典型地带性土壤胶体的粒径依赖性稳定性与迁移行为及其环境意义

本研究系统揭示了四种典型地带性土壤胶体（Phaeozem、Cambisol、Luvisol、Ferralsol）在不同粒径尺度（d<2000nm至d<100nm）的组成特性与环境行为规律，通过表征表面电位（zeta potential）、有机碳分布及临界聚凝浓度（CCC），阐明了粒径效应通过调控静电排斥与范德华力（van der Waals）平衡影响胶体聚集-迁移机制的机理，为精准预测土壤污染物迁移提供了理论依据。

　　

Highlight

土壤胶体粒径依赖性特性与行为机制解析

Size and morphology for soil colloids with varying diameters

通过透射电镜（TEM）图像可观察到，四种土壤类型中不同粒径的胶体均呈现不规则形态，表面存在清晰晶格条纹，证实其含有结晶矿物组分。值得注意的是，晶格条纹分辨率与土壤胶体结晶度呈正相关。随着粒径减小，黑土（Phaeozem）、棕壤（Cambisol）和黄棕壤（Luvisol）胶体的粒径和厚度均显著降低，而赤红壤（Ferralsol）胶体的形态参数变化极小——这一差异主要源于赤红壤中以高稳定性铁铝氧化物为主的矿物组成。

Surface properties of soil colloids with varying diameters

zeta电位绝对值随粒径减小呈现先升后降趋势，表明纳米尺度胶体表面电荷变异性降低。土壤有机碳（SOC）显著富集于细粒径组分，尤其在纳米胶体（d<100nm）中表现为更高密度的表面官能团、更强芳香性与更低亲水性。X射线光电子能谱（XPS）进一步证实，纳米胶体表面C=O/C–O官能团比率升高，而O/C原子比降低，印证了其疏水特性增强。

Aggregation behaviors of soil colloids with varying diameters

临界聚凝浓度（CCC）的粒径依赖性呈现土壤类型特异性：黑土胶体CCC随粒径减小而降低，棕壤胶体先降后升，而黄棕壤与赤红壤胶体则随粒径减小而升高。这些聚集行为差异源于静电排斥与范德华吸引力的动态平衡机制。值得注意的是，所有土壤的纳米胶体（d<100nm）均表现出最高CCC值，凸显其卓越的悬浮稳定性。

Transport behaviors of soil colloids with varying diameters

迁移实验表明，黑土、棕壤与黄棕壤胶体中d<500nm组分迁移能力最强，而赤红壤胶体则在d<1000nm粒径表现最优。相反，所有土壤的纳米胶体（d<100nm）均呈现最弱迁移性，这与其较低zeta电位绝对值及更高表面官能团密度密切相关。控制粒径效应的临界粒径被确定为：黑土、棕壤与黄棕壤为500nm，赤红壤为1000nm。

Conclusion

本研究证实了粒径效应对土壤胶体理化性质与环境行为的显著影响。纳米胶体表现出独特的表面特性与迁移机制，其行为受矿物组成-有机质复合调控机制的支配。研究结果为精准评估土壤胶体环境行为及污染物迁移过程提供了理论基础。