土壤膠體顆粒相互作用的光散射研究.pdf

1、土壤中的無機(jī)、有機(jī)和微生物膠體，是土壤中最活躍的部分，也是土壤具有肥力和生態(tài)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。其大小主要集中于幾十到幾百個(gè)納米的介觀尺度范圍內(nèi)，具有特殊的界面尺度效應(yīng)。土壤中各種有機(jī)、無機(jī)和微生物膠體的相互作用深刻地影響到土壤中絕大多數(shù)微觀過程和宏觀現(xiàn)象的發(fā)生。然而由于測(cè)試手段的限制，目前對(duì)介觀尺度土壤膠體顆粒之間相互作用的微觀效應(yīng)研究還未引起足夠的重視。本文從散射角和懸液顆粒密度兩個(gè)方面討論了光散射技術(shù)在多組分、多分散性土壤膠體研究中的

2、應(yīng)用條件，探討了不同pH和電解質(zhì)類型與濃度下土壤中無機(jī)膠體和有機(jī)膠體的凝聚動(dòng)力學(xué)機(jī)制及形成的凝聚體結(jié)構(gòu)特征，初步得出以下結(jié)論：
　　 (1)光散射技術(shù)仍然可以應(yīng)用于多組分、多分散性的土壤膠體顆粒的粒徑分布、土壤膠體顆粒的凝聚動(dòng)力學(xué)和凝聚體結(jié)構(gòu)特征的研究中。本研究提出的最佳測(cè)定條件為：膠體懸液的單體顆粒密度為1.90-119 mg L-1，而可準(zhǔn)確測(cè)定土壤膠體顆粒凝聚動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)光散射角度范圍為90°-135°，而以90°為最好。

3、在自相關(guān)函數(shù)曲線能夠平滑地衰減至基線且散射光強(qiáng)保持不變的條件下，動(dòng)態(tài)光散射能夠準(zhǔn)確給出土壤膠體凝聚過程中顆粒(凝聚體)的有效直徑及其分布的變化。通過靜態(tài)光散射技術(shù)連續(xù)測(cè)定不同散射角下顆粒(凝聚體)的散射光強(qiáng)，可以得到凝聚體的散射指數(shù)隨凝聚時(shí)間的變化曲線，進(jìn)而可確定凝聚體的分形維數(shù)。
　　 (2)黃壤和腐殖質(zhì)膠體顆粒的穩(wěn)定性受pH的影響很大。黃壤膠體懸液pH＜6.65時(shí)，膠體顆粒因質(zhì)子的中和作用發(fā)生快速凝聚；pH＞12時(shí)，則在K+

4、的作用下因雙電層壓縮而發(fā)生凝聚。而腐殖質(zhì)膠體懸液只有在體系pH≤2.0時(shí)，由于電荷中和作用發(fā)生等電點(diǎn)附近凝聚。黃壤膠體懸液在pH6.65-12，腐殖質(zhì)膠體懸液在pH2.0以上時(shí)處于動(dòng)力學(xué)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)提取出的黃壤和腐殖質(zhì)膠體顆粒的有效直徑大小均為175±10 nm，集中分布于100-300 nm。
　　 (3)pH8.0的黃壤和不同pH的腐殖質(zhì)膠體懸液在電解質(zhì)作用下的凝聚動(dòng)力學(xué)具有相似的特征，即凝聚過程都包含了RLCA慢速

5、凝聚和DLCA快速凝聚機(jī)制。在RLCA機(jī)制下，隨電解質(zhì)濃度的增加，土壤膠體顆粒的生長(zhǎng)曲線由線性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮绾瘮?shù)增長(zhǎng)，但未出現(xiàn)普適性的指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律；而在DLCA機(jī)制下，顆粒的生長(zhǎng)均呈冪函數(shù)規(guī)律，且不同電解質(zhì)濃度下其顆粒(凝聚體)的生長(zhǎng)曲線幾乎重合在一起。
　　 土壤膠體顆粒的平均凝聚速率隨電解質(zhì)濃度的變化曲線可分為兩段，即低電解質(zhì)濃度下呈線性增大，高電解質(zhì)濃度下在一常數(shù)附近波動(dòng)。這兩段之間有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以用來準(zhǔn)確判定膠體的

6、臨界聚沉濃度和凝聚動(dòng)力學(xué)機(jī)制。在本實(shí)驗(yàn)條件下，pH8.0的黃壤體系中KCl作用下黃壤膠體的臨界聚沉濃度(CFC)為25.4 mmol L-1，而CaCl2作用下的臨界聚沉濃度(CFC)為1.4 mmol L-1，K+作用下黃壤膠體的臨界聚沉濃度約為Ca2+作用下的20倍。CaCl2作用下不同pH的腐殖質(zhì)膠體的CFC值分別為：pH3.0，CFC14.4 mmol L-1；pH5.0，CFC44.0mmol L-1；pH6.5，CFC45.

7、9 mmol L-1；pH8.0，CFC52.7 mmol L-1。隨體系pH值的升高，腐殖質(zhì)膠體的臨界聚沉濃度不斷增大。而KCl作用下pH3.0的腐殖質(zhì)膠體的CFC為427.6mmol L-1，約為Ca2+的30倍，與黃壤膠體體系有顯著差異，表明膠體顆粒的表面電化學(xué)性質(zhì)不同，二價(jià)離子與一價(jià)離子對(duì)膠體的聚沉能力將有所不同。
　　 (4)DLCA機(jī)制下，pH8.0的黃壤膠體凝聚體的分形維數(shù)為1.44±0.02；不同pH的腐殖質(zhì)膠體