土粒表面电场对土壤团聚体破碎及溅蚀的影响

2020-05-19刘婧芳胡斐南杨志花马任甜赵世伟

农业工程学报 2020年7期

刘婧芳，胡斐南,，杨志花，马任甜，赵世伟,※

（1. 西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；3. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100）

0 引言1

土壤侵蚀是威胁全球生态环境安全和粮食安全的主要问题。降雨溅蚀发生在土壤水力侵蚀的初始阶段[1-2]，不仅能为径流侵蚀提供大量可搬运的松散颗粒[3]，还能够增强径流的搬运能力[4]，从而加剧水土流失，造成土地资源退化，制约农业的可持续发展。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，其稳定性直接影响土壤孔隙状况、入渗特性及地表结构变化[5-6]，是评估土壤抗蚀性的重要指标。团聚体愈稳定，对雨滴击溅的抵抗力愈强。刘柏玲等[7]发现团聚体稳定性差的砂黄土溅蚀量明显高于团聚体稳定性高的黑垆土。通常，降雨溅蚀量与团聚体稳定性呈显著负相关[8]。团聚体破碎是影响溅蚀发生的关键一步[2,8-9]。程琴娟等[10]对黄绵土14个粒级溅蚀量的研究指出，随粒径增大溅蚀量增大，当粒径约为0.105～0.22 mm 时溅蚀量达最大值，之后随粒径增大溅蚀量减小。Fu 等[11]对收集到的溅蚀液进行筛分，发现溅蚀量随溅蚀粒径的减小而增大。此外，有研究指出团聚体的破碎会导致表土结皮的形成，从而使溅蚀量显著降低[12]。可见，团聚体破碎释放颗粒的大小对于溅蚀的发生与发展具有重要意义。

目前，降雨引发团聚体破碎主要归因于：雨滴打击作用、消散作用、黏土矿物非均匀膨胀作用和理化分散作用等4 种机制[13]。理化分散作用强调土壤溶液化学性质变化对团聚体稳定性的影响。目前，相关学者对于前3 种机制的研究较多，团聚体稳定性的测定大都以纯水为介质进行，对溅蚀的研究则多用纯水模拟雨滴[7-8,14]，忽略了土壤溶液化学性质对团聚体稳定性的影响。但实际上土壤溶液并不是纯水，而是含有不同化学物质的稀溶液。尤其是现代农业中，随着化肥、农药和调节剂的大量使用，越来越多的化学物质进入土壤，化学物质对土壤持水特性、土壤孔隙分布、土壤胀缩性等的作用必然影响到土壤团聚体的稳定性[15]。徐爽等[16]通过对不同浓度NaCl、Ca(Cl)2和Al(Cl)3溶液处理的＞0.25 mm 团聚体进行湿筛，发现团聚体稳定性明显不同，表现为Al(Cl)3溶液处理的团聚体稳定性最大，且随浓度增大团聚体稳定性增强。操庆等[17]通过用MgSO4、NaCl 和Ca(NO3)2配制的混合盐培养土壤，发现土壤中盐分的增加能促进＞0.25 mm 大团聚的形成。根据胶体双电层理论[18]，溶液化学性质的变化会影响颗粒双电层厚度，从而改变土壤颗粒周围电场的分布情况。土粒表面电场则控制着土粒之间的相互作用力[19]。近几年的研究发现，土壤颗粒间相互作用力（静电斥力、水合斥力和范德华引力）高达数百个大气压，是引发团聚体破碎的主要推动力[19-22]。因此，土壤溶液化学性质主要是通过直接改变土粒表面电场来影响团聚体稳定性。Hu 等[19]发现随着NaCl 溶液的浓度由1 降低到10-5mol/L，土粒表面电场急剧增大，紫色土团聚体破碎强度增大，稳定性降低。同样地，Li 等[20]通过模拟降雨试验发现，紫色土壤颗粒迁移量随电场强度的增大而明显增多。由此可见，土粒表面电场对团聚体稳定性和土壤侵蚀具有不可忽视的作用[23-24]。然而，目前相关研究主要集中在土粒表面电场对团聚体破碎强度和侵蚀强度的影响，鲜有研究关注电场作用下团聚体破碎粒径分布特征及其对溅蚀的影响。因此，加强电场作用下团聚体破碎特征及溅蚀方面的研究，对于进一步深入认识降雨溅蚀发生机制具有重要意义。

黄土高原是全世界水土流失最为严重的地区之一。黄绵土和塿土都发育于黄土母质，是该区典型的耕种土壤，受人为干扰因素较大。基于此，本文以黄绵土和塿土为研究对象，采用不同浓度的电解质溶液定量调控土粒表面电场，旨在明确土粒表面电场对团聚体稳定性及破碎特征的影响，揭示电场作用下团聚体破碎特征及其对溅蚀过程的影响，以期为黄土高原水土流失的科学防控提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土样及基本性质

供试土样选择黄土母质发育的黄绵土和塿土，黄绵土由黄土母质经直接耕种而形成，中国系统分类为黄土正常新成土；塿土由发育在黄土母质上的褐土经长期耕作、逐年施用土粪堆积和黄土再沉积过程演化而成，中国系统分类为土垫旱耕人为土。本试验黄绵土和塿土分别采自陕西安塞和杨陵农田耕作层，采集深度为20 cm。

土样基本性质分析：有机质采用重铬酸钾外加热法测定；pH 值采用电极法测定；土壤颗粒组成采用 MS2000激光颗粒分析仪（马尔文公司，英国）测定。黏土矿物采用X 射线衍射仪（ZX2012，UItima IV，日本）测定，2 种土壤的主要黏土矿物类型为伊利石、绿泥石及高岭石。阳离子交换量和比表面积采用物质表面性质联合测定法测定[25]。土壤质地分类采用国际制。供试土样的基本性质详见表1。

表1 土壤基本理化性质 Table 1 Basic properties of tested soils

1.2 样品制备

为了定量描述土粒表面电场强度对团聚体稳定性及溅蚀的影响，需要将黄绵土和塿土制备成单一离子的饱和样[19-21]。研究表明Na+在电场作用下极化能力小，因而将土样制备成Na+饱和体可以更直接的反映电场强度对团聚体稳定性及溅蚀的影响[19,26]。Na+饱和团聚体制备步骤如下[19]：首先称取500 g 风干土样于5 L 烧杯中，加入0.5 mol/L 的NaCl 电解质溶液至5 L，搅拌平衡24 h 后离心弃去上清液；重复该步骤3 次，然后用去离子水洗去土壤中多余盐分，最后在60℃下烘干，研磨过筛后收集1～5 mm 团聚体备用。

1.3 土壤颗粒表面电场计算

自然条件下，降雨和土壤水分的蒸发会引起土壤溶液中电解质浓度变化从而改变土壤颗粒表面电场。本试验中，利用不同浓度的NaCl 溶液来调节土壤颗粒表面电场，电解质浓度设置为10-4、10-3、10-2、10-1和1 mol/L。在NaCl溶液体系下，颗粒表面电位（0φ ）可通过下式计算[23]，

式中R 表示气体常数，J/(mol·K)；T 表示热力学温度，K；F 表示法拉第常数，C/mol；Z 表示阳离子的化合价；c0表示本体溶液中电解质浓度，mol/L；c 表示双电层中离子的平均浓度，mol/L；κ 德拜-休克尔参数，m−1；SCN表示阳离子数量，cmol/kg；SSA 表示比表面积，m2/g；ε表示相对介电常数，C2/(J·m).

电场强度随距离分布的计算公式如下

式中E(x)表示距离颗粒表面x 处的电场强度，V/m；x 表示距离颗粒表面的距离，nm；φ(x)表示距离颗粒表面x 处的电位，V。

1.4 土壤团聚体稳定性测定

团聚体稳定性分析借鉴Le Bissionnais[13]的快速湿润法，使团聚体在不同浓度（10-4、10-3、10-2、10-1和1 mol/L）NaCl 电解质溶液中经历快速湿润过程，最后分析破碎粒径分布特征及平均重量直径。团聚体稳定性测定具体步骤：称取5 g 1～5 mm Na+饱和团聚体置于200 mL 玻璃烧杯中，用量筒沿烧杯壁缓慢加入100 mL NaCl 电解质溶液，静置10 min 后吸出上清液；用酒精将团聚体洗入1、0.5、0.25、0.15 mm 孔径的套筛顶部，以幅度2 cm 在99%酒精中上下振荡10 次；最后用酒精将筛上团聚体分别冲入铝盒中烘干称质量并计算平均重量直径MWD。该试验设置3 次重复。

式中ri为第i 个筛子孔径，mm，r0= r1，rn=rn+1；mi为第i 个筛子上团聚体质量百分比，%.

1.5 模拟降雨溅蚀试验

溅蚀试验采用自制针式降雨器（图1）进行人工模拟降雨。自制针式降雨器由供液装置、降雨装置及连接二者的支撑装置组成。供液装置为下口瓶，于下口处连接一根有开关的塑料管对供雨装置提供液体。供雨装置为直径15 cm 的圆筒，圆筒底部均匀分布22 个直径0.6 mm的针头。本试验所用溅蚀盘在摩根溅蚀盘基础上改制而成，是由外环斜面收集盘及内环水平可活动溅蚀盘组成的倒圆台装置。盘外环底部直径为15 cm，顶部直径及高均为30 cm，外环与内环中间用铁皮焊接为光滑斜面，在斜面最低处打孔以供溅蚀液流出；活动溅蚀盘直径为10 cm、高为1 cm，盘底部有渗水小孔，不仅便于排出入渗液体，更能阻止溅蚀盘中土壤表面水膜的形成，以防影响溅蚀。

图1 降雨模拟试验装置图 Fig.1 Diagram of rainfall simulation experimental apparatus

试验采用不同浓度梯度（10-4、10-3、10-2、10-1和1 mol/L）的NaCl 电解质溶液模拟雨滴来调节土壤电场强度，雨强平均为60 mm/h，降雨高度控制在0.8 m，该高度下雨滴未达终点速度，根据公式[27]计算其实际速度，得雨滴动能为10.76 J/(m2·min)。试验开始前先将1～5 mm Na+饱和团聚体均匀填装于溅蚀盘内，容重控制在1.0 g/m3，当溅蚀盘表面出现明显积水时停止降雨试验，将收集的溅蚀液记录体积后烘干称质量。该试验设置3次重复。

2 结果与分析

2.1 土壤表面电位及电场强度

不同浓度的电解质溶液能影响土壤颗粒双电层厚度，进而对土粒表面电位及电场强度产生影响[18,23,26]。不同电解质浓度下土壤颗粒表面电位可通过阳离子交换量和比表面积计算，其计算结果列于表2。黄绵土和塿土表面电位（绝对值）随电解质浓度的升高呈降低趋势。当电解质浓度由10-4mol/L 升高到1 mol/L 时，黄绵土和塿土表面电位绝对值分别由320.2 和349.9 mV 降低到83.7 和113.4 mV，分别降低了73.9% 和67.6%。相同浓度下2 种土壤表面电位的不同可能与土壤本身的有机质含量和颗粒组成有关，二者是土壤最主要的带电颗粒[28-29]。

表2 不同电解质浓度下土壤颗粒表面电位 Table 2 Surface potentials of soil particles at different electrolyte concentrations

图2 为土壤颗粒附近电场强度随距离的分布。各电解质浓度下，黄绵土和塿土颗粒表面电场强度均可达108V/m 数量级，但随着距离的增大，电场强度都不同程度的减小。在电解质浓度较高时，电场强度作用距离较短，如电解质浓度为1 mol/L 时，电场的作用距离仅在10 nm 以内；随着电解质浓度降低到10-4mol/L，电场强度的作用距离迅速增大，可达100 nm 以上。在给定距离处，这里以距离土壤颗粒表面10 nm 处为例，电场强度随电解质浓度的降低或表面电位的升高，表现为先急剧增大而后保持不变的趋势（图3）。随电解质浓度减小，电场强度急剧增大，表明高电解质浓度能明显屏蔽土壤颗粒周围的电场；而当电解质浓度小于10-2mol/L 后，电场强度随浓度的减小不再发生明显变化，这表明在本研究中电解质浓度10-2mol/L 是影响电场强度的关键浓度。

图2 不同电解质浓度下土粒周围电场强度分布 Fig. 2 Distribution of soil electric field around soil particles at different electrolyte concentrations

图3 不同电解质浓度下距离土粒表面10 nm 处电场强度 Fig. 3 Soil surface electric field strength at the distance of 10 nm apart from particle surfaces under different electrolyte concentration and surface potential

2.2 土壤表面电场对团聚体稳定性的影响

2.2.1 土壤团聚体平均重量直径变化特征

平均重量直径（MWD）作为反映团聚体组成的综合参数，是评价团聚体稳定性最常用的指标，其值越大团聚体稳定性越强[30-31]。图4 为 MWD 值随电解质浓度（表面电位）的变化。高电解质浓度（低电位）对应的MWD 值大，低电解质浓度（高电位）时MWD 值小，表明随电解质浓度的降低，表面电位的增大，表面电场的增强，团聚体稳定性降低。当电解质浓度由1 mol/L 减小到10-2mol/L 时，黄绵土和塿土MWD 值分别减小了 53.0%和 44.2%；而当电解质浓度由10-2mol/L 继续减小到10-4mol/L 时，2 种土壤MWD值仅减小了11.3% 和22.2%，降幅急剧减小。这表明本体溶液电解质浓度对团聚体稳定性的影响存在一个临界点。在本试验中，该临界浓度为10-2mol/L，当电解质浓度高于10-2mol/L 时，团聚体稳定性随电解质浓度减小迅速降低，而当电解质浓度低于10-2mol/L 时，电解质浓度对团聚体稳定性的影响明显减弱。团聚体稳定性随体系电解质浓度的变化趋势和电场强度随浓度的变化趋势相反，即土粒表面电场越强，平均重量直径值越小，团聚体越不稳定。

图4 团聚体平均重量直径随电解质浓度与土壤表面电位的变化 Fig. 4 Changes of MWD with electrolyte concentration and surface potential

2.2.2 土壤团聚体破碎粒径分布特征

MWD 只能表征团聚体组成的整体变化趋势，并不能准确反映受电解质溶液影响的团聚体组成的变化方向及程度。不同电解质浓度下团聚体破碎后的粒径分布特征如图 5 所示。1）在各电解质浓度下，2 种土壤团聚体破碎后＜0.15 mm 粒级的含量最高，＞1 mm 粒级的含量最低。2）随着电解质浓度的升高，两种土壤＜0.15 mm 微团聚体的含量表现为降低趋势，而＞0.25 mm 的大团聚体含量表现为增加趋势，这表明当土壤溶液电解质浓度较高时，土壤团聚体倾向于破碎为更大粒级的团聚体，即随土壤溶液电解质浓度的升高，颗粒表面电场的降低，土壤团聚体的破碎程度将减小。3）在本研究中，电解质浓度10-2mol/L 是影响破碎团聚体粒径变化的关键浓度，高于该电解质浓度时，各粒级团聚体含量随电解质浓度升高变化迅速，而低于该电解质浓度时，各粒级团聚体含量变化幅度明显减小。以黄绵土＞0.25～5 mm 粒级团聚体为例，当电解质浓度由10-4mol/L 增大到10-2mol/L 时，该粒级团聚体含量由4.0% 增加到6.7%，仅增加了2.7%；但当电解质浓度由10-2mol/L 增加到1 mol/L 时，该粒级团聚体含量迅速增加到42.8%，增加了36.1%。此外，在低电解质浓度下（≤10-2mol/L），团聚体组成比较单一，以＜0.15 mm 粒级团聚体为主，占总量的70%以上，而高电解质浓度下（＞10-2mol/L），＜0.15 mm粒级团聚体含量降低到50% 以下，0.15～0.25、0.25～0.5、0.5～1 及＞1mm 粒级团聚体含量迅速增大，团聚体破碎程度减小。这也表明在本试验中电解质浓度10-2mol/L 是影响团聚体组成的关键浓度。4）对比2种土壤，各电解质浓度下，2 种土壤＞0.25 mm 大团聚体组成明显不同，0.25～0.5 mm 粒径大团聚体含量表现为黄绵土高于塿土，但0.5～1 和＞1mm 大团聚体含量表现为塿土高于黄绵土。

2.3 土壤表面电场对溅蚀的影响

土壤溅蚀颗粒质量随电解质浓度（表面电位）的变化曲线如图6 所示。当电解质浓度为1 mol/L 时，2 种土壤几乎都没有土壤颗粒溅出。当电解质浓度由1 mol/L减小到10-2mol/L 时，黄绵土和塿土溅蚀量分别增加了0.28 和0.40 g；而当电解质浓度继续降低到10-4mol/L时，黄绵土和塿土溅蚀量仅增加了0.03 和0.08 g。这表明电解质浓度10-2mol/L 是影响两种土壤溅蚀的关键浓度。当电解质浓度高于10-2mol/L 时，溅蚀量随电解浓度降低迅速增大；当电解质浓度低于10-2mol/L 时，溅蚀量随电解质浓度的降低几乎无明显变化。对比2 种土壤，电解质浓度为1 和10-1mol/L 时，黄绵土和塿土溅蚀量相近，当电解质浓度降低到10-2mol/L 时，塿土溅蚀量明显高于黄绵土，这与不同电解质浓度下的团聚体粒径分布有关。土壤溅蚀量随体系电解质浓度的变化趋势和电场强度随浓度的变化趋势相同，即土粒表面电场越强，溅蚀量越大。

图5 不同电解质浓度下团聚体破碎后粒径分布 Fig. 5 Distribution of soil fragments after aggregate breakdown at different electrolyte concentration

图6 土壤溅蚀量和电解质浓度与土壤表面电位的关系 Fig. 6 Relationship between splash erosion mass and electrolyte concentration and surface potential

2.4 土壤电场作用下溅蚀与团聚体稳定性关系

团聚体稳定性是影响溅蚀最重要的参数之一。图7表明黄绵土和塿土溅蚀量与MWD 呈显著负线性关系，决定系数R2均达0.90 以上，表明2 种土壤溅蚀量随团聚体稳定性降低而增大。进一步对不同电解质浓度下溅蚀量与团聚体破碎释放的各组分含量进行相关分析，结果如表3 所示。2 种土壤溅蚀量与＜0.15 mm 微团聚体含量呈极显著正相关，与＞0.25 mm 大团聚体呈极显著负相关。黄绵土溅蚀量与＜0.15 mm（r=0.942）及 0.25～0.5 mm（r=-0.943）相关系数最大，表明黄绵土溅蚀量主要决定于这两个组分的含量；而塿土溅蚀量与＜0.15 mm 组分含量的相关系数最大（r=0.974），表明本试验条件下塿土溅蚀量更大程度上取决于团聚体破碎后释放的＜0.15 mm微团聚体的含量。

图7 不同电解质浓度下溅蚀量与团聚体稳定性关系 Fig. 7 Relationship between splash erosion mass and MWD value under different electrolyte concentration

表3 溅蚀量与团聚体各粒径含量相关分析 Table 3 Correlation between splash erosion mass and size mass percentage under different electrolyte concentration

3 讨论

自然条件下，当雨水进入土壤后，相对干燥的土壤其本体溶液电解质浓度将会被立即稀释。在本研究中，随土壤溶液电解质浓度的降低，土粒表面电位和电场急剧增大。土壤溶液电解质浓度是影响土壤表面电场的重要因素[26,32]，随着土壤溶液电解质浓度的降低，扩散双电层厚度增加，土粒表面电位升高，土粒周围电场增强，最终导致土壤颗粒间的静电斥力增大，进而影响团聚体的稳定性[19-23,33]。本研究中，土壤团聚体稳定性随本体溶液电解质浓度的降低表现为先急剧减小后趋于稳定的趋势（图4），其中本体溶液电解质浓度10-2mol/L 是团聚体破碎的关键浓度。这与Hu 等[19]和黄学茹等[34]的研究结果一致。Hu 等[19]通过静水沉降法研究了在不同电场条件下紫色土团聚体的稳定性，发现电解质浓度10-2mol/L 是团聚体破碎的关键浓度。本研究中团聚体稳定性的试验结果与土壤电场强度随电解质浓度变化趋势所反映的结果一致。这表明，土壤电场作用是干燥团聚体遇水破碎的主要因素。土粒周围电场强度越大，团聚体破碎程度越大，释放的细颗粒物质越多；当电场强度较弱时，土壤团聚体仅发生微弱的膨胀或破碎[19]。这说明，外界降雨将会通过影响土壤电场强度而影响团聚体的破碎程度。另一方面，人们普遍认为，在水体系中消散作用是引发团聚体破碎的主要原因[8,35]。然而，已有研究表明，消散作用其强度不超过1 个大气压[36]，远小于颗粒间分子引力，并不足以使团聚体直接破碎。而表面电场所引发的颗粒间的静电斥力可达数百甚至于上千个大气压，足以使团聚体发生破碎[21-24,37]。此外，若消散作用和雨滴打击力是团聚体破碎的主要作用力，那么在不同电场强度下团聚体稳定性的差异应该很小。然而，本研究发现团聚体稳定性随电场强度的增大而减小，二者均随电解质浓度的变化表现出一致的趋势。这说明，土粒表面电场是引发团聚体遇水破碎的关键因素。降雨溅蚀是坡面侵蚀发生的初始阶段。土壤团聚体破碎是降雨溅蚀发生的关键一步[2]。在影响溅蚀过程的诸多因素中，团聚体稳定性被认为是影响降雨溅蚀最主要和最直接的因子。本研究中，溅蚀量随体系电解质浓度的变化趋势与团聚体稳定性随浓度的变化趋势相反。即随本体溶液电解质浓度减小，团聚体稳定性迅速降低，溅蚀量急剧增大；当浓度低于10-2mol/L，团聚体稳定性和溅蚀量无明显变化（图4，图6）。溅蚀量随电解质浓度变化趋势和电场强度随浓度变化趋势一致，即土粒表面电场越强，溅蚀量越大，说明土粒表面电场是影响溅蚀的重要因素。这与Li 等[20]对紫色土侵蚀量的研究相似，发现土壤侵蚀量随电场的增强而增大。通过对电场作用下溅蚀量和团聚体稳定性的回归分析，我们发现二者呈显著负线性关系（图7）。进一步对溅蚀量与团聚体破碎释放的小粒径组分进行相关分析，两种土壤溅蚀量与＜0.15 mm 微团聚体相关系数最大（表3），表明溅蚀随团聚体破碎程度的增大而增强。这与付玉等[38]的研究结果一致。土壤颗粒表面电场越强，团聚体稳定性越差，其破碎程度越大，释放的小粒径组分（＜0.15 mm）越多，土壤溅蚀量就越大；而在弱电场作用下，团聚体稳定性强，溅蚀量急剧降低。这说明土壤颗粒表面电场将会通过改变团聚体的破碎程度进而对溅蚀过程产生重要影响。

在降雨溅蚀过程中，人们普遍认为雨滴撞击力不仅能使土壤颗粒发生迁移还能直接破碎团聚体，是引发降雨溅蚀的直接因素[2,39]。然而，雨滴打击力作为宏观作用力能够使细颗粒物质发生跃迁，但并不能直接击碎土壤团聚体。已有研究表明[40]，雨滴打击力其大小仅有1～3个大气压，而土壤颗粒间分子引力可达上千个大气压，显然，雨滴打击力并不能直接使团聚体破碎。通过前述的分析可知，降雨过程中土壤团聚体破碎主要是土粒表面电场所引起的，土粒表面电场通过影响团聚体的破碎程度进而对溅蚀过程产生重要影响。该过程中，当团聚体破碎后，雨滴打击力则主要使土壤细颗粒发生迁移而形成溅蚀。