新时代土壤化学前沿进展与展望

土壤化学是重要的土壤学基础分支学科。在回顾了土壤化学发展历程的基础上,梳理了土壤化学的四个前沿交叉方向,并展望了土壤化学与其他相关学科的交叉发展趋势,以期寻求新的学科增长点。土壤化学经历了从恒电荷到可变电荷土壤学说演变,我国在土壤电化学、根际土壤化学、土壤化学-物理-微生物界面反应等方向逐步领跑。新时代中国已经发展成为国际土壤化学的研究中心之一,尤其在土壤化学与微生物学、地球化学、矿物学、环境化学等交叉领域取得了突破性发展。同时,发展并运用同步辐射、微流控联用光谱能谱、高分辨显微镜、光谱电化学等实时、原位、高精度研究方法,推动土壤化学研究取得了长足的进步。新时代的土壤化学具有三个重要发展趋势,首先系统揭示地球表层系统中物质循环与能量交换的土壤化学机制,实现"0到1"的土壤化学原创性成果的突破;其次需要综合运用地球表层系统理论,从多界面、多要素、多过程的"三多"交互耦合;再次,需要加强与地球宜居性这一人类重大命题的交叉融合,为生态文明建设、土壤污染防治攻坚战、全球变化等国家重大需求提供理论支持。     

生物质灰对红壤酸度的改良效果

用采自安徽、浙江、湖南和广东的4种红壤和1种赤红壤,通过室内培养实验研究了添加生物质灰对酸性土壤的改良效果。结果表明,添加生物质灰提高了土壤p H,降低了土壤交换性铝含量,且阳离子交换量(CEC)越小改良效果越明显。改良后土壤交换性K+、Ca2+、Mg2+含量也显著增加,交换性Ca2+增幅最大,其次为交换性K+。有效磷含量也有增加,磷含量较高的土壤有效磷增幅更大。虽然生物质灰含有一定量的重金属,但由于用量较少,对土壤有效态重金属含量的影响小,施用生物质灰的环境风险较小。总之,添加生物质灰不仅可以有效改良红壤酸度,还可提高红壤肥力。     

氟离子、磷酸根和铬酸根在可变电荷土壤表面吸附过程中羟基释放动力学

用恒pH自动电位滴定装置研究了氟离子(F-)、磷酸根(H2PO4-)和铬酸根(CrO42-)在3种可变电荷土壤表面吸附过程中羟基(-OH)释放的动力学。研究结果表明,3种阴离子在可变电荷土壤表面吸附时-OH释放量的大小顺序为:F->>H2PO4->CrO42-,这与土壤对3种阴离子吸附量的大小顺序一致。pH对不同阴离子体系中-OH释放的影响不同,在F-体系中,pH5.0时-OH释放量最高,其次为pH6.0时,pH4.0时-OH释放量最小;CrO42-体系中-OH释放量随pH的增加而减小;pH对H2PO4-体系中-OH释放的影响较小。Elovich方程(Y=a kln(t))能够很好拟合2～60min之间的动力学数据,说明-OH释放的速率随时间增加而减小。比较速率常数k的大小可以发现,虽然F-体系中3种可变电荷土壤在前2min释放的-OH量有很大差异,但在2～60min内,-OH释放速率差别不大。在H2PO4-和CrO42-体系中,-OH释放速率的大小顺序是:昆明砖红壤>徐闻砖红壤>江西红壤,与土壤铁、铝氧化物含量一致。     

不同pH下两种可变电荷土壤中Cu(II)、Pb(II)和Cd(II)吸附与解吸的比较研究

对两种可变电荷土壤的研宄表明,土壤对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附量均随pH的增加而增加,但Cu(Ⅱ)与Pb(Ⅱ)吸附量之间的差值随pH增加而减小,Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)与Cd(Ⅱ)吸附量之间的差值随pH增大呈增大趋势.土壤吸附的Cd(Ⅱ)的解吸量随吸附平衡液pH的增加而增加;但Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的解吸量先随pH增加而增加,在某一pH时达最大,随后再逐渐减小.3种重金属离子在可变电荷土壤中吸附和解吸行为的不同特征是pH导致的土壤表面电荷的变化和离子水解程度的变化共同作用的结果.本文的研究结果对可变电荷土壤中重金属的控制和污染土壤的修复具有一定的指导意义.     

CrO42-对两种可变电荷土壤表面电荷的影响

对两种可变电荷土壤的研究结果表明,加入铬酸根(CrO42-)能增加土壤的表面负电荷,减小土壤的表面正电荷的量。CrO42-对表面正电荷的影响程度随体系pH的增加而减小,对负电荷的影响呈相反的趋势。CrO42-对表面电荷的影响程度也随其加入量的增加而增加。CrO42-主要通过自身的吸附来影响土壤的表面电荷,因为伴随着土壤表面电荷的变化,CrO42-在土壤中发生明显的吸附。而且土壤对CrO42-的吸附量随其加入量的增加而增加,随pH的升高而减小,与土壤电荷的变化趋势基本一致。     

炭化生活污水污泥对酸化红壤的改良效果

从南京市、马鞍山市和丹阳市的3个污水处理厂采集污泥,在500℃下热解制备炭化污泥,测定了污泥和炭化污泥的性质和重金属含量,研究了污泥和炭化污泥对酸性红壤改良效果,并探讨了炭化污泥中重金属的环境风险。结果表明,污泥和炭化污泥中含有一定量的碱,添加炭化污泥可提高红壤的p H和交换性钙、镁和钾含量,降低土壤交换性铝和交换性H+含量。但污泥中大量铵态氮的硝化作用释放质子,抵消了污泥对红壤酸度的改良作用。添加污泥和炭化污泥提高了土壤有机碳、有效磷和速效钾的含量,提高了土壤肥力。污泥炭化后重金属含量有所增加,但大部分重金属的有效态含量下降,说明热解过程可以降低部分有毒重金属的活性。与对照相比,添加炭化污泥会增加土壤中部分重金属有效态含量,特别是有效态锌含量显著增加,因此炭化污泥农业利用存在一定的环境风险。建议将炭化污泥用于酸化的森林红壤的改良。     

有机酸对Cu Pb Cd在土壤表面竞争吸附的影响

选择一种红壤和一种水稻土,研究低分子量有机酸对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在这2种土壤中竞争吸附的影响,并与单一体系中的结果进行比较。结果表明,由于柠檬酸和酒石酸与Cd(Ⅱ)形成络合物的稳定常数较小,2种有机酸对2种土壤中Cd(Ⅱ)的吸附均表现出促进作用,而且这种促进作用随有机酸初始浓度的增加而增大。酒石酸促进了红壤对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附,而且低pH下的促进作用大于高pH下的作用。pH4.2时酒石酸对水稻土吸附Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)有一定的促进作用;在pH5.2时酒石酸使水稻土对Cu(Ⅱ)的吸附量减小,但对Pb的吸附基本无影响。柠檬酸对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附的影响表现为峰形曲线,即吸附量随有机酸浓度的增加而增大,在某一浓度时达最大,然后逐渐减小。在较高浓度和较高pH下,柠檬酸对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附表现出一定程度的抑制作用,特别在水稻土中。由于红壤游离氧化铁的含量比水稻土高得多,有机酸对红壤吸附重金属离子的促进作用大于水稻土中的作用,相反有机酸对水稻土吸附重金属离子的抑制作用大于红壤中的作用。虽然在竞争条件下有机酸对某一重金属离子吸附的促进作用小于单一体系中的,但竞争条件下所有重金属离子吸附增量的总和大于单一体系中单个离子的吸附增量。在柠檬酸体系中,低pH下Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)在单一体系中的吸附量高于竞争体系中的,但在高pH下结果相反,这主要与柠檬酸在不同pH下对重金属离子吸附的影响机理不同有关。     

测量模拟土体zeta电位的简易流动电位测量装置及其使用方法

本文展示了一款可应用于土壤学领域研究的简易流动电位测量装置。为验证该装置的可行性,采用石英砂和包铁石英砂模拟土体所具有的多孔结构和表面电荷特征,基于流动电位法测量了石英砂在不同浓度（0.01、0.05、0.1、0.5、1.0、2.0和5.0 mmol?L-1）NaCl溶液中的zeta电位和石英砂与包铁石英砂在不同pH（4.4、5.2、6.1、6.6、6.9、7.7和8.0）电解质溶液中的zeta电位。同时采用电泳法测量了石英砂胶体在不同pH电解质溶液的zeta电位以作比较。结果表明：在考虑表面电导时,流动电位法测得石英砂在不同浓度NaCl溶液中的zeta电位随溶液浓度的升高逐渐往正值方向移动。这是由于随着离子强度增加,石英砂的双电层厚度受到压缩,zeta电位的绝对值逐渐降低;相同离子强度下,随溶液pH升高,石英砂和包铁石英砂表面官能团发生去质子化作用,流动电位法测得石英砂和包铁石英砂的zeta电位均随pH升高而逐渐降低;由于电荷屏蔽作用,在带负电荷的石英砂表面包被带正电荷的氢氧化铁后,流动电位法测得包铁石英砂的等电点pH（IEP）介于石英砂和氢氧化铁的IEP。此外,流动电位法测得的石英砂颗粒在不同pH电解质溶液中的zeta电位与电泳法测得的石英砂胶体在不同pH电解质溶液中的zeta电位具有较好的一致性。可见采用自制流动电位装置所获结果均与理论预测及常规电泳法测定结果相符,准确度较高。自制流动电位装置结构简单、操作方便、加工制造容易。该装置可被土壤学领域的研究者借鉴参考,以望为土壤电化学研究工作做出贡献。     

不同产地油菜秸秆制备的生物质炭对红壤酸度和土壤pH缓冲容量的影响

  目的  明确不同产地油菜秸秆制备的生物质炭对红壤酸度的改良和土壤pH缓冲容量的提升效果。  方法  将不同添加量的油菜秸秆炭分别与两种酸性红壤混合,然后进行室内培养试验,测定培养实验前后土壤pH、pH缓冲容量、土壤交换性盐基离子和土壤交换性酸。  结果  添加油菜秸秆炭显著提高了土壤的pH、pH缓冲容量、交换性盐基离子含量,显著降低了土壤交换性酸含量。说明添加油菜秸秆炭不仅可以改良红壤酸度,还能提高红壤的抗酸化能力,因而可以减缓土壤的复酸化。生长在碱性土壤上的油菜秸秆制备的生物质炭对红壤酸度的改良效果和对土壤pH缓冲容量的提升效果均优于生长在酸性土壤上的油菜秸秆制备的生物质炭,在5%添加水平下,前者使湖南红壤pH相比对照提高37.4%,后者使该土壤的pH提高22.4%;相应地,2种生物质炭分别使该土壤的pH缓冲容量分别提高41.4%和37.3%。2种油菜秸秆炭对红壤pH和pH缓冲容量的提升效果与其碱含量和表面官能团多少相一致。  结论  碱性土壤上生长的油菜秸秆制备的生物质炭对红壤具有更好的改良效果。     

Cu(Ⅱ)对红壤性水稻土吸附Cr(Ⅵ)的影响

选择一种红壤性水稻土研究了Cu（Ⅱ）对土壤吸附CrO4^2-的影响。结果表明，Cu（Ⅱ）显著增加了土壤对CrO4^2-的吸附量，Cu（Ⅱ）对CrO4^2-吸附的影响程度随着Cu（Ⅱ）加入量的增加和体系pH的升高而增加。Cu（Ⅱ）不仅增加土壤对CrO4^2-的吸附量，也增加CrO4^2-的解吸量，但解吸增量比吸附增量低得多，说明cu（Ⅱ）对CrO4^2-在土壤中吸附的促进作用机制涉及静电作用、专性吸附和表面共沉淀。铜的促进作用增加了土壤对CrO4^2-的固定量，降低了CrO4^2-的活动性和生物有效性。