5期 丁武泉等：表面电荷性质对离子在土壤胶体界面扩散的影响 901 衡扩散量从2.6mgg'增加至2.8mgg,增加约 中，M和K平衡扩散随着H增加，略有增加 0.2mgg,增幅为8左右；砖红壤胶体中平衡打 但增加幅度很小。砖红壤胶体中，随着出增大 散量由0.22mgg'增加至04mgg左右，增加 两种离子平衡扩散量品著增加增幅达40肠左右 约0.18mg名'，增幅为90%左右。随着电解质浓 主要因为砖红壤胶体以可变电荷表面为主，且含 度的增加，两种土壤胶体表面电荷密度变化情况 有一些正电荷，随着山增大，表面负电荷增加，而 也存在很大差异。中性紫色土表面由荷密度随者 中性紫色土胶体是以恒电荷表面为主H变化对 电解质浓度由0.021molm3增加至0.2 其表面电荷影响不大，前面分析也证实这点。山 molmˉ3增幅约1S%,而砖红壤表面电荷密度随 变化引起的表面电荷的差异，使两种胶体中离子 着电解质浓度的变化，其增幅约为15%。所以 平衡扩散量的变化趋势随着山的变化而有较大 两种胶体平衡扩散量增加幅度的差异，主要是由 差异。 于电解质浓度的增加。使得胶体中表面申荷密度 通过分析两种胶体平衡扩散通量的差异以及 变化的差异而引起的。 不同环境条件的影响，我们可以得出如下结论：离 图7表示随着H由5.5~85两种土壤胶体 子在胶体中平衡扩散通量的大小决定于表面电荷 中平衡扩散量的变化趋势。在中性紫色土胶体 密度或电场强度的大小。 32 05 3 0-0—0 04 30 ◇-Mg 03 29 -0K 02 -Mg! 27 00 0一K 6 pH 图7出对中性紫色土胶体()和砖红壤胶体(，中平衡扩散量的影响 Fig.7 Effect of on diffuson flux n ncutral punplish soil colbil (a)and n htorol colbil (b) 2.3不同环境条件下土壤胶体离子扩散系数及其 度条件下，K*扩散系数为0.38×10°-0.45×109 变化特点 m2s,Mg扩散系数为023×10”-0.26×10 2.31离子在两种土壤胶体中扩散系数的比较 m2s',可以看出两种离子在紫色土胶体的扩散系 从表4可以得知，Mg和K在中性紫色土胶体和 数远大于砖红壤胶体，是砖红壤的4倍~5倍。根 砖红壤胶体中固液界面扩散系数在10’ms数 据外电场中的离子扩散基本方程可知离子扩散系 量级范围。与许多研究者所得到土体中不同离子 数和扩散通量与表面电位值成正比，与离子活度梯 的表观扩散系数在107~10°m25'比较接 度成反比关系。从两种土壤表面电荷性质的分析 近6叨，但固液界面的扩散系数略小于根据Fk扩 中可知，中性紫色土胶体的表面电位值约为砖红壤 散定律计算的表观扩散系数。这也可以反映离子 的2倍，平衡扩散通量也远大于砖红壤。因此两种 在土体中的扩散迁移过程中，固液界面的扩散传输 土壤的扩散系数之间差异是合理的。两种胶体中， 是控制扩散迁移速度的关键步骤。中性紫色土胶 K的扩散系数也要略大于Mg,因为K、Mg体 体在不同温度条件下，K*扩散系数为1,82×10 系中的表面电位和平衡扩矿散通最均表现出前者大 1.91×10m2s,Mg扩散系数为1.17×10 于后者。可见离子在电荷表面胶体中扩散系数的 1.23×10°m2而砖红壤胶体中在与其对应温 差异主要是因为表面电荷性质的不同。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net5期 丁武泉等: 表面电荷性质对离子在土壤胶体界面扩散的影响 901 衡扩散量从 2
6 mg g - 1增加至 2
8 mg g - 1 , 增加约 0
2 mg g - 1 , 增幅为 8% 左右; 砖红壤胶体中平衡扩 散量由 0
22 mg g - 1增加至 0
4 mg g - 1左右, 增加 约 0
18 mg g - 1 , 增幅为 90% 左右。随着电解质浓 度的增加, 两种土壤胶体表面电荷密度变化情况 也存在很大差异。中性紫色土表面电荷密度随着 电 解 质 浓 度 由 0
021 mo l m - 3 增 加 至 0
21 mo lm - 3 , 增幅约 15% , 而砖红壤表面电荷密度随 着电解质浓度的变化, 其增幅约为 150% 。所以, 两种胶体平衡扩散量增加幅度的差异, 主要是由 于电解质浓度的增加, 使得胶体中表面电荷密度 变化的差异而引起的。 图 7表示随着 pH 由 5
5~ 8
5 两种土壤胶体 中平衡扩散量的变化趋势。在中性紫色土胶体 中, M g 2 +和 K +平衡扩散随着 pH 增加, 略有增加, 但增加幅度很小。砖红壤胶体中, 随着 pH 增大, 两种离子平衡扩散量显著增加, 增幅达 40% 左右, 主要因为砖红壤胶体以可变电荷表面为主, 且含 有一些正电荷, 随着 pH 增大, 表面负电荷增加, 而 中性紫色土胶体是以恒电荷表面为主, pH 变化对 其表面电荷影响不大, 前面分析也证实这点。 pH 变化引起的表面电荷的差异, 使两种胶体中离子 平衡扩散量的变化趋势随着 pH 的变化而有较大 差异。 通过分析两种胶体平衡扩散通量的差异以及 不同环境条件的影响, 我们可以得出如下结论: 离 子在胶体中平衡扩散通量的大小决定于表面电荷 密度或电场强度的大小。 图 7 pH 对中性紫色土胶体 ( a)和砖红壤胶体 ( b) 中平衡扩散量的影响 F ig
7 Effect of pH on d iffu sion flux in n eutral purp lish soil collo id ( a) and in latosol collo id ( b ) 2
3 不同环境条件下土壤胶体离子扩散系数及其 变化特点 2
3
1 离子在两种土壤胶体中扩散系数的比较 从表 4可以得知, M g 2+ 和 K + 在中性紫色土胶体和 砖红壤胶体中固液界面扩散系数在 10 - 9 cm 2 s - 1数 量级范围。与许多研究者所得到土体中不同离子 的表观 扩散系数 在 10 - 7 ~ 10 - 9 cm 2 s - 1 比较接 近 [ 69] , 但固 液界面的扩散系数略小于根据 Fick扩 散定律计算的表观扩散系数。这也可以反映离子 在土体中的扩散迁移过程中, 固液界面的扩散传输 是控制扩散迁移速度的关键步骤。中性紫色土胶 体在不同温度条件下, K +扩散系数为 1
82 10 - 9 ~ 1
91 10 - 9 cm 2 s - 1 , M g 2+ 扩散系数为 1
17 10 - 9 ~ 1
23 10 - 9 cm 2 s - 1 ; 而砖红壤胶体中在与其对应温 度条件下, K +扩散系数为 0
38 10 - 9 ~ 0
45 10 - 9 cm 2 s - 1 , M g 2+ 扩散系数为 0
23 10 - 9 ~ 0
26 10 - 9 cm 2 s - 1 , 可以看出两种离子在紫色土胶体的扩散系 数远大于砖红壤胶体, 是砖红壤的 4 倍 ~ 5倍。根 据外电场中的离子扩散基本方程可知离子扩散系 数和扩散通量与表面电位值成正比, 与离子活度梯 度成反比关系。从两种土壤表面电荷性质的分析 中可知, 中性紫色土胶体的表面电位值约为砖红壤 的 2倍, 平衡扩散通量也远大于砖红壤。因此两种 土壤的扩散系数之间差异是合理的。两种胶体中, K + 的扩散系数也要略大于 M g 2+ , 因为 K + 、M g 2+ 体 系中的表面电位和平衡扩散通量均表现出前者大 于后者。可见离子在电荷表面胶体中扩散系数的 差异主要是因为表面电荷性质的不同。