土壤颗粒表面电场对铵传输与硝化的影响

作     者：张芹 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李航

授予年度：2008年

学科分类：0907[农学-林学] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 09[农学] 

主      题：表面电场 表面电位 双电层 扩散传输 硝化 

摘      要：施用氮肥对提高作物产量、改善作物品质具有重要的作用。随着农业的快速发展,对氮肥的需求必然越来越多。但氮肥利用率普遍较低,造成了肥料资源的巨大损失。导致氮肥利用率低的根本原因:一是部分水溶态铵离子随水流失进入水体:二是一部分吸附态铵离子将随胶体颗粒的流失进入水体;第三是相当部分铵离子发生硝化作用形成硝态氮随载体以地表径流和地下径流的方式进入水体,由此引发地下水和江、河等水体的氮污染。由于NH4带正电荷,土壤的强大负电场将大大降低铵离子的活度,从而在理论上可以阻止其随水移动及向硝酸根的转化。然而土壤电场的这种“阻止效应到底有多大,至今没有进行过定量的、系统的研究。目前,随着固体颗粒表面位和电场强度的测定方法的建立,使我们对此进行系统的定量的研究成为了可能。 首先,本文采用流恒法对中性紫色土、中性紫色土+5%蒙脱石和中性紫色土+10%蒙脱石三种土样的表面电荷总量、表面电位、表面电荷密度、表面电场强度以及比表面积进行了测定和计算,并进行比较分析;最后,采用流恒法研究铵离子在不同表面电场(中性紫色土、中性紫色土+5%蒙脱石和中性紫色土+10%蒙脱石)和双电层离子构成(K,Mg)下的扩散传输过程,分析土壤表面电场和双电层离子对铵离子扩散传输及其速率的影响情况;研究铵离子在不同表面电场(中性紫色土、中性紫色土+5%蒙脱石和中性紫色土+10%蒙脱石)和双电层离子构成(K,Mg)下的硝化情况,分析土壤表面电场和双电层离子对铵离子硝化过程及其速率的影响。研究结果表明: (1)采用恒流法测得在1.09×10mol.m的NHCl电解质中,中性紫色土、中性紫色土+5%蒙脱石和中性紫色土+10%蒙脱石这三种样品的表面电位分别约为-0.31V、-0.33V、-0.36V;表面电荷密度分别为0.26C m、0.39C m、0,69C m;表面电场强度分别为-1.2×108V/m、-1.77×108V/m、-3.17×108V/m。加入蒙脱石后,中性紫色土的表面电位、表面电荷密度、表面电场强度等均增加,且加入蒙脱石的量越多,其增加量越多。 (2)沿电势降低方向传输(吸附过程)中,铵离子在中性紫色土、中性紫色土+5%蒙脱石和中性紫色土+lO%蒙脱石这三种样品中扩散的动力学分析发现,铵离子扩散的负一级动力学表现不出来,且不存在零级动力学过程。在一级动力学中:NH在中性紫色土+10%蒙脱石土样中的吸附量最大,扩散速率最快;在中性紫色土中吸附量最小,扩散速率最慢。NH在K饱和体系中的随时间变化的瞬时吸附量大于在Mg饱和样中的瞬时吸附量,在K饱和样中的扩散速率大于Mg饱和样中的扩散速率。从这可以看出,土壤表面电场及双电层离子构成影响铵离子沿电势降低方向的扩散传输,且电场强度越强,沿电势降低方向的扩散(吸附)速率越快。 (3)沿电势升高方向传输(解吸过程)中,铵离子在中性紫色土、中性紫色土+5%蒙脱石和中性紫色土+10%蒙脱石这三种样品中扩散的动力学分析发现,在这三种不同表面电位的土样中,NH在中性紫色土+10%蒙脱石土样中的解吸量最小,扩散速率最慢;在中性紫色土中的解吸量最大,扩散速率最快。NH在MgCl2体系中的释放量大于在KCl体系中的释放量,NH在MgCl体系的扩散速率大于在KCl体系中的扩散速率。从这可以看出,土壤表面电场及双电层离子构成影响铵离子沿电势升高方向扩散传输,且电场强度越强,沿电势升高方向的扩散(解吸)速率越慢。 (4)铵离子在中性紫色土、中性紫色土+5%蒙脱石和中性紫色土+10%蒙脱石这三种样品中硝化情况为:在初期阶段,中性紫色土中总硝态氮量最大,铵离子的平均硝化速率最快;中性紫色土+10%蒙脱石中,总硝态氮量最小,铵离子的平均硝化速率慢。KCl电解质体系中的硝态氮含量比在MgCl电解质体系中的低,且铵离子的平均硝化速率比MgCl电解质体系中的低。但是,该研究表明,不同表面电场和电解质类型下,土壤的硝态氮总量大约十天后趋于一致。土壤表面电场及双电层离子构成影响初期阶段铵离子的硝化及速率。