低場時域磁共振技術用于土壤中水分遷移、水分子動力學研究

土壤是一種具有復雜成分的多孔介質系統，包括粘土（伊利石、高嶺石、蒙脫石等）、有機質（腐殖酸、酯等）等，作為一種非穩態多孔介質，其在吸水過程中孔隙狀態發生變化，并形成新的孔隙分布狀態。土壤中水分的滲透機理/水分遷移、水分子動力學等是一個復雜的過程，其對土壤微觀結構的影響，直接影響土壤的相關特性，如土壤的持水能力、吸濕量、土壤污染等。

水作為一種典型的含氫組分，是低場時域磁共振技術最主要的檢測目標物，通過對土壤吸水/失水過程中，土壤中水分弛豫時間的測量分析，可有效表征土壤的微觀結果，土壤中水分的遷移情況、滲透機理、水分子動力學等，為土壤性能分析，如土壤的孔隙分布、土壤的污染研究等提供支撐。

實驗方法：

土壤過篩后，稱取適量土壤，干燥，進行NMR弛豫時間測量；

干燥樣品中，加入5g、15g、35g的 0.05%硫酸銅溶液后，分別在靜置0min、5min、10min、30min、60min后，進行NMR弛豫時間測量。

測試儀器：

MAGMED-Soil-2260高精度土壤分析儀

數據結果：

圖1：干燥土壤、不同含水量土壤在靜置不同時間后的T2弛豫時間分布

圖2：干燥土壤、不同含水量土壤T2弛豫時間反演譜圖累加值與含水量的擬合

數據分析：

1. 從T2弛豫時間分布圖上看，隨著含水量的增加，主峰右移，5g含水量對應主峰弛豫時間0.5ms，15g含水量對應主峰弛豫時間0.8ms，30g含水量對應主峰弛豫時間為1ms，可得出，隨著含水量的增加，土壤的微觀結構（微孔）發生變化；

2.  從T2弛豫時間分布圖上看，土壤吸水后，首*入較小孔隙（對應弛豫時間＜10ms），且水分在較小孔隙中的分布狀態隨著時間的變化而變化，并非穩態，主峰對應含水量逐漸加大，右側峰對應含水量逐漸降低，這說明，隨著時間的推移，水分逐漸向更小的孔隙遷移。（5g含水量土壤、15g含水量土壤）

3.  從T2弛豫時間分布圖上看，當土壤吸收足夠量的水分，在微孔飽和后，土壤中的水分以更自由的形式存在（弛豫時間長、占據大孔）（35g含水量樣品）；

4.  從T2弛豫時間反演譜圖累加值與含水量擬合關系圖上看，反演累加值與土壤樣品的總體含水量具有優異的線性關系，可用于測量土壤樣品的總體含水量。

綜上，通過不同含水量土壤在靜置不同時間后的一維弛豫時間分析，可推斷：水分進入土壤后，將立即滲透至不受約束的有機質中，形成凝膠相，不受約束礦物顆粒（粘土）的微孔中，這一過程很短。然而隨著水分的進入，土壤的組分單元將與水分產生相互作用，如水分滲透進有機質與礦物顆粒的結合界面，從而阻斷之間的氫鍵連接、離子鍵連接、共價鍵連接等，甚至還伴隨著水解作用的產生，隨著這些約束的破壞，其產物如分離出的有機質和礦物顆粒進一步吸水，從而最終達到水分傳輸分布的平衡狀態，反推，當如土壤失水干燥時，伴隨著凝膠相失水坍塌、有機質與礦物質在界面作用下，重新分型聚集，封閉微孔等。這可有效表征土壤在吸水/失水過程中微觀結構的變化，對土壤中水分的遷移、水分子動力學研究等提供依據，同時，這一微孔打開/封閉的過程，將極有可能使污染物在土壤中聚集，從而形成土壤污染。最后，T2弛豫時間反演譜圖累加值，可有效用于土壤總體含水量的測量，開展土壤持水能力的研究。