盐基离子组成对黑土中“矿物-腐殖质”相互作用的影响

Soil organo-mineral complexes are formed through the interactions of humus and mineral colloids. The aggregation processes of soil colloids are dominated by the ion species and ionic strength, which could further affect the interactions of humus and soil mineral colloids. However, the specific ion effects on the formation of soil organo-mineral complexes need to be better understood. In the present study, this issue is addressed by adopting the laser light scattering technique on black soils. The influence of soil exchangeable base cations composition on humus-mineral interactions was investigated. For the black soils with different compositions of exchangeable base cations, the specific ion effects on soil humus-mineral colloids aggregation are demonstrated by analyzing the electrochemical surface properties and aggregation kinetics of humus-mineral colloids. The structure and morphology of the formed clusters, combined with the calculations of particle interaction forces, the activation energies and the average dipole moments, could clarify the effect of caion composition on humus-mineral aggregation. By comparing the differences in ionic polarization for each ion of mixed systems and single system, the mechanisms of soil humus-mineral interactions based on specific ion effects could be elucidated. This project could provide theoretical references for soil structure improvement, fertility promotion and pollution control.

土壤中的腐殖质和矿物胶体相互作用形成有机无机复合体。土壤胶体的凝聚受介质中离子类型和强度的支配，进而影响土壤有机无机复合作用，但此过程中的离子特异性效应尚不完全清楚。本项目以黑土为研究对象，针对土壤有机无机复合过程中的离子特异性效应，采用激光散射技术，研究交换性盐基离子组成对矿物-腐殖质胶体相互作用的影响。通过对不同盐基离子组成条件下黑土矿物-腐殖质胶体表面化学性质、凝聚动力学过程分析，明确土壤矿物-腐殖质胶体凝聚中的离子特异性效应；通过对凝聚体结构和形貌特征的分析，结合颗粒间相互作用力、相互作用活化能和离子平均偶极距的计算，阐明离子组成对腐殖质-矿物胶体凝聚的影响；对比混合离子体系中各离子极化作用与相应的单一离子体系中离子极化作用的差异，提出基于离子特异性效应的土壤矿物-腐殖质相互作用机制。研究结果为土壤改良、土壤培肥与污染物治理提供理论依据。

土壤有机无机胶体的凝聚受介质中离子类型和离子强度的支配，进而影响土壤有机无机复合作用，但此过程中的离子特异性效应尚不完全清楚。本项目研究了不同交换性盐基离子和伴随阴离子对矿物、胡敏酸及矿物-胡敏酸混合胶体相互作用的影响。研究发现无论在纯矿物、胡敏酸体系还是矿物-胡敏酸混合体系的凝聚过程中均存在强烈的离子特异性效应，且离子在带电胶体颗粒表面附近的强烈极化作用是这一效应产生的原因。Na+作为陪补离子，与Ca2+在胡敏酸胶体表面的竞争吸附抑制了Ca2+对胡敏酸的聚沉作用，且这种陪补离子效应对所形成凝聚体的结构特征影响显著。通过离子有效电荷数定量表征矿物胶体凝聚过程中的离子特异性效应强度，并获得几种离子的有效电荷数为：ZCu = 4.90, ZCa = 3.92, ZMg = 2.82, ZK = 1.92, ZNa = 1.16 and ZLi = 1.05。在黑土胶体凝聚过程中，Cu2+和 Zn2+两种离子的核外电子排布的微小差异被外电场强烈放大，且离子浓度越低，胶体颗粒表面附近电场越强烈，两种离子引发的凝聚现象差异越大。此两种离子在凝聚作用的较大差异性源于Cu2+较Zn2+对有机配位体有较强的亲和力，以及黑土胶体表面附近强电场对离子的强烈极化作用扩大了两种离子本身的微小差异。研究结果为土壤改良、土壤培肥与污染物治理提供理论依据。.在研究阳离子特异性效应的同时，伴随阳离子一同引入到系统中的阴离子因其体积远大于阳离子，同样存在强烈的离子特异性效应。HPO42–和H2PO4–离子特异性效应的强弱在不同比例蒙脱石/胡敏酸体系中表现为96%蒙脱石+4%胡敏酸>>99%蒙脱石+1%胡敏酸>100%蒙脱石。蒙脱石-胡敏酸胶体凝聚对胡敏酸含量的敏感程度受不同伴随阴离子影响。典型的阴离子Cl-，NO3-在引发蒙脱石矿物胶体凝聚中的作用强度序列为NO3-＞Cl-，说明此时矿物胶体颗粒之间的静电斥力是在NO3-体系大于Cl-体系，进一步通过测定阴离子吸附量也验证了此序列。研究结果为NO3-如何降低土壤团聚体稳定性和土壤耕性提出了合理的解释。