低场时域磁共振技术用于土壤中水分迁移、水分子动力学研究

土壤是一种具有复杂成分的多孔介质系统，包括粘土（伊利石、高岭石、蒙脱石等）、有机质（腐殖酸、酯等）等，作为一种非稳态多孔介质，其在吸水过程中孔隙状态发生变化，并形成新的孔隙分布状态。土壤中水分的渗透机理/水分迁移、水分子动力学等是一个复杂的过程，其对土壤微观结构的影响，直接影响土壤的相关特性，如土壤的持水能力、吸湿量、土壤污染等。

水作为一种典型的含氢组分，是低场时域磁共振技术最主要的检测目标物，通过对土壤吸水/失水过程中，土壤中水分弛豫时间的测量分析，可有效表征土壤的微观结果，土壤中水分的迁移情况、渗透机理、水分子动力学等，为土壤性能分析，如土壤的孔隙分布、土壤的污染研究等提供支撑。

实验方法：

土壤过筛后，称取适量土壤，干燥，进行NMR弛豫时间测量；

干燥样品中，加入5g、15g、35g的 0.05%硫酸铜溶液后，分别在静置0min、5min、10min、30min、60min后，进行NMR弛豫时间测量。

测试仪器：

MAGMED-Soil-2260高精度土壤分析仪

数据结果：

图1：干燥土壤、不同含水量土壤在静置不同时间后的T2弛豫时间分布

图2：干燥土壤、不同含水量土壤T2弛豫时间反演谱图累加值与含水量的拟合

数据分析：

1. 从T2弛豫时间分布图上看，随着含水量的增加，主峰右移，5g含水量对应主峰弛豫时间0.5ms，15g含水量对应主峰弛豫时间0.8ms，30g含水量对应主峰弛豫时间为1ms，可得出，随着含水量的增加，土壤的微观结构（微孔）发生变化；

2.  从T2弛豫时间分布图上看，土壤吸水后，首*入较小孔隙（对应弛豫时间＜10ms），且水分在较小孔隙中的分布状态随着时间的变化而变化，并非稳态，主峰对应含水量逐渐加大，右侧峰对应含水量逐渐降低，这说明，随着时间的推移，水分逐渐向更小的孔隙迁移。（5g含水量土壤、15g含水量土壤）

3.  从T2弛豫时间分布图上看，当土壤吸收足够量的水分，在微孔饱和后，土壤中的水分以更自由的形式存在（弛豫时间长、占据大孔）（35g含水量样品）；

4.  从T2弛豫时间反演谱图累加值与含水量拟合关系图上看，反演累加值与土壤样品的总体含水量具有优异的线性关系，可用于测量土壤样品的总体含水量。

综上，通过不同含水量土壤在静置不同时间后的一维弛豫时间分析，可推断：水分进入土壤后，将立即渗透至不受约束的有机质中，形成凝胶相，不受约束矿物颗粒（粘土）的微孔中，这一过程很短。然而随着水分的进入，土壤的组分单元将与水分产生相互作用，如水分渗透进有机质与矿物颗粒的结合界面，从而阻断之间的氢键连接、离子键连接、共价键连接等，甚至还伴随着水解作用的产生，随着这些约束的破坏，其产物如分离出的有机质和矿物颗粒进一步吸水，从而最终达到水分传输分布的平衡状态，反推，当如土壤失水干燥时，伴随着凝胶相失水坍塌、有机质与矿物质在界面作用下，重新分型聚集，封闭微孔等。这可有效表征土壤在吸水/失水过程中微观结构的变化，对土壤中水分的迁移、水分子动力学研究等提供依据，同时，这一微孔打开/封闭的过程，将极有可能使污染物在土壤中聚集，从而形成土壤污染。最后，T2弛豫时间反演谱图累加值，可有效用于土壤总体含水量的测量，开展土壤持水能力的研究。