围分别为10.88～19.85 cmol·kg~(–1)、40.67～61.71 m~2·g~(–1)和0.22～0.31 c·m~(–2),平均值分别为16.18 cmol·kg~(–1)、54.88 m2·g~(–1)和0.28 c·m~(–2),土壤表面电场强度达108 V·m~(–1)数量级;土壤黏粒、有机碳含量是影响表面电荷性质的主要因素,解释率分别为62.5%和27.9%;土壤基本性质对表面电荷性质的影响由强到弱依次为:黏粒、有机碳、砂粒、全氮、C/N、粉粒、碳酸钙、pH。研究结果对于进一步认识黄土高原土壤颗粒表面性质,加深理解土壤中发生的一系列物理化学过程具有重要意义。     

我国几种地带性土壤无机胶体的表面电荷特性

研究了用返滴定法测定我国七个不同地带土壤无机胶体的表面电荷特性。结果表明 :( 1 )返滴定法测定的供试土壤无机胶体可变电荷量随纬度升高而逐渐上升。这主要与供试土壤粘土矿物、铁铝氧化物组成及含量有关。一般来说 ,土壤层状硅酸盐粘土含量越多 ,永久负电荷量和其可变负电荷量越大 ;铁铝氧化物含量越高 ,可变负电荷量越低。( 2 )七个地带性土壤无机胶体的Qv pH曲线上在pH5左右有一峰值 ,这可能与供试土壤胶体中铁铝氧化物的ZPC及供试土样层状硅酸盐的边面Si OH基吸附H 及Al OH基离解H 有关     

基于ZigBee的精准农业模式研究

针对传统农业的局限性,探讨了传统农业生产模式转变为以信息网络为中心的精准农业的生产模式,阐述了ZigBee技术在精准农业中的应用,对系统的硬件进行了设计,并给出了软件流程。运用该系统可有效地降低成本,提高农作物产量。     

降雨对地表糙度影响的研究

通过野外模拟降雨实验,研究了降雨对地表糙度的影响规律,经过降雨作用后,随机糙度的地表,变化呈增加趋势,而有向糙度的地表,则呈减小趋势;随着降雨组合因子增加,随机糙度的变化量呈增加的趋势,而有向糙度则呈幂函数递减。     

土壤对养分离子吸附特性初步研究

针对土壤本身对养分离子具有吸附固定特性降低了养分的有效性,运用土壤养分状况系统研究法通过吸附试验研究新疆两种土壤对养分离子的吸附固定能力。研究结果表明:棕漠土对P、Zn、Cu的吸附固定能力比潮土强,两种土壤对K、B和Mn吸附固定差异不显著,棕漠土的养分限制因子是N>P>Mn>B,潮土的养分限制因子是N>Mn>P>K,因此施肥时考虑到土壤对养分离子的吸附固定能力确定合理的施肥量。     

基于InVEST模型评估土地整治对生境质量的影响

土地整治通过对土地资源及其利用方式再组织和再优化影响生境斑块之间物质流、能量流的循环过程,从而改变区域生境质量和分布格局。该文以大安市土地整治重大项目为例,采用InVEST模型分析了土地整治对生境质量的影响。研究表明:1)土地整治前(2008年)、整治中(2011年)、整治后(2014年),耕地、草地和盐碱地均为项目区的主要土地利用类型;2)土地整治后,大量的盐碱地和草地转变为耕地,耕地面积由整治前的14.43%上升到71.19%;3)土地整治中,项目区的生境质量得分由整治前的0.194下降到0.189,整治后又上升到0.214;4)土地整治工程改善了项目区的生境质量,但整治完成后生境质量改善效果经历了先下降后上升的过程,在整治完成3~4 a时,生境质量仅比整治前提高了0.06左右,整治完成4 a之后,生境质量开始逐渐好转。研究结果可为土地整治工作中的生境及生物多样性保护工作提供科学依据。     

基于IHA-RVA法的生态治理对径流演变情势的影响评估

研究流域径流演变情势及其对生态治理的响应,可为流域水资源合理利用和水生态治理提供重要指导。该文依据北洛河上游1964—2014年逐日平均流量和年降水量资料,采用双累积曲线法、双滑动平均法(MASH)和Mann-Kendall趋势检验法对径流过程变化进行了分析研究,采用水文指标变化范围法(IHA-RVA)对5组30个径流指标及其改变度进行了评估,对径流演变成因做了初步分析。结果表明：研究期内年径流呈现减少趋势,且以1979年和2002年为界可划分为基准期、水土保持治理期和生态恢复影响期;汛期流量下降较非汛期明显,减少幅度为35.6%;生态治理影响下径流指标整体水文改变度为74.35%,属于高度改变;5组30个径流指标中发生高度改变的指标占比增加,其中年极端流量组变化度最大,为94.77%。人类活动使得流域河川径流显著减少且波动性减弱,而水土保持、退耕还林(草)措施是核心驱动力。     

黄土沟壑丘陵区退耕对土壤侵蚀影响的模拟研究

随着在黄土沟壑丘陵区退耕政策的实施,退耕必将对该地区的水土流失特征产生重大影响。对退耕的水土保持效益进行模拟研究,可为退耕政策的合理实施提供理论依据。选定位于黄土沟壑丘陵区的安塞研究区,在RS和GIS支持下,采用USLE,模拟研究了不同退耕方案对土壤侵蚀的影响。在2001年土地利用的遥感解译图和GIS计算分析基础上设计了8种不同的退耕方案,模拟结果显示,各种退耕方案对土壤侵蚀的减少主要发生在强度及强度以上侵蚀区,退耕后研究区已没有发生剧烈侵蚀的区域,强度和极强度侵蚀明显减少;土壤侵蚀量的减少主要发生在≥25°退耕和≥15°退耕,≥25°退耕还草和还林分别使土壤侵蚀总量减少了19.9%和23.2%,≥15°退耕还草和还林分别使土壤侵蚀总量减少了36.6%和42.6%。≥8°退耕方案和全部退耕方案与≥15°退耕方案相比,水保效益并没有显著差别。     

黄土高原坡耕地小麦根系分布特征研究

小麦是黄土高原陕西区坡耕地上的主要农作物,为了研究小麦根系整个生长期内在坡耕地上随土层和坡度的分布规律,以陕西杨凌农耕地种植的小麦根系为研究对象,在小麦5个生长期,采用挖土块法调查研究了5个坡度的坡耕地上0—20 cm层内冬小麦根系的分布特征。结果表明:（1）小麦根系各生长期的根重密度、根长密度、根径与坡耕地土层深度和坡度变化都有一定的关系。（2）小麦的根重密度在0—5 cm层最大,随土层深度减小。根重密度随生长期逐渐增大,成熟期达到最大值。当坡度为10°时,生物量最大。（3）根长密度在0—5 cm的最大,随土层深度增加而减小;拔节期达到最大值,随后逐渐减小。根长密度随坡度增加而增加,当坡度为15°时达到最大值。（4）小麦平均根径随土层深度增加而逐渐减少,拔节期达到最大值,随生长期逐渐减小。当坡度为10°时,根系平均直径达到最大值。（5）SPSS处理结果显示根重密度、根长密度、根径与土层深度有线性相关的关系。各根系指标与坡度和生长期也有线性回归关系。     

稀土铽对辣根的生态毒性

研究了稀土铽(Tb)对辣根生理毒性的影响。结果表明,Tb在低浓度范围内,可以诱导叶绿素的合成,高浓度时对其产生破坏作用;对于辣根过氧化物酶,酶活性先升后降;质膜透性、丙二醛含量则呈现先减后增的变化趋势。TbCl3浓度为3mg/kg时各指标达到最值;辣根中毒阈限为10mg/kg左右。通过分析,辣根过氧化物酶对Tb反应敏感,这表明过氧化物酶可能成为研究稀土毒理的生物监测手段。     

Ciprofloxacin Adsorption on ZnO Supported on SBA-15

Most drugs are synthesized by human medicine both for the treatment of men and animals and are also produced to maintain their physical and chemical properties for a time sufficient to serve a therapeutic purpose in treatments of some kind of illness. Ciprofloxacin is an antibiotic synthetically obtained in 1987 and belongs to the family of fluoroquinolones and is currently prescribed in certain treatments. This work was developed with the objective of evaluating the adsorption of the ciprofloxacin antibiotic in solution on zinc oxide (ZnO) supported on SBA-15-type mesoporous silica. The results showed that the post-synthesis method is effective in impregnating zinc oxide in SBA-15 and its structure has not been damaged and has not lost its organization in the hexagonal 2D planes. The ZnO-SBA-15 (10%) sample adsorbed 69.10% of ciprofloxacin (25 mg/L) in 180 min. Freundlich adsorption model was observed with the correlation factor of R²?=?0.9999, for the adsorbent ZnO-SBA-15 (10%), which showed the best sample. The kinetics was classified as pseudo-second order, as well as the thermodynamic parameters were determined, showing that the process has a spontaneous nature and a value of ΔH°?=?4.677 kJ/mol, evidencing that the process has the nature of physiosorption.     

陆面过程中的水文模式研究

陆面水文过程模拟是解决全球环境恶化与气候异常的最好方法，是当前学术界关注的热点。对陆面过程的涵义、模式的发展、陆面过程中水文参数的描述进行了总结，提出了在陆面水文过程研究中存在的尺度匹配误差、数据共享矛盾、参数不确定性等不足及今后的研究方向。