离子界面行为在土壤有机无机复合体形成中的作用

土壤有机物质与土壤矿物质表面之间的相互作用普遍存在,有关土壤有机无机复合体形成理论的研究倍受关注,土壤有机质与矿物质结合的紧密程度直接关系到土壤碳库的稳定性,在环境科学与农业资源利用领域有重要意义。但关于土壤有机无机复合体形成机制还不完善,土壤宏观、介观及微观各尺度间的作用机制未能衔接。本文综述了土壤有机无机复合胶体的形成(形成学说、作用机制与影响因子)及此过程中离子的界面行为;系统地梳理了离子在土壤有机无机复合体形成中的作用机制;回顾了土壤有机无机组分相互作用的研究方法;最后强调了离子特异性效应在土壤有机无机复合体形成中的作用,特别是化合价相同的不同离子对土壤系统的性质与过程具有不同的影响。即离子电子层数和外层电子排布的微小差异在土壤表面附近的强电场中被放大,通过极化作用提高离子的有效电荷,增强离子所受的库仑作用力。离子的有效电荷数可以定量表征该土壤胶体复合过程中界面上离子作用的强弱程度。结论不断完善土壤有机无机复合体形成理论,为土壤培肥和污染土壤修复提供理论依据,对促进土壤有机无机复合体环境化学和微粒污染物迁移动力学的研究具有重要的科学意义与实践意义。

三峡库区典型消落区土壤氮磷的动态变化特征

在三峡库区干流段忠县石宝寨与支流段汝溪河涂井设置固定采样点,研究1年内不同月份、不同高程出露表层土壤氮、磷含量随水位变化特征.结果表明,干流石宝寨点(未淹区/消落区)土壤中全氮、全磷年均含量分别为(0.68/0.74)、(0.56/0.54)g·kg-1,而支流涂井点为(0.67/0.80)、(0.52/0.65)g·kg-1,其中,干支流采样点消落区全氮含量在7月累积量最明显,全磷含量在9月最高;相应干流采样点的速效氮、速效磷年均含量分别为(39.81/40.42)、(11.75/14.22)mg·kg-1,而支流采样点为(35.63/48.89)、(6.72/7.68)mg·kg-1,其中,干支流采样点消落区速效氮含量在9月累积量最明显,速效磷含量在7月最高,与相应全量特征不同.可见,消落区土壤氮磷全量高,其相应速效态含量未必高.较于未淹区,干流石宝寨与支流涂井消落区土壤氮磷含量在落干期间均表现出一定的积累,且涂井点的累积量明显高于石宝寨点,待水位上涨时,汝溪河的潜在富营养化风险更大.

有机质对三峡库区水体中土壤胶体颗粒凝聚影响机制研究

采用联合测定法和光散射技术分别研究了有机质对土壤颗粒表面电荷性质和水体中胶体颗粒凝聚过程的影响。结果表明:添加有机质能显著改变土壤表面电荷性质,使得土壤颗粒表面电荷数量降低6.8%,比表面积增加12.3%,使颗粒表面电荷密度减小,表面电位降低;进一步理论计算表明添加有机质降低了胶体颗粒间的静电排斥力,使得净引力增大,胶体颗粒更易发生凝聚。通过动态光散射分析水体中土壤胶体颗粒的凝聚特征,发现有机质去除前后的临界聚沉浓度(CCC)分别为91.6 mmol/L和139.3mmol/L,去除有机质土壤显著大于未去除有机质的土壤,相应浓度下的临界电位值计算结果均为-150mV左右,与颗粒间出现净引力的临界浓度值基本一致。有机质对水体中胶体颗粒凝聚特性的影响主要是通过改变颗粒表面性质使得颗粒间的相互作用发生变化而引起。

动态光散射技术测定土壤/粘土胶体的Hamaker常数

根据DLVO理论,带电胶体颗粒相互作用是范德华引力和静电斥力共同作用的结果.Hamaker常数是表征范德华引力的一个关键参数,因此获得胶体的Hamaker常数是定量表征颗粒相互作用力的一个重要基础.本研究提出了基于动态光散射技术测定土壤胶体Hamaker常数的新方法.并以蒙脱石、紫色土和黄壤胶体为实验材料,成功实现了其Hamaker常数的测定.测定结果表明:蒙脱石胶体的Hamaker常数A_(eff)=6.5×10^(-20)J,紫色土胶体的Hamaker常数A_(eff)=7.5×10^(-20) J,黄壤胶体的Hamaker常数A_(eff)=5.3×10^(-19) J.虽然理论上用动态光散射技术测定胶体的Hamaker常数应该具有一定优势.但是,由于目前没有测定Hamaker常数的标准方法,本法的精读验证难以实现.所以,采用动态光散射技术测定物质Hamaker常数,其可靠性还需要更多的研究进行确认.

基础土壤学研究的方法论思考：基于土壤化学的视角

长期以来,不少人片面地认为,土壤学在学科属性上仅是应用型的,在研究手段上仅是实验型的,在研究方法上必须是整体综合的。本文系统地分析了这些片面认识对土壤学发展的危害,提出土壤学发展应特别强调"分析"的方法,并在深入分析的基础上实现自然而系统的综合。阐述了土壤学研究的三个基本观点:一是充分认识土壤系统的特殊性根基在于其对物质亚原子结构的重大影响。与普通水溶液中的情况相比,土壤中的离子、原子和分子在本质上已发生了很大变化。所以,如果土壤确实从亚原子尺度上改变了物质的结构与性质,开展土壤学中独特的量子效应研究将是重要的。其次,充分考虑土壤系统的特殊性,在方法上应从宏观尺度、介观尺度、分子尺度至亚原子尺度对土壤进行逐级分解简化,并借助于量子力学原理和方法,最终,在亚原子尺度上彻底剖析土壤,以获得土壤学自己的科学基础。第三,以土壤中独特的量子效应为基础的研究,可构建"亚原子结构—土壤微观机制—宏观效应"三者间的直接关联,由此实现土壤中不同尺度间科学原理的自然转换,最终构建独立的土壤学知识体系。

基于非并行布朗运动的土壤胶体分形凝聚模拟算法改进

耗时长是目前进行大规模体系分形凝聚模拟的主要障碍。该文采用优化存储结构来降低时间复杂度的思路,对传统On-lattice集团凝聚模型算法进行了改进。用三维数组表征模拟体系,用链表表征团簇结构,实现了在体系中直接访问任意团簇,以及确定组成团簇单粒在三维数组中对应数组元素具体位置的新方法。论文基于新的存储结构重新设计了集团凝聚模型中布朗运动、碰撞检测和凝聚的算法,使得模拟算法的总时间复杂度从立方阶变为了线性阶。该改进算法为研究人员进行大规模体系分形凝聚模拟提供了技术支撑。

紫色土吸附Cu^(2+)、Zn^(2+)对水体中土壤颗粒凝聚沉降的影响

研究中性紫色土表面吸附Cu^(2+)、Zn^(2+)后对其在水体中凝聚沉降的影响,为重金属离子释放对三峡库区水-土界面生态系统造成的风险提供数据参考。2014年10月,采集西南大学桑园的中性紫色土表层土壤,以Cu-(NO_3)_2和Zn(NO_3)_2配制重金属离子,进行Cu^(2+)和Zn^(2+)对中性紫色土凝聚沉降实验、测定中性紫色土颗粒吸附Cu^(2+)和Zn^(2+)后zeta电位值。研究结果表明:(1)中性紫色土吸附Cu^(2+)、Zn^(2+)后水体中土壤颗粒含量随时间不断减小,并且呈先快速后缓慢减小的规律,在不同浓度条件下土壤颗粒含量变化规律表现差异较大,其临界浓度分别为0.3~0.5和0.5~0.7 mmol/L。(2)水体中中性紫色土颗粒平均沉降速率均随Cu^(2+)、Zn^(2+)浓度升高而增大,分别从1.01 cm/min增加到2.92和2.58 cm/min,表现为Cu^(2+)>Zn^(2+);过程分为3个阶段:缓慢增加,快速增加和基本不变,平均沉降速率随浓度变化临界范围分别为0.3~0.5和0.5~0.7 mmol/L。(3)水体中中性紫色土颗粒zeta电位绝对值随Cu^(2+)、Zn^(2+)浓度升高而变小,同时表现为Ca^(2+)>Zn^(2+)>Cu^(2+),土壤颗粒吸附Ca^(2+)、Cu^(2+)和Zn^(2+)后zeta电位绝对值随浓度变化临界浓度范围分别为0.8、0.3~0.5和0.5~0.7 mmol/L。重金属离子吸附在中性紫色土表面减小zeta电位值和静电斥力,加速土壤颗粒凝聚沉降过程。

土壤因子对绿僵菌生命活动的影响研究进展

绿僵菌是一种重要的昆虫病原真菌,它广泛分布于世界各地的土壤之中,在调节和控制土壤中有害昆虫方面发挥着重要作用。但在农业实际应用过程中,绿僵菌杀虫剂的施用效果很不稳定,原因之一是受到了土壤因子对其生命活动的影响。从土壤温度和水分、土壤pH、土壤微生物和土壤质地4个方面归纳总结了土壤因子对绿僵菌生命活动影响的研究进展,并对土壤因子影响绿僵菌生命活动的新研究方向进行了初步讨论,以期为进一步研究土壤因子影响绿僵菌生命活动的作用机理及绿僵菌在实际生物防控地下害虫领域的广泛和高效应用研究提供理论参考。

金属离子界面反应对粘粒水流迁移强度的影响

土壤颗粒随水迁移常引发水土流失、农田面源污染等一系列环境问题的发生,且雨滴打击等外部作用被普遍认为是降水引发土粒迁移的主导作用,但土粒迁移的内在作用机制仍不十分清楚.本研究从一个新的角度探讨离子界面反应产生的粘粒间的内在作用力对粘粒水迁移的影响.为了能够准确计算粘粒间的作用力强度,以纯的蒙脱石粘土团聚体为材料,用Na^+和K^+两种一价阳离子来表征界面反应特征的差异.结果表明:1)Na^+体系中粘土颗粒迁移强度远远大于同浓度下的K^+体系;2)K^+体系下的电场强度远低于同浓度下的Na^+体系,相应地,Na^+体系中粘粒间静电排斥力远强于K^+体系;3)蒙脱石团聚体内部的静电场强度越强,颗粒间的静电排斥压越高,粘粒水迁移强度就越大.研究发现,团聚体中的电场强度主要通过颗粒间的静电排斥力影响粘粒水迁移,但在低电解质浓度下,这个电场还可能通过对水合斥力的影响来影响粘粒的水流迁移强度.本研究提出了在流水运动的外力作用下,引发粘粒迁移的内因驱动力:粘土团聚体中静电场产生的静电效应.由于本研究只考虑了流水的作用而没有考虑雨滴撞击力作用,所以本文并未否定雨滴击打对土壤迁移的重要作用.

土壤电场和机械组成对土壤磷迁移的影响

土壤磷随水迁移是土壤侵蚀和农田面源污染发生的重要因素之一。本研究通过电解质浓度和类型(Na^(+)和K^(+))调节土壤电场,通过加入直径为2~3 mm的石英砂颗粒来调节土壤的机械组成,探究土壤电场和机械组成对土壤磷迁移的影响。结果表明:1)土壤磷迁移主要以颗粒态磷为主,例如,在浓度为0.01 mol·L^(-1)的Na^(+)体系中,颗粒态磷迁移量是溶解态磷迁移量的31倍;2)与Na^(+)相比,K^(+)能显著降低土壤电场,减少土壤颗粒态磷而增加溶解态磷的迁移;3)土壤颗粒态磷和溶解态磷的迁移量均随电解质浓度增加而降低,电解质浓度增加降低土壤电场强度和作用力程,土壤团聚体稳定性增强,从而有利于土壤磷的保持;4)添加石英砂后改变了土壤机械组成,能够显著改变土壤磷的迁移规律,且与离子类型有关;5)土壤电场和机械组成共同作用控制着土壤磷的迁移。本研究可为土壤磷迁移以及农田面源污染防控提供一定理论参考。

利用基于Gouy-Chapman模型的离子有效电荷定量表征离子特异性效应

离子特异性效应在固-液界面反应中是普遍存在的.近期研究指出,在较低电解质浓度的某些体系中,离子特异性效应可能并非来源于色散力、经典诱导力、离子半径或水合半径的大小等,而是界面附近强电场中的离子极化作用.这种作用可使界面附近的吸附态反号离子被强烈极化(高达经典极化的104倍).强烈极化的结果将导致离子在界面附近受到的库仑力远远超过离子电荷所能产生的库仑力,这体现在离子的有效电荷将远大于离子的实际电荷.因此胶体体系中基于这种强极化的离子有效电荷可以用来定量表征离子特异性效应的强度.本研究在蒙脱石-胡敏酸混合悬液凝聚过程中发现了Na+、K+、Ca2+、Cu2+四种离子的离子特异性效应,提出了基于激光散射技术测定离子有效电荷的方法,并成功获得了被强烈极化后的离子有效电荷数值.实验测得的Na+、K+、Ca2+、Cu2+四种离子的有效电荷值分别为:ZNa(effective)=1.46,ZK(effective)=1.86,ZCa(effective)=3.92,ZCu(effective)=6.48.该结果表明:(1)离子在强电场中的极化将大大提高离子的有效电荷,从而极大地增强离子所受的库仑作用力;(2)离子的电子层数越多,离子极化越强烈,离子的有效电荷增加越多.

pH和三种阴离子对紫色土亚硒酸盐吸附-解吸的影响

p H和三种竞争性阴离子对紫色土亚硒酸盐吸附-解吸的影响的研究结果表明,随着p H的增大,紫色土对亚硒酸盐的吸附量减少,酸性条件下紫色土对亚硒酸盐吸附量最大。平衡液中加入磷酸氢二钠显著降低了土壤对亚硒酸盐的吸附,硫酸盐对紫色土吸附亚硒酸盐的影响很小,低浓度碳酸氢根离子对紫色土吸附亚硒酸盐具有促进作用,但高浓度的碳酸氢根离子则降低了紫色土吸附亚硒酸盐。磷酸氢根离子和硫酸根离子对亚硒酸盐吸附的影响符合Langmuir和Freundlich拟合方程式,决定系数R2值均在0.90以上。三种阴离子对亚硒酸盐的解吸影响不同,当有磷酸氢根离子和碳酸氢根离子存在时,亚硒酸盐的解吸率增大,而硫酸根离子的存在却对紫色土亚硒酸盐的解吸影响不大。在紫色土地区农业生产中采用含磷酸盐肥料和碱性碳酸氢铵肥料,这些措施可能增加土壤硒的有效性,进而增加植物硒吸收和积累。认识紫色土固液界面硒的吸附-解吸规律,可为提高紫色土地区硒生物有效性,从而进一步提高农产品中硒含量提供科学依据。

钙抑制植物病害作用及机制的研究进展

钙不仅是植物生长必需的营养元素,在植物的生长发育中发挥着重要作用。研究发现,钙可减少和降低植物病害的发生。总结了钙抑制植物病害发生的作用机制:参与组织结构的形成,增强植物细胞稳定性和抗病能力;诱导植物产生防卫反应,增强植物抗病能力;调节植物的抗氧化系统,提高植物的抗病性;抑制病原菌的生长;与生防菌协同控制植物病害的发生等。最后,还探讨了矿质元素防治植物病害可能存在的问题以及应用前景,以期为进一步的研究提供参考。

外加碳源影响水体异养反硝化脱氮的研究进展

近年来,水体硝酸盐污染受到世界范围内的广泛关注,从去除硝酸盐污染和降低脱氮成本两个方面考虑,生物反硝化法是比较经济、实用的方法。目前,反硝化过程主要是通过异养反硝化作用实现,碳源作为反硝化过程的电子供体,是影响反硝化过程的主要因素,当污水中碳氮比偏低时,需要考虑添加额外碳源提高异养反硝化作用速率,保证反硝化过程的正常进行。针对现有问题综述常用的几种主要外加碳源以及它们对反硝化作用的影响,为今后寻找到更加经济、有效的外加碳源提供参考。

水稻品种间吸收和转运硒特性差异机制研究

采用溶液培养试验比较了富硒水稻与非富硒水稻对硒的吸收和运输特征,期望揭示富硒水稻秀水48和非富硒水稻丙9652籽粒硒累积差异部分生理机制。结果表明,两品种水稻根部对硒吸收的Km值差异不大,但富硒水稻秀水48的Vmax是非富硒水稻的1.57倍,两品种水稻根系对硒的共质体吸收皆受载体调控。硒吸收时间动力学试验证实秀水48茎中硒的浓度和含量在各个处理时间段均要高于丙9652,富硒水稻秀水48的木质部汁液中硒的浓度大约是非富硒水稻丙9652的2倍,在相等蒸腾速率的条件下,秀水48地上部硒含量显著高于丙9652,说明两品种水稻向地上部转运硒的能力差异显著,秀水48更易将根中的硒转运到地上部,高效的转运体系是富硒品种地上部硒含量高的关键所在。富硒水稻具备很强的向地上部转运硒的能力,部分原因在于其根部木质部对硒的装载能力较强。

藻类在水体脱氮除磷中的作用及其资源化利用

目前,由于江河湖泊水体内氮磷等营养物质过量,我国水体污染,江河富营养化现象严重。藻类是一种新型可被用来高效去除水体中氮磷等营养物质的水生生物。从20世纪起,国内外在微藻去除水体中营养物质方面做了大量研究。文章从微藻去除水体氮磷营养物质的能力、影响因素及藻类资源利用等方面进行综述。

外源维生素浸种对甜玉米种子萌发和幼苗生长的影响

【目的】明确不同外源维生素对甜玉米种子萌发及幼苗生长的影响,探讨提高甜玉米种子萌发率及培育壮苗的方法，为生产中选用维生素浸种提供参考。【方法】以储存1年以上的甜玉米品种“中甜1号”为试验材料，用不同质量浓度（10，50，100，200 mg/L）的VB1、VB2、VB6、VB12、VPP、VM和VC在25 ℃条件下浸种24 h后播种，研究甜玉米种子萌发期和幼苗期对VB1、VB2、VB6、VB12、VPP、VM和VC处理的生理响应。【结果】除维生素B6（VB6）外，VB1、VB2、VB12、VPP、VM和VC处理都有一个或者几个质量浓度浸种处理对甜玉米种子的萌发和幼苗生长表现出不同程度的促进作用，其中以50～100 mg/L VC、VPP处理效果较好，显著提高了甜玉米种子萌发率和幼苗苗高、根长、根冠比及根系活力，幼苗质量高。VC浸种可以显著提高甜玉米幼苗的超氧化物岐化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性，降低MDA的含量。【结论】外源VC和VPP可以作为研制甜玉米种子处理剂的材料。

扩散模型和凝聚模型耦合作用下胶体凝聚动力学的Monte Carlo模拟研究

以扩散模型(Ds(γ)=D0×sγ)和凝聚模型(Pij(σ)=P0×(i×j)σ)为基础,对胶体体系随时间的演变、团簇大小分布及其标度关系、团簇的重均大小S(t)的变化规律以及模型对最终分形维数的影响四个角度进行了比较研究,发现扩散指数γ<0和凝聚概率指数σ>0对胶体的凝聚动力学过程有相似的影响.本文在较宽的γ和σ取值范围内,对胶体的凝聚动力学进行了模拟研究,对慢速凝聚向快速凝聚的转化机理作了定量分析,并进一步分析了在团簇-团簇凝聚(CCA)模型下,得到类似扩散置限凝聚(DLA)模型的凝聚体的物理意义,结果表明:(1)γ>>0代表了体系中团簇或单粒做"定向运动"而非无规则的布朗运动的情况.这种"定向运动"的推动力可能来自于大团簇产生的强"长程范德华力"、"电场力"等,或来自于体系边界处的外力场的作用.(2)当σ<<0时,体系成为先快后慢的慢速凝聚,这可能对应大团簇为一排斥中心,即胶体颗粒存在"排斥力场"的现象.(3)证实了团簇的重均大小在凝聚过程的早期按指数规律增长,而后期按幂函数规律增长的实验现象.模拟研究还表明,胶体体系的凝聚动力学过程,在σ>0时是一个存在正反馈机制的非线性动力学过程,而在σ<0时则体现出负反馈的特征.

不同阴离子对负电荷胶体(蒙脱石)凝聚的影响

离子特异性效应在固/液界面反应中普遍存在.土壤溶液中包含众多阴离子和阳离子,由于土壤带净负电荷,其中阴离子对土壤颗粒凝聚的影响被认为很微弱甚至在很多情况下被忽略.以蒙脱石胶体悬液为研究对象,基于动态光散射技术测定了几种不同的一价阴离子(H_2PO_4^-,Cl^-和NO_3^-)对蒙脱石胶体凝聚的影响.研究结果表明,H_2PO_4^-,Cl^-和NO_3^-体系下的凝聚速率显著不同,临界聚沉浓度分别为79.29,13.91,17.07mmol/L,活化能表征的离子特异性效应序列由大到小为H_2PO_4^-,NO_3^-,Cl^-,这意味着阴离子特异性效应会显著影响带负电荷胶体的凝聚.上述差异主要是由几种阴离子核外电子云结构的差异带来的极化效应不同引发的.

三峡库区消落带沉积物中汞的赋存形态及生物可利用性研究

在三峡库区4个典型区域消落带分时段采集了3种不同类型的沉积物样品36个,对沉积物样品中汞的赋存形态及生物可利用性进行了研究.结果表明,三峡库区消落带汞的污染程度较轻,沉积物中汞甲基化的速率和程度处于较低的水平.7月份和9月份采集的库区消落带沉积物甲基汞(MeHg)的含量分别为0.128±0.028ng/g和0.031±0.027ng/g.7月份MeHg∶THg的值为0.296±0.154%,9月份MeHg∶THg的值为0.069±0.081%,两者相差近3倍.不同类型沉积物MeHg∶THg的值也存在差异,大小顺序总体表现为淹水沉积物,半淹水沉积物和落干沉积物.7月份库区消落带沉积物中汞的赋存形态依次为强络合态(46.99%)、硫化物结合态(36.28%)、有机及其他络合态(9.57%)、水溶态(4.49%)、胃酸溶态(2.67%).强络合态是7月份库区消落带沉积物中汞主要的赋存形态.9月份库区消落带沉积物中汞的赋存形态依次为硫化物结合态(46.47%)、强络合态(34.73%)、有机及其他络合态(14.18%)、胃酸溶态(2.40%)、水溶态(2.21%).硫化物结合态是9月份库区消落带沉积物中汞主要的赋存形态.