【摘 要】
：
在我国西北干旱、半干旱地区,优质水资源极其匮乏,严重阻滞了区域农业高质量发展。了解土壤水分入渗规律及机制,对合理利用和调节土壤水库功能,增强土壤水分保蓄能力等具有重要科学价值和实践意义。多年来,研究者们从宏观角度出发,提出了大量的土壤水分入渗和溶质运移模型,研究了土壤水分入渗和溶质运移过程及其影响因素。但这些研究大多忽视了矿物颗粒与溶液的相互作用、氢键网络和离子的吸附交换等界面作用及其过程。因此,
【基金项目】
：
陕西省重点研发计划项目“陕西省典型盐渍化粮田土壤改良修复关键技术研发与示范推广”（编号:2022ZDLNY02-03）； 国家自然科学基金面上项目“塔克拉玛干沙漠咸水滴灌林地土壤碳时空分布与淋溶过程研究”（编号:41877541）； 国家自然科学基金青年项目“非饱和土壤中典型矿物-溶液界面对水盐吸附的影响及机制”（编号:42007
论文部分内容阅读
在我国西北干旱、半干旱地区,优质水资源极其匮乏,严重阻滞了区域农业高质量发展。了解土壤水分入渗规律及机制,对合理利用和调节土壤水库功能,增强土壤水分保蓄能力等具有重要科学价值和实践意义。多年来,研究者们从宏观角度出发,提出了大量的土壤水分入渗和溶质运移模型,研究了土壤水分入渗和溶质运移过程及其影响因素。但这些研究大多忽视了矿物颗粒与溶液的相互作用、氢键网络和离子的吸附交换等界面作用及其过程。因此,理解土壤水分入渗宏观现象的本质,离不开从微观尺度对土壤水分入渗过程进行进一步解析,以更加详细地探究其机制。本研究以西北地区广泛分布的伊利石矿物作为代表,通过构建伊利石矿物纳米孔隙模型,运用分子动力学方法模拟水分在伊利石矿物颗粒纳米孔隙中的微观入渗过程,以探究不同孔隙大小、阳离子类型以及浓度对土壤水分入渗、矿物-阳离子界面作用以及水分子传输特性的影响。伊利石原矿颗粒非饱和水分入渗试验设定了不同浓度Na Cl溶液（0 mol/L、0.1 mol/L、0.5 mol/L、1 mol/L）和相同浓度（0.5 mol/L）不同盐分（Na Cl、KCl、Ca Cl2）溶液。通过统计各溶液入渗深度随时间的变化关系,以探究宏观条件下不同浓度和盐分溶液的非饱和入渗特点。本研究通过阐明不同条件下矿物-离子界面作用及其对非饱和土壤水分入渗过程的影响机制,并结合室内伊利石原矿颗粒水分入渗试验,以加深对水分入渗过程及背后潜在机理有进一步的理解。主要研究结论如下:（1）小尺寸纳米孔隙对离子入渗的影响比较明显。伊利石矿物亲水性较强,导致其对水的吸附比溶液表面张力更强,在入渗初期伴随着阳离子和水分子的快速迁移形成半月形湿润锋入渗前沿。各纳米孔隙中溶液入渗速度均呈现前期快、后期慢的趋势。伊利石纳米孔隙对离子的过滤特性导致孔隙入口两侧出现离子大量聚集现象。小尺寸（1.5 nm和3 nm）纳米孔隙相比大尺寸（5 nm和10 nm）纳米孔隙对Ca2+相比Na+的束缚和吸附更加明显。小尺寸纳米孔隙中溶液的扩散系数比其在大尺寸纳米孔隙中要高。（2）离子浓度和类型对伊利石矿物颗粒中水分入渗具有显著影响。高浓度（0.5mol/L和1 mol/L）溶液入渗主要是由带有高负电荷的伊利石矿物对高含量Na+较强的吸附作用驱动。低浓度（0 mol/L和0.1 mol/L）溶液入渗主要是由伊利石矿物的亲水性驱动。低浓度溶液中外圈Na+的数量多于内圈Na+。高浓度溶液中Na+的扩散系数较高。不同离子入渗差异明显。高价态Ca2+入渗数目明显低于其他单价阳离子。伊利石矿物对单价离子中入渗数目较少Cs+的吸附作用较弱,导致Cs+入渗滞后。所有阳离子均表现出了明显的内圈吸附和外圈吸附。水合能较大的Ca2+外圈数量多于外圈Na+、K+、Cs+。在一维入渗方向上Ca2+扩散系数最高。单价阳离子中入渗数目最多的K+在整体上扩散系数较大,Cs+扩散系数最小。（3）伊利石原矿颗粒中的非饱和水分入渗主要是由矿物-离子吸附作用驱动。带负电的伊利石原矿颗粒对高含量Na+的吸附作用较强,此时Na+对颗粒的膨胀破碎特性明显减弱。高价Ca2+和伊利石原矿颗粒之间表现出了强烈的静电吸附作用使入渗受阻。K+相比Na+水合能较小,作为常见的膨胀抑制剂能够维持矿物孔隙结构的稳定性,保持孔道的通畅,因此相比其他阳离子表现出较快的入渗速度。Na+相比K+较高的水合能会促进黏土矿物颗粒膨胀,有效孔隙减少。这也是拥有较高水合能Ca2+入渗减弱的主要原因之一。综上所述,本文运用分子动力学模拟并结合水分入渗试验对伊利石矿物颗粒中的水分入渗现象进行了解释。在土壤处于非饱和状态下,矿物纳米孔隙大小、离子浓度和类型对离子和水分子在矿物表面的吸附产生了重要影响,从而最终调节土壤水分的入渗过程。这有助于进一步理解土壤水分入渗的相关机理,为咸水资源高效利用等提供理论依据。
其他文献
＜正＞积极现象表明，我们不仅有能力避免黄胸鹀沦为东半球的旅鸽，更有机会将其塑造为鸣禽中的朱鹮，成为濒危物种保护的成功典范和我国迁徙林鸟中的旗舰物种。1914年9月1日中午1点，美国辛辛那提动物园，一只名叫玛莎的温柔小鸟平静地离开了这个世界，但它的离世却在人类社会中产生了深远的影响。
气象灾害事件（干旱、风灾等）会通过影响树木生理过程或直接物理损伤导致一定时期内森林叶面积下降、影响森林生长。本文通过遥感数据对森林叶面积指数相对于其平均状态的负向偏离进行刻画,将这一现象称为绿度异常（greenness anomalies）。我国植树造林和国土绿化政策实施以来,森林植被盖度和叶面积迅速增加;同时,人工林在森林面积中的占比也明显增多,然而人工林较天然林有更高的极端事件敏感性,即更易出
多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs）是环境中的一类持久性有机污染物,广泛存在于土壤和沉积物等环境基质。由于其毒性、诱变和致癌作用,会对生物体和土壤生态系统构成较大威胁。因此,人们对于土壤中PAHs的归趋产生了极大的兴趣。以往的研究主要聚焦于土壤中PAHs的微生物转化过程,而忽略了非生物组分在PAHs转化中的作用。报道指出,土壤中的活性矿物组分,特别
黄土高原苹果种植面积及总产量世界占比分别高达24.4%和27.0%,但苹果单产低于全国和世界平均水平。良好的经济效益驱动该区域长期过量施肥,然而过量施肥背景下苹果园氮磷剖面分布及其驱动因素研究则未见报道。本研究以黄土高原苹果园为研究对象,开展不同树龄苹果园0-6 m土壤剖面硝态氮和Olsen-P分布特征,探究其驱动因素,为黄土高原苹果园优化氮磷管理提供数据支撑。主要研究结果如下:（1）与农田相比,
祁连山是我国西北部重要的生态功能区,在全球气候变暖的大背景下,更加凸显了其脆弱性和敏感性。准确认识祁连山不同土地利用方式下土壤理化性质,明确影响草地生产力的因素,能够为干旱半干旱地区不同土地类型的合理利用和生态保护提供科学建议。本研究以祁连山中部康乐草原区灌丛草甸草地、高寒草原草地、山地荒漠草地、林地和农地五种不同土地利用方式为研究对象,在2020年和2021年分别测定部分土壤理化性质和草地生产力
近年来由于抗生素的滥用造成的污染现象日益严重,抗生素已成为环境中新兴污染物,因此探索一种高效的绿色吸附剂处理废水中的抗生素已逐渐成为研究热点。本文以黄麻（RJ）为负载基质,通过液相还原法制备了黄麻负载纳米零价铁复合材料（J-NZVI）,选取四环素类抗生素（TC、OTC）和喹诺酮类抗生素（NOR、CIP）为目标污染物,通过批量处理法研究了J-NZVI对TC、OTC和NOR、CIP的去除效应和再生性能
小麦是重要的主粮作物,实现小麦绿色生产对于保障中国粮食和生态环境安全具有重要意义。小麦从播种到收获会受到各种因素的影响,其中,钾素是影响小麦正常生长发育和产量的重要因素之一。研究小麦的钾素吸收利用机制,培育钾高效小麦品种,是缓解我国钾肥资源短缺,实现农业生产中绿色可持续发展的重要方式之一。本研究以不同特性的437个小麦品种为试验材料,在陕西杨凌、河南洛阳和南阳、江苏宿迁进行2年（2018—2020
农田土壤有机碳（SOC）循环对全球碳循环和粮食安全有重要影响,土壤有机碳是表征农田土壤肥力的最核心指标,与土壤质量及作物产量紧密相关。旱农地区因生态环境脆弱、土壤肥力低下,农业生产中普遍使用地膜覆盖措施通过增温保墒提高作物产量,同时将作物秸秆就地还田来提高农田土壤肥力。截止2019年,我国地膜使用量已达147万吨,覆盖面积达2.75亿亩,目前包含黄土旱塬区在内的长期覆膜农田区地膜残留量达71.9～
森林碳储量和碳循环动态是陆地生态系统的重要组成部分,在调节全球气候变化中发挥着重要作用。现有的估算大尺度森林生物量的方法,如卫星遥感或森林清查等,重点关注地上生物量的估算,对根系生物量的估算要依赖于森林根冠比（root-shoot ratio或R/S）。尽管近年来在个体水平上对森林根冠比变化的认识取得了一些进展,但对全球尺度森林根冠比及其驱动因素的系统性分析仍然缺乏。因此,了解全球范围内森林根冠比
由于微塑料能够对水生生物产生危害作用,目前其已经成为水生生态系统中备受关注的环境污染物。近几年来,已有大量研究试图探究微塑料对水生环境中初级生产者——微藻的影响及其两者间的相互作用。然而,关于微塑料对微囊藻合成藻毒素的影响和水体存在扰动时微塑料对微藻的影响研究仍然较少,微塑料对微藻的毒性作用与微藻细胞粒径大小之间的关系也仍未可知。因此针对以上问题,本研究探究了不同粒径和浓度的聚苯乙烯微塑料对铜绿微