吸附水对矿质土壤固体比热的影响机理

吸附水是土壤水的重要组成部分，其含量和特性直接决定着土壤的表面吸附作用、热特性、介电特性等，但目前国内外对于土壤表面吸附水的含量、结构和特性仍缺乏足够的了解，尤其是对于吸附水的比热及其对土壤固体比热的影响研究甚少。本项目以不同质地矿质土壤为研究对象，采用热重分析技术和差示扫描量热技术，结合理论分析，探讨土壤吸附水比热随土壤质地、温度和土壤含水量的变化特征，评估吸附水含量和比热对土壤固体比热的影响规律。在此基础上，改进土壤热容量与含水量的线性关系模型并予以验证。本项目有助于深入认识吸附水的结构及性质，为研究和预测土壤水热耦合传输、吸附/解吸附过程，以及提高热脉冲技术测定土壤含水量的准确性和精度提供理论基础。

吸附水是土壤水的重要组成部分，我们前期的实验已经证实了常规105 ℃烘干土壤中紧密吸附水的存在，但是它与自由水的性质差异对于土壤比热性质的影响，以及对于热脉冲技术测定土壤含水量的影响，目前的研究仍然不清楚。本项目以9种不同质地土壤为研究对象，利用热重分析技术（thermogravimetry, TG）和差示扫描量热技术（differential scanning calorimetry, DSC）测定了矿质土壤的比热cm，常规烘干土壤的固体比热cs，同时为了分析紧密吸附水（tightly bound water）和有机质（organic matter）对土壤固体比热的影响，测定了去有机质样品在105 ℃烘干后的比热值cm-tbw和含有机质样品在200 ℃烘干后的比热值cm-OM。另外，项目利用比热的线性可加模型及热脉冲技术估测了土壤固体比热，用于分析紧密吸附水对热脉冲技术测定土壤含水量的影响。结果表明，供试土壤在20oC下cm的平均值为0.736 MJ Mg-1 K-1，它与土壤的比表面积和粘粒含量均呈现相关性，但是与比表面积的相关性更高；cs的平均值是0.750 MJ Mg-1 K-1，其中矿物质、有机质和紧密吸附水的贡献分别为95%，3%和2%左右，但是约有30%的紧密吸附水是吸附在有机质表面的；紧密吸附水对土壤固体比热的贡献会影响热脉冲技术测定土壤含水量的准确性，但它并不是测定误差的主要来源；热脉冲方法测定土壤含水量的误差属于系统误差，采用热脉冲技术实测的土壤cs值能够有效降低其含水量测定的误差。在本项目中，我们利用露点水势仪法，通过测定相对干燥条件下土壤水分含量与其能量状态的关系，估测样品的比表面积。结果表明，使用Hamaker常数的经验值-6 x 10-20 J 代入露点水势仪法估算的供试土壤的比表面积，与传统的乙二醇乙醚法的测定结果具有很好的相关性，且露点水势仪法具有操作简便、测定快速、省时省力的优点。