土壤水力侵蝕電化學成因的計算機模擬研究

《土壤水力侵蝕電化學成因的計算機模擬研究》是依託西南大學，由熊海靈擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：土壤水力侵蝕電化學成因的計算機模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：熊海靈
• 依託單位：西南大學

項目摘要

傳統認為雨滴打擊、流水沖刷是土壤水力侵蝕的最本質原因。與傳統不同，本研究認為水進入土壤後，土壤體系電解質濃度降低，土粒間靜電斥力增加，團聚體瓦解才是土壤物質隨水遷移的第一步或最關鍵一步。本研究的核心任務就是基於土壤電化學理論，利用計算機模擬技術研究土壤水力侵蝕的內在機理，並探討土壤水力侵蝕源頭控制的可能方法。研究內容主要包括：構建土壤團聚體形成與分散的計算機模型，研究土壤粒子相互作用的機制；構建基於電化學的土壤水力侵蝕元胞自動機模型，研究土壤水力侵蝕過程及其動力學特徵；確定土壤物質隨水遷移的臨界條件及其控制參數；初步提出土壤水力侵蝕源頭控制的技術措施。本研究的創新之處在於從土壤內部電化學作用入手，將土壤電化學參數融入元胞自動機中元胞轉換規則的制定上，用計算機模擬的手段，從一個更深刻的科學層次模擬研究土壤水力侵蝕的發生機制。本項目的研究可望對土壤水力侵蝕源頭控制的理念和技術措施帶來新的突破。

結題摘要

圍繞土壤電場如何影響土壤水力侵蝕的關鍵科學問題，項目組以計算機模擬、實驗研究和理論計算為基本手段，緊密結合研究目標和項目申報時評審專家的反饋意見和建議，開展相關研究工作。 主要包含如下相關問題：①在前期研究的基礎上設計並最佳化了土壤電場條件下土壤團聚體凝聚模型；②建立了土壤電場條件下土壤團聚體分裂模型；③探明了土壤顆粒相互作用及土壤水力侵蝕的電化學機理；④初步探索了土壤電場條件下的土壤水力侵蝕離子特異性效應；⑤研究了土壤電場條件下土壤水力侵蝕的控制機理。 在土壤團聚體穩定性模型方面：我們建立了電場作用下的土壤團聚體凝聚模型和分裂模型。建立了凝聚機率、分裂機率與土壤電場作用下水合斥力、靜電斥力和范德華引力之間的耦合關係。並運用相關模型模擬研究了凝聚和分散的動力學過程。同時也可視化地驗證了土壤水力侵蝕的相關實驗現象。 在土壤水力侵蝕的電化學機理方面：本研究在經典雙電層和DLVO 理論基礎上，引入離子絕對有效電荷數的概念，在理論上研究了土壤顆粒間相互作用。同時利用模擬降雨實驗測定了不同離子體系的土壤水力侵蝕強度，發現土壤水力侵蝕過程中存在強烈的離子特異性效應，且該效應不能被現有機制解釋。研究發現該效應源自離子在外電場中發生的非經典極化，即“電場—量子漲落”耦合作用。利用該效應也可進一步解釋土壤水力侵蝕過程中，陰陽離子體系間侵蝕強度的差異來源。離子特異性效應作用下土壤水力侵蝕發生的電場機制的成功揭示，也為基於土壤顆粒相互作用的土壤水力侵蝕內部控制技術提供了一條新的途徑。 在土壤電場作用下，土壤水力侵蝕內部控制機理方面：腐殖質和PAM（聚丙烯醯胺）分別為顆粒狀和線性分子有機質，兩者與土壤電場發生耦合作用對土壤團聚體穩定性產生明顯不同的影響。電場與腐殖質以及電場與PAM的耦合作用的差異導致了團聚體破壞強度的差異。相對腐殖質而言，PAM可明顯提高穩定性較差的Na+體系團聚體的穩定性，使其破壞強度降低90%以上。研究發現植物籬不僅通過外部作用力對土壤流失發揮機械攔截作用，但更重要的是利用生物作用改善土壤內部性質，尤其是通過根系土壤微生物作用改變土壤顆粒的表面電化學性質，改變土壤顆粒電場強度分布降低土壤顆粒間的分散斥力，保持土壤團聚體結構的穩定，使土壤從內部提高抗蝕性能，從而有效緩解坡耕地的土壤流失問題。