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胶结物质去除对（土娄）土纳米颗粒凝聚的影响

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水土保持学报 2024年

作者：闫雨阳张欣然唐尧胡斐南耿增超许晨阳西北农林科技大学西北农业部植物营养与农业环境重点实验室西北农林科技大学资源环境学院西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室中国科学院水利部水土保持研究所

[目的]为探究胶结物质对土壤胶体颗粒凝聚的影响,明确其分别促进土壤团聚体结构形成的微观机理。[方法]采用超声分散结合高速离心法从(土娄)土中提取3种土壤纳米颗粒,分别是(土娄)土提取得到的土壤纳米颗粒(NP-Lou)、去除有机碳(土娄)... 详细信息

[目的]为探究胶结物质对土壤胶体颗粒凝聚的影响,明确其分别促进土壤团聚体结构形成的微观机理。[方法]采用超声分散结合高速离心法从(土娄)土中提取3种土壤纳米颗粒,分别是(土娄)土提取得到的土壤纳米颗粒(NP-Lou)、去除有机碳(土娄)土中的纳米颗粒(NP-OCR)、去除无机碳(土娄)土中的纳米颗粒(NP-ICR)。采用动态光散射仪测定3种(土娄)土纳米颗粒在Na+、Ca2+和La3+体系中的凝聚动力学过程、临界聚沉浓度(CCC)及表面电位值,结合Derjauin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论计算(土娄)土纳米颗粒的Hamaker常数及相互作用能变化。[结果]在相同溶液化学条件下,与NP-Lou相比,NP-OCR和NP-ICR凝聚速率减小,CCC值增大。NP-OCR和NP-ICR的zeta电位绝对值低于NP-Lou,导致纳米颗粒间静电排斥势能降低。DLVO理论计算表明,NP-OCR和NP-ICR的Hamaker常数也低于NP-Lou;即去除无机碳或有机碳后,土壤纳米颗粒的范德华引力也随之降低。合力计算结果表明,去除无机碳或有机碳后土壤纳米颗粒间相互作用的总势能高于NP-Lou,所以CCC值更大。NP-ICR和NP-Lou的CCC差值大于NP-OCR和NP-Lou的CCC之差,因此土壤无机碳对(土娄)土纳米颗粒凝聚的影响更大。[结论]无机碳和有机碳通过增大(土娄)土土粒间相互作用的Hamaker常数来增强吸引势能,这是胶结物质促进土壤团聚体稳定的重要原因。

关键词：有机质碳酸钙颗粒相互作用稳定性

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基于流变学法探究植被恢复下土壤力学稳定性

水土保持学报 2024年

作者：王新宇周琳孟静胡少杰吕银彦许晨阳胡斐南中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室中国科学院大学西北农林科技大学资源环境学院

[目的]为探究黄土高原植被恢复过程中土壤微结构稳定性的演变规律。[方法]选取子午岭林区4个不同植被演替阶段的土壤为研究对象,通过流变学方法振幅扫描测试方式测定不同基质势(0,-3,-10 k Pa)下土壤抗剪切强度参数和黏弹性参数,并分析... 详细信息

[目的]为探究黄土高原植被恢复过程中土壤微结构稳定性的演变规律。[方法]选取子午岭林区4个不同植被演替阶段的土壤为研究对象,通过流变学方法振幅扫描测试方式测定不同基质势(0,-3,-10 k Pa)下土壤抗剪切强度参数和黏弹性参数,并分析其与土壤理化性质之间的关系。[结果](1)土壤抗剪切强度和黏弹性随植被演替阶段的增加而增加,主要是由于植被恢复过程中土壤有机碳、交换性Ca2+、砂粒含量增加和Na+含量下降提高土壤颗粒间的黏附力和摩擦力。(2)土壤抗剪切强度参数随基质势的降低而增加,在低基质势条件下,土壤抗剪切强度参数(G'LVE、τLVE和τmax)与交换性Ca2+、砂粒含量相关性不显著,而在高基质势条件下,土壤抗剪切强度参数与交换性Ca2+呈显著正相关(p<0.05),τmax、G'LVE、τYP和G'YP均与砂粒含量呈显著正相关。(3)土壤黏弹性参数(γYP和Iz)随基质势的降低而降低;高基质势条件下土壤黏弹性参数与有机碳含量呈正相关,且随着基质势的降低,相关性逐渐减弱;不同基质势下黏弹性参数均与黏粒含量呈显著负相关。(4)土壤整体力学稳定性在0 k Pa时与土壤Ca2+呈正相关关系,-3 k Pa时与土壤粉粒、K+含量呈负相关关系,-10 k Pa时与黏粒含量呈正相关关系。[结论]研究结果揭示土壤在不同植被类型不同基质势下的力学稳定性变化规律以及影响机制,为理解黄土高原植被恢复过程中土壤特性的演变提供重要依据,也为未来的土壤保护和生态恢复工作提供理论支撑。

关键词：植被恢复微结构稳定性流变学基质势

外源有机物料性质对黑土农田土壤微生物碳组分的影响

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植物营养与肥料学报 2024年第5期30卷 980-995页

作者：王子郡黄菁华麦建军胡斐南赵世伟中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100 中国科学院大学北京100049 西北农林科技大学/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

【目的】探索在不同性质和用量的有机物料输入后黑土农田微生物碳组分的变化规律及其对土壤有机碳的贡献,明确东北黑土农田固碳的微生物过程,为黑土培肥和可持续发展提供理论支持。【方法】采用室内培养方法,供试黑土采自黑龙江省克山... 详细信息

【目的】探索在不同性质和用量的有机物料输入后黑土农田微生物碳组分的变化规律及其对土壤有机碳的贡献,明确东北黑土农田固碳的微生物过程,为黑土培肥和可持续发展提供理论支持。【方法】采用室内培养方法,供试黑土采自黑龙江省克山试验站的典型黑土农田,供试有机物料包括玉米秸秆(S)、生物炭(B)、水溶性有机肥(D),各有机物料均设3个施用量水平(低量、中量和高量),并以施化肥(F)和不施肥(CK)为对照,共计11个处理。在培养开始后的第5、15、30、60、105天分别采样,测定土壤有机碳(SOC)含量、微生物生物量碳(MBC)含量、细菌生物量(Ba)、真菌生物量(Fu)和微生物残体碳(MRC)含量。细菌与真菌生物量以其特征磷脂脂肪酸含量表征,微生物残体碳由不同土壤氨基糖含量表征的细菌与真菌残体量转换计算。【结果】与CK和F处理相比,3类有机物料输入均增加了土壤SOC、MBC和MRC含量,提升了MRC对SOC的贡献(MRC/SOC)。土壤MBC和MRC含量随秸秆和生物炭施用量的增加而提升,随水溶性有机肥施用量的增加而下降。在105天培养期内,所有处理MBC、MRC峰值均出现在培养第30、60天,3个有机物料分别以S3、B3和D1的提升效果最大。与CK相比,培养105天时S3、B3和D1处理的MBC分别提高了39.1%、8.2%和28.9%,真菌残体碳(FRC)含量分别提高了47.9%、43.5%和58.1%,S3和D1处理的细菌残体碳(BRC)含量分别提高了18.5%和16.5%。9个有机物料C/N和全氮(TN)含量与微生物碳组分的回归分析发现,有机物料C/N低于29.89、28.57时,分别与培养105天的MBC和BRC呈正相关关系,高于该阈值时呈负相关关系(P<0.05);有机物料TN含量低于0.18、0.11 g/kg时,分别与MBC和FRC呈正相关关系(P<0.05),超过该阈值时呈负相关关系(P<0.05),而BRC始终与有机物料TN含量呈正相关关系(P<0.05)。在9个有机物料处理中,MBC占SOC的比例为3.8%~9.4%,MRC占SOC的比例则高达24.1%~35.3%。与CK和F处理相比,生物炭输入显著增加了SOC含量,但未显著提升MBC的占比;秸秆和水溶性有机肥输入显著提升了MBC和MRC占SOC的比例。【结论】含氮量较高、碳氮比值较低的秸秆增加了土壤微生物生物量碳和残体碳含量及其对有机碳的贡献,且高施用量时效果更显著;氮含量和碳氮比值低的生物炭增加了土壤有机碳含量,促进了真菌生物量和残体碳增加,但未提升微生物生物量碳对有机碳的贡献;含氮量高的水溶性有机肥低施用量时有利于提升微生物生物量碳和残体碳含量及其对土壤有机碳的贡献,但高施用量作用相反。因此,增加秸秆和生物炭投入量,控制水溶性有机肥投入量有利于微生物碳组分的积累,促进土壤有机碳的固定。

关键词：东北黑土有机物料含氮量有机物料碳氮比土壤有机碳微生物残体碳微生物生物量碳

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基于动态振荡剪切的砒砂岩浆体流变行为研究

水土保持学报 2024年第3期38卷 45-53页

作者：周琳胡斐南许晨阳杜伟张亚楠中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100 西北农林科技大学水土保持科学与工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 中国科学院大学北京100049

[目的]随着全球变暖及强降水极端事件频发,砒砂岩区滑塌泥流灾害可能将不断增加。为探明水-土互馈作用如何导致脆弱岩土松动变形进而发展为泥流,系统认识其演化过程的关键科学问题。[方法]以4种典型砒砂岩为研究对象,采用流变学方法,开... 详细信息

[目的]随着全球变暖及强降水极端事件频发,砒砂岩区滑塌泥流灾害可能将不断增加。为探明水-土互馈作用如何导致脆弱岩土松动变形进而发展为泥流,系统认识其演化过程的关键科学问题。[方法]以4种典型砒砂岩为研究对象,采用流变学方法,开展动态振荡剪切下砒砂岩浆体的流变特性研究,探索砒砂岩浆体的液化过程及流变特性。[结果](1)随着剪切应变增加,4种砒砂岩浆体储能模量和损耗模量减小,表现出应变变稀特点。(2)在含水率较低(w<50%)的样品中,紫、棕色砒砂岩浆体与红、白色砒砂岩浆体相比,线性黏弹区的应力和应变更大。在含水率较高(w≥50%)的样品中,红、白色砒砂岩浆体与紫、棕色砒砂岩浆体相比,流动点的应力和应变更大。(3)随含水率增加,4种砒砂岩浆体的储能模量和损耗模量降低,线性黏弹区的应力和应变降低。[结论]细颗粒物质可增加浆体在线性黏弹区的抗剪强度和弹性,但细颗粒浆体受含水率影响较大,水分加入后,浆体结构破坏、抵抗变形的能力立即减弱,同时,更容易发生相态转变。粗颗粒的存在使浆体非线性黏弹区弹性主导的范围增大,阻碍浆体的相态转变。该研究结果为砒砂岩区泥流灾害的认识和防治提供一定的科学基础。

关键词：动态振荡剪切泥流线性黏弹区流动点砒砂岩

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陕西省土壤无机碳的时空分布特征及影响因素

中国农业科学 2024年第8期57卷 1517-1532页

作者：冯晓琳张楚天许晨阳耿增超胡斐南杜伟西北农林科技大学资源环境学院西北农林科技大学西北农业农村部植物营养与农业环境重点实验室西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室中国科学院水利部水土保持研究所

【目的】土壤无机碳对于调节全球碳循环有重要作用，然而我国区域尺度上土壤无机碳的分布特征及影响因素尚不明确。对陕西省土壤无机碳时空分布和关键影响因子进行研究可为明确无机碳在陆地生态系统碳循环中的作用和地位提供参考和依据... 详细信息

【目的】土壤无机碳对于调节全球碳循环有重要作用，然而我国区域尺度上土壤无机碳的分布特征及影响因素尚不明确。对陕西省土壤无机碳时空分布和关键影响因子进行研究可为明确无机碳在陆地生态系统碳循环中的作用和地位提供参考和依据。【方法】收集陕西省1980s和2010s两期的65个和142个土壤样本以及相关的地形因素、气候条件、土地利用类型、植被状况和土壤性质数据，采用方差分析和随机森林（Random Forest,RF）模型分析土壤无机碳含量的时间和空间分布特征，并探讨土壤无机碳含量变化的影响因素。【结果】陕西省1980s各区域的土壤无机碳含量表现为：陕北>关中>陕南；与1980s相比，2010s陕北土壤无机碳含量下降了31.5%，关中地区基本保持不变，陕南小幅度上升。1980s到2010s,0—100 cm剖面上不同土层无机碳含量的降幅范围为20.6%—27.7%，其中以0—20和80—100cm土层降幅最大。随机森林模型分析表明，年平均降水量、容重、pH是影响1980s和2010s土壤无机碳含量变化的重要因素，在年平均降水量450—650 mm时土壤无机碳含量最高；土壤无机碳含量随着pH的增加而增加；低容重土壤无机碳含量高于高容重土壤。【结论】总体来看，陕西省土壤无机碳含量呈现从北向南逐渐降低的趋势。与1980s相比，2010s陕西省表层土壤和陕北地区整个土壤剖面无机碳含量显著下降，1980s和2010s陕西省土壤无机碳含量主要受年平均降水量、pH、容重的调控。

关键词：土壤无机碳时空分布随机森林模型陕西省

近30年陕西土壤有机碳的时空变化特征及影响因素

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环境科学 2024年

作者：冯晓琳闫雨阳张欣然张楚天耿增超胡斐南许晨阳西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室西北农林科技大学资源环境学院西北农林科技大学西北农业农村部植物营养与农业环境重点实验室中国科学院水利部水土保持研究所

土壤有机碳（SOC）动态变化对土壤质量演变和全球碳循环具有极其重要的指示意义，因此有必要对区域SOC库的时空分布变化和影响因素进行研究.分别收集陕西省1985～2015年近30年共540个土壤剖面信息及其环境变量数据，使用单因素方差分析... 详细信息

土壤有机碳（SOC）动态变化对土壤质量演变和全球碳循环具有极其重要的指示意义，因此有必要对区域SOC库的时空分布变化和影响因素进行研究.分别收集陕西省1985～2015年近30年共540个土壤剖面信息及其环境变量数据，使用单因素方差分析和路径分析法探究陕西省SOC含量的时间和空间分布特征以及SOC含量变化的影响因素.结果表明，1985年和2015年陕西省SOC含量在空间分布上表现为：关中最高，陕南次之，且都显著高于陕北.自1985～2015年，陕南SOC含量上升幅度最大，为21.28%，关中上升了15.33%，而陕北SOC含量小幅度下降，降幅为10.23%，主要发生在60～80 cm和80～100 cm的深层土壤.与1985年相比，2015年陕西省0～100 cm各土层SOC含量增幅的变化范围为3.21%～29.39%.1985年和2015年各土壤类型中SOC含量最高的土壤类型分别为暗棕壤和棕壤.与1985年相比，2015年SOC含量增幅最大的土壤类型为粗骨土，其次为新积土.相关分析及路径分析结果表明，SOC含量与海拔显著正相关，与年平均降水量、归一化植被指数和全氮含量极显著正相关；与曲率、容重和pH极显著负相关.全氮含量是影响SOC含量的主控因素.研究结果可为区域内未来的碳管理措施提供参考.

关键词：陕西省土壤有机碳(SOC) 时空分布路径分析影响因素

胶结物质去除对[土娄]土纳米颗粒凝聚的影响

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水土保持学报 2024年第4期38卷 382-390页

作者：闫雨阳张欣然唐尧胡斐南耿增超许晨阳西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学西北农业部植物营养与农业环境重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100

[目的]为探究胶结物质对土壤胶体颗粒凝聚的影响,明确其分别促进土壤团聚体结构形成的微观机理。[方法]采用超声分散结合高速离心法从[土娄]土中提取3种土壤纳米颗粒,分别是[土娄]土提取得到的土壤纳米颗粒(NP-Lou)、去除有机碳[土娄]... 详细信息

[目的]为探究胶结物质对土壤胶体颗粒凝聚的影响,明确其分别促进土壤团聚体结构形成的微观机理。[方法]采用超声分散结合高速离心法从[土娄]土中提取3种土壤纳米颗粒,分别是[土娄]土提取得到的土壤纳米颗粒(NP-Lou)、去除有机碳[土娄]土中的纳米颗粒(NP-OCR)和去除无机碳[土娄]土中的纳米颗粒(NP-ICR)。采用动态光散射仪测定3种[土娄]土纳米颗粒在Na^(+)、Ca^(2+)和La^(3+)体系中的凝聚动力学过程、临界聚沉浓度(CCC)及表面电位值,结合Derjauin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论计算[土娄]土纳米颗粒的Hamaker常数及相互作用能变化。[结果]在相同溶液化学条件下,与NP-Lou相比,NP-OCR和NP-ICR凝聚速率减小,CCC值增大。NP-OCR和NP-ICR的zeta电位绝对值低于NP-Lou,导致纳米颗粒间静电排斥势能降低。DLVO理论计算表明,NP-OCR和NP-ICR的Hamaker常数也低于NP-Lou;即去除无机碳或有机碳后,土壤纳米颗粒的范德华引力也随之降低。合力计算结果表明,去除无机碳或有机碳后土壤纳米颗粒间相互作用的总势能高于NP-Lou,所以CCC值更大。NP-ICR和NP-Lou的CCC差值大于NP-OCR和NP-Lou的CCC之差,因此土壤无机碳对[土娄]土纳米颗粒凝聚的影响更大。[结论]无机碳和有机碳通过增大[土娄]土土粒间相互作用的Hamaker常数来增强吸引势能,这是胶结物质促进土壤团聚体稳定的重要原因。

关键词：有机质碳酸钙颗粒相互作用稳定性

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蒙脱石表面碱金属离子的亚稳平衡吸附及其特异性效应

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土壤学报 2023年第1期60卷 117-126页

作者：杜伟胡斐南许晨阳李雄吕家珑西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所/西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

离子吸附的亚稳平衡是描述离子交换吸附中实际反应平衡特征及限度的重要理论范式。本研究旨在从理论上推导离子吸附的亚稳态平衡模型,建立离子平衡吸附量与活化能之间的数学关系,探讨碱金属离子亚稳平衡吸附的特异性效应。结合恒流混合... 详细信息

离子吸附的亚稳平衡是描述离子交换吸附中实际反应平衡特征及限度的重要理论范式。本研究旨在从理论上推导离子吸附的亚稳态平衡模型,建立离子平衡吸附量与活化能之间的数学关系,探讨碱金属离子亚稳平衡吸附的特异性效应。结合恒流混合置换技术及基于表面静电场理论的离子吸附动力学模型,探究了钾离子(K^(+))、钠离子(Na^(+))、锂离子(Li^(+))三种碱金属离子在铯离子(Cs^(+))-蒙脱石饱和样表面可能存在的亚稳平衡吸附作用;通过开展K^(+)、Na^(+)和Li^(+)在Cs^(+)-蒙脱石表面的吸附动力学实验,对理论模型进行验证。研究结果表明:(1)K^(+)、Na^(+)、Li^(+)在Cs^(+)-蒙脱石饱和样表面表现出显著的亚稳平衡吸附特征,交换离子的吸附活化能(能量势垒)来源于吸附态Cs^(+)的解吸过程;(2)相同离子浓度条件下,表面静电场引起的离子强极化作用导致各离子的亚稳平衡吸附呈现出特异性效应;(3)离子吸附的亚稳平衡受到离子浓度和离子特异性效应的共同影响,离子平衡吸附量与离子吸附速率呈正比例关系。碱金属离子在蒙脱石表面的吸附平衡是亚稳平衡而不是真正的平衡,离子亚稳平衡吸附的存在应归因于活化能对离子吸附动力学的限制。碱金属离子不同的极化效应导致各体系的活化能不同,进一步触发了离子亚稳态平衡吸附的特异性效应。

关键词：离子吸附动力学亚稳态离子极化效应活化能离子特异性

背景离子类型和浓度对聚苯乙烯微塑料/铅在饱和石英砂中共运移的影响

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中国环境科学 2022年第7期42卷 3193-3203页

作者：常博焜陈怡汀曹钢胡良吕家珑杜伟胡斐南西北农林科技大学资源与环境学院陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100

为阐明水化学条件对微塑料和重金属运移的影响,初步明确两种环境污染物共运移过程中的耦合效应及其对环境条件的响应机制,研究了背景电解质离子不同价态和浓度组成条件下1μm聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)和Pb^(2+)在饱和一维砂柱中的单独及... 详细信息

为阐明水化学条件对微塑料和重金属运移的影响,初步明确两种环境污染物共运移过程中的耦合效应及其对环境条件的响应机制,研究了背景电解质离子不同价态和浓度组成条件下1μm聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)和Pb^(2+)在饱和一维砂柱中的单独及共迁移行为.结果表明:背景离子浓度的增加或价态的升高均会抑制PS-MPs的单独运移能力,当Na^(+)浓度从1mmol/L增加到100mmol/L,PS-MPs和石英砂之间的排斥势垒下降了1348kT;当Ca^(2+)浓度从1mmol/L增加到100mmol/L,PS-MPs和石英砂之间的排斥势垒下降了956kT.PS-MPs/Pb^(2+)二元体系中Pb^(2+)能降低PS-MPs的迁移能力,背景离子浓度和价态的提升可削弱Pb^(2+)对PS-MPs运移能力的抑制性.当Na^(+)浓度从1mmol/L增加到100mmol/L,PS-MPs和石英砂之间的排斥势垒下降了1100kT;当Ca^(2+)浓度从1 mmol/L增加到100mmol/L,PS-MPs和石英砂之间的排斥势垒下降了543kT.背景离子浓度的增加或价态的升高能促进Pb^(2+)的单独运移能力.P S-MP s/Pb^(2+)二元体系中,PS-MPs能够促进Pb^(2+)的运移,背景离子浓度较低时,P S-MPs负载Pb^(2+)的迁移率较高,反之亦然.对于PS-MPs和Pb^(2+)单运移体系,背景阳离子浓度和价态的提升可进一步屏蔽PS-MPs及石英砂表面负电荷,竞争吸附石英砂表面结合位点,抑制PS-MPs运移,促进Pb^(2+)运移;对于PS-MPs和Pb^(2+)共运移体系,背景离子浓度和价态的提升可通过调节Pb^(2+)与PS-MPs及石英砂表面的相互作用,削弱Pb^(2+)对PS-MPs迁移能力的抑制作用.背景离子对P S-MPs表面位点的竞争吸附及对电荷的屏蔽效应影响PS-MPs对Pb^(2+)的负载迁移能力.

关键词：微塑料聚苯乙烯重金属铅离子多孔介质共迁移