典型黄土团聚体稳定性的内力作用机制

Loess Plateau of China are still suffering from soil erosion and deterioration of ecological environment. Soil aggregates breakdown is a key step of soil erosion. Currently, the external forces, e.g. rain drop impact force, shear strength of flowing water, are believed to be the main factors that induce soil aggregates breakdown. However, recent studies about soil colloidal particles interaction indicate that the electrostatic force, van der Waals force and the surface hydration force among soil colloids may be the internal factors that control soil aggregate stability. Therefore, in this project, modern analytical techniques combined with the theory of soil interfacial chemistry will be applied on typical eroded loess soils. By measuring the surface electrochemical properties and calculating the internal interaction forces of soil colloids at the mecroscale, and further testing aggregate stability at the macroscale, the relationship between soil internal forces and aggregate stability will be established. Specifically, the critical parameters of aggregate breakdown caused by soil internal forces will be obtained; and the effects of soil internal forces on aggregate structure will be evaluated. Finally, the mechanisms of loess aggregate stability based on particles interaction at the mesoscale will be uncovered. The findings obtained from this project will provide critical theoretical supports for establishing a new “internal controlling method” to reduce soil erosion in Loess Plateau of China.

黄土高原土壤侵蚀和生态环境安全仍面临严峻挑战。土壤团聚体破碎是土壤侵蚀发生的关键一步。目前，人们普遍认为降水引发团聚体的破碎主要依靠雨滴打击，流水剪切等外力作用。然而，新近关于土壤胶体颗粒间相互作用的一些研究表明，胶体颗粒间的静电斥力，长程分子引力和水合斥力可能是影响团聚体稳定的内在动力因素。因此，本研究以典型侵蚀性黄绵土为研究对象，采用现代分析技术和土壤界面化学理论相结合的方法，通过分析微观尺度土粒表面电化学性质特征，定量描述介观尺度下土壤胶体颗粒间相互作用，明确土壤内力作用下团聚体破碎时的各临界参数，建立土壤内力作用与团聚体稳定性之间的关系，探明土壤颗粒间内力作用对团聚体结构特征的影响，最终揭示基于介观尺度颗粒间内力作用的典型黄土团聚体稳定性机制。研究结果拟为建立黄土高原土壤侵蚀发生的“内部控制”新技术提供理论支撑。

黄土高原土壤侵蚀和生态环境安全仍面临严峻挑战。土壤团聚体破碎是土壤侵蚀发生的关键一步。目前，人们普遍认为降水引发团聚体的破碎主要依靠雨滴打击，流水剪切等外力作用。然而，新近关于土壤胶体颗粒间相互作用的一些研究表明，胶体颗粒间的静电斥力，长程分子引力和水合斥力可能是影响团聚体稳定的内在动力因素。因此，本研究以典型侵蚀性黄绵土为研究对象，通过分析微观尺度土粒表面电化学性质特征，定量描述介观尺度下土壤胶体颗粒间相互作用，明确土壤内力作用下团聚体破碎时的各临界参数，建立土壤内力作用与团聚体稳定性之间的关系，探明土壤颗粒间内力作用对团聚体结构特征的影响，揭示基于介观尺度颗粒间内力作用的典型黄土团聚体稳定性机制。取得的主要结果包括：定量获取了不同环境条件下典型黄土颗粒间内力作用大小及分布。研究表明，土粒间的内力作用可达数百到上千个大气压，该作用力远大于消散作用和雨滴打击力等外力作用。建立了土壤内力作用与团聚体稳定性之间的定量关系，获取了团聚体破碎时的临界浓度和临界电位值，发现随本体溶液电解质浓度的降低，土壤净内力作用和团聚体破碎强度均表现为先急剧增大而后保持相对稳定的趋势。构建了区分土壤内力和外力作用的研究方法，发现内力作用在降雨引发团聚体破碎过程中占主导地位。综合上述所有结果，初步提出了降雨引发土壤团聚体破碎与分离的可能新机制，即当雨水进入土壤后，土壤本体溶液电解质浓度被稀释，土壤颗粒表面电场迅速增强，土粒间静电排斥压和水合排斥压急剧增大，进而导致团聚体发生爆裂式破碎并释放出大量细颗粒物质；继而在雨滴撞击作用下细土粒发生宏观上的迁移。研究结果进一步加深了现有关于团聚体水稳定性机制的认知，为黄土高原地区良好土壤结构培育和减少土壤侵蚀提供一定的理论支撑。