可变电荷土壤中特殊化学现象及其微观机制的研究进展

综述了近年来可变电荷土壤化学研究的进展,着重总结了可变电荷土壤中的盐吸附、铁铝氧化物对土壤自然酸化的抑制作用和离子强度对离子专性吸附的影响等特殊化学现象及其微观机制的研究进展。用颗粒表面扩散层重叠导致有效电荷数量减小的原理解释了盐吸附现象和铁铝氧化物对土壤自然酸化的抑制作用。阐明了可变电荷土壤和矿物中介质离子强度影响离子专性吸附的机制,用四层吸附模型解释了离子专性吸附随离子强度增大而增加的现象,并根据胶体zeta电位随离子强度改变而变化的趋势进一步证明了离子强度增大使胶体专性吸附面上静电电位的绝对值减小,是离子专性吸附随离子强度增大而增加的主要原因。带电颗粒表面双电层结构和双电层相互作用的深入研究,有助于阐明可变电荷土壤中一些特殊化学现象的微观机理,从而进一步完善土壤化学理论。     

黄土高原植被恢复过程中土壤表面电化学性质演变特征

土壤胶体表面所带电荷是土壤具有一系列物理、化学性质的根本原因。表面电荷数量、比表面积、表面电荷密度、表面电场强度以及表面电位是土壤胶体颗粒重要性质,影响土壤中物理、化学、生物化学过程。运用带电颗粒表面性质联合分析法,测定黄土高原子午岭地区不同植被类型下土壤表面电荷性质,研究自然植被恢复过程对土壤表面电荷性质的影响。结果表明:随着植被的演替,子午岭林区土壤表面电荷数量、比表面积、表面电荷密度均随植被的恢复增加,变化范围分别为10.88～19.85 cmol·kg~(–1)、40.67～61.71 m~2·g~(–1)和0.22～0.31 c·m~(–2),平均值分别为16.18 cmol·kg~(–1)、54.88 m2·g~(–1)和0.28 c·m~(–2),土壤表面电场强度达108 V·m~(–1)数量级;土壤黏粒、有机碳含量是影响表面电荷性质的主要因素,解释率分别为62.5%和27.9%;土壤基本性质对表面电荷性质的影响由强到弱依次为:黏粒、有机碳、砂粒、全氮、C/N、粉粒、碳酸钙、pH。研究结果对于进一步认识黄土高原土壤颗粒表面性质,加深理解土壤中发生的一系列物理化学过程具有重要意义。     

中南地区几种土壤的表面电荷特性 Ⅳ.氧化铁铝对土壤表面电荷性质的影响

热带亚热带土壤中存在着性质活跃且含量较高的氧化铁和氧化铝，其对土壤的物理、化学及肥力性质等有着深刻的影响，由于它们带有大量的可变电荷而使其行为在土壤表面电荷性质的研究中倍受关注［1～6］。就氧化铁对土壤表面电荷性质的影响，一些学者采用DCB处理脱去土壤中游离铁的方法，将处理后土壤表面电荷性质的变化归结为游离铁的作用［1～3］。事实上，DCB对土壤的提取液中，存在着一定数量的氧化铝，因此，"DCB提取的游离铁"对土壤表面电荷的影响应视为"DCB提取的游离铁和部分氧化铝"的共同作用。本研究在比较我国中南地区几种土壤的电荷零点和永久负电荷量测定方法、探讨土壤表面电荷特性及其与土壤固相组成关系的基础上［7～9］，用DCB溶液处理土壤，观察其正负电荷、电荷零点（PZC）和净电荷零点（PZNC）的变化，以进一步明确氧化铁铝对土壤表面电荷性质的作用。     

中南地区几种土壤的表面电荷特性 Ⅳ.氧化铁铝对土壤表面电荷性质的影响

热带亚热带土壤中存在着性质活跃且含量较高的氧化铁和氧化铝，其对土壤的物理、化学及肥力性质等有着深刻的影响，由于它们带有大量的可变电荷而使其行为在土壤表面电荷性质的研究中倍受关注［1～6］。就氧化铁对土壤表面电荷性质的影响，一些学者采用DCB处理脱去土壤中游离铁     

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。     

土壤粘附机理的化学吸附分析

在对已有土壤粘附机理进行综合分析的基础上，从结构化学和量子力学的统计效应出发，对参与粘附的各种因素———土壤表面性质、触土部件表面特性、土壤水中各种离子的性质进行了全面分析，从化学吸附角度，提出了以化学吸附为主的土壤粘附机理。该模型认为土壤与触土部件金属材料表面的粘附力是由土壤与金属表面间的化学吸附力（包括物理吸附力）、土壤水在金属与土壤之间形成的化学吸附力（宏观上表现为毛细管力）和水的粘滞阻力三部分组成     

土壤中水合氧化物型表面的化学区分Ⅰ.表面电荷

本文研究了氧化物对土壤、粘土和合成无定形铝硅酸盐的表面电荷的贡献.结果表明,水合氧化物型表面可进一步区分为电荷性质完全不同的两类亚表面.在所研究的样本中,氧化铁和氧化铝是带可变正电荷的亚表面,而氧化硅是带可变负电荷的亚表面.     

中国土壤化学的研究与展望

回顾土壤化学中重要研究领域的研究进展,可为21世纪土壤科学的长远发展提供基础学科分支的理论依据。本文在简短回顾我国土壤化学发展历程的基础上,总结讨论了近年来我国土壤化学的研究特点、现状及部分进展,并据此对该领域的未来研究趋势及重点发展方向作了概括性展望。综合分析认为,对土壤进行宏观调控要以土壤微观性质的认识为前提。新近基于分子尺度微观光谱技术对土壤微观性质的原位观测及认识的飞跃是近年来我国土壤化学研究领域迅速发展的基础;近代土壤学、环境科学、生态学、生物地球化学、化学、生物学以及地质医学等多学科的交叉与渗透又进一步拓展了传统土壤化学研究的领域,促进了土壤化学多个分支学科的形成和发展;立足农业生产,同时着眼于人类生存环境转变,建立具有中国特色的可变电荷土壤化学理论与技术体系,完善现代土壤学理论,是今后中国土壤化学研究的重要发展方向。     

土壤表面电荷特征与重金属吸附解吸的相互关系

土壤对重金属的吸附 解吸与土壤性质特别是土壤表面电荷性质密切相关。本文概述了恒电荷土壤与可变电荷土壤表面电荷特征与重金属吸附 解吸的相互关系及研究进展。     

低分子量有机酸对可变电荷土壤和矿物表面化学性质的影响

低分子量有机酸是土壤中广泛存在的,它们参与土壤中许多化学过程,在营养元素活化、解铝毒和矿物风化等方面发挥重要作用。本文综述了可变电荷土壤和矿物对低分子量有机酸的吸附及这类有机酸对土壤的表面电荷、动电性质和土壤吸附无机阴、阳离子的影响,为从事相关研究工作的同志提供参考。     

腐植酸共聚物土壤改良剂对土壤化学性能的影响

研究了以腐植酸共聚物作为土壤结构改良剂改良赤红壤后对该土壤化学性能的影响。实验结果表明,改良后的土壤比表面积、电荷量、阳离子交换量随共聚物在土壤中施入量的增加而增大,土壤的酸性减弱,pH提高。共聚体系中丙烯酸组分投料比的增加对土壤比表面积的影响不同于对电荷量及阳离子交换量的影响。     

电位滴定法研究可变电荷土壤表面酸碱性质的进展

我国长江以南地区的土壤富含铁铝氧化物,其土壤胶体表面电荷具有可变性,显著不同于温带地区的恒电荷土壤,因而称之为可变电荷土壤。开展可变电荷土壤的表面特性研究对农业可持续发展、土壤资源保护等均具有重要的现实意义。电位滴定法是开展可变电荷土壤表面特性研究最直接有效的方法。本文首先总结了电位滴定法的实验条件设置对可变电荷土壤表观电荷零点的影响,在此基础上,归纳了应用电位滴定法结合表面络合模型开展可变电荷土壤酸碱特性的研究进展,分类讨论了黏土矿物组成、氧化物、有机质等相关影响因子对可变电荷土壤酸碱缓冲能力的影响,并展望可变电荷土壤表面酸碱缓冲能力的未来研究。本文将有助于初学者理解可变电荷土壤,呼吁更多学者关注可变电荷土壤的酸碱缓冲特性研究及其在土壤资源可持续利用中所起的重要作用。     

雷州半岛玄武岩发育土壤的表面电荷性质与土壤发育程度的关系

<正>热带、亚热带地区的可变电荷土壤由于遭受强烈的风化和淋溶作用并富含铁铝氧化物,其表面化学性质与温带地区的恒电荷土壤显著不同。其中最重要的差别在于这类土壤的表面电荷随着pH等环境条件的改变而变化[1]。过去对我国南方可变电荷土壤的表面电化学性质已开展了比较多的研     

土壤中水合氧化物型表面的化学区分——Ⅱ.电荷零点

本文研究了氧化物对红壤、高岭土和合成无定形铝硅酸盐的电荷零点的影响,并讨论了土壤中水合氧化物型表面的区分。结果表明,水合氧化物型表面可进一步区分为电荷性质完全不同的两类亚表面。在所研究的土壤和粘土样本中,有高ZPC的氧化铁(Fe-OH)和氧化铝(Al-OH)表面,是带可变正电荷的亚表面,使样本的ZPC趋于上升;而有低ZPC的氧化硅(Si-OH)表面,是带可变负电荷的亚表面,使样本的ZPC趋于下降。合成无定形铝硅酸盐的电荷零点与样本的Al₂O₃/Si₂,摩尔比呈显著的正相关。     

土壤化学现象中的能量关系

自然界中的各种化学现象,归根到底是能量的各种形式的表现及其相互转化,土壤中的化学现象,作为化学现象中的一种特殊表现形式,也应遵循这些基本规律。在土壤学发展的早期,人们只能够从表面上孤立地看待土壤中的各种化学现象,以后随着物理化学和胶体化学的理论和方法的进展及其在土壤学研究中的应用,从五十年代起,开始从能量关系方面,研究土壤化学现象的本质,并且在最近几年来,发展成为土壤化学研究中极为活跃的一个领域。     

中国土壤电化学的发展历程

本文介绍了土壤电化学研究历时50多年的系统成果,涉及带电粒子的化学行为、电极使用、学科渗透、工作成就、国内外影响和评价,形成集基本理论、实际应用和研究方法于一体的土壤电化学体系。在近期继承发展上,论述了电化学体系的土壤氧化还原过程及其研究法和酸化红壤修复原理与技术。前者扼要说明红壤中铝、锰离子的非等当量交换和非电性吸附;地跨湿润至干旱地区土壤氧化还原状况的水平带谱、垂直分异;有机还原性物质和无机氧化性物质的依存关系和变化规律,从而论证氧化还原过程作为土壤物质循环的转化动力(化学和生物学的)所作的贡献。后者扼要说明以铝化学为核心,土壤酸化理论、改良措施和从环保出发的工农业废弃物的利用;相反电荷胶体表面双电层的相互作用与电荷密度、离子强度、盐吸附的关系,扩散层重叠机制以及双电层作用对土壤表面性质和土壤酸化的影响。     

化肥和缓释复合肥对中性和微碱性土壤表面电化学性质的影响

为揭示缓控释肥料养分缓释或控释对土壤表面电化学性质的作用规律,该研究采用室内恒温培养和田间试验,探讨缓释复合肥、化肥和普通复合肥对室内恒温培养和田间试验中性和微碱性土壤表面电位、表面电荷密度、比表面积和表面电荷数量的影响。结果表明:1)室内恒温培养下,等养分3种肥料以缓释复合肥较化肥处理增加中性土表面电位、表面电荷密度和表面电荷数量,而对于比表面积,各施肥处理较不施肥处理呈显著增加(P0.05),增幅为34.2%~81.2%,且随着缓释复合肥施用量增加中性土表面电荷密度和比表面积呈增加趋势;2)根据培养土壤表面电化学性质与其理化性质的相关分析可知,土壤表面电荷密度和比表面积均分别与土壤p H值和有机质呈正相关;3)田间条件下,中性土壤表面电位值、表面电荷密度和表面电荷数量以缓释复合肥大于化肥,微碱性土壤表面电荷密度以缓释复合肥显著高于化肥和普通复合肥(黑圣长茄土壤增幅为7.9%和6.5%,竹茄土壤增幅为12.9%和5.3%),且表面电荷数量以缓释复合肥高于化肥;4)田间土壤表面电化学各指标与茄子产量均呈显著或极显著正相关。缓释复合肥匀速释放多种形态氮素和丰富的有机质,其适宜的养分含量和比例成为稳定土壤表面电化学性质的物质基础,最终提高土壤保肥供肥特性,可实现生长期较长作物的营养需要。     

恒电荷土壤与可变电荷土壤K+的吸附特性

对我国 3种典型可变电荷土壤和 4种恒电荷土壤在不同 K 浓度和 p H下 K 的吸附特性进行了研究。结果表明 ,两类土壤 K 吸附量均随平衡 K 浓度增加而增加 ,在低浓度 (添加K 0 .1～ 1.0 mmol/ L )时两者符合线性 ,在高浓度 (添加 K 0 .5～ 5 .0 mmol/ L )下两者符合Langmuir方程。L angmuir方程的参数 K两类土壤间差异不大 ,但以可变电荷土壤 >恒电荷土壤 ,说明前类土壤 K吸附结合能较大 ,吸附 K 不易解吸 ,K 有效性较低。p H降低使土壤 K 吸附量减少 ,但恒电荷土壤与可变电荷土壤减少的机理不同 ,前者主要是由于 H 与 K 的竟争吸附 ,而后者主要是由于表面负电荷减少而引起的电性引力的改变。     

离子强度和pH对可变电荷土壤与铜离子相互作用的影响

研究了离子强度和pH对可变电荷土壤表面电荷与铜离子吸附的影响。作为对照 ,也研究了它们对恒电荷土壤黄棕壤的有关性质的影响。结果表明 ,随pH升高 ,土壤的表面负电荷增加 ,正电荷减少。对于可变电荷土壤 ,可出现电荷零点 (pH0 )。随pH升高 ,土壤对Cu2 的吸附量增大。随着离子强度增大 ,恒电荷土壤对Cu2 的吸附百分率明显降低 ,可变电荷土壤对Cu2 离子的吸附百分率也降低 ,但降低的幅度比恒电荷土壤者小得多。土壤中氧化铁的含量越高 ,降低的幅度越小。对于含 2 1 %左右游离氧化铁的铁质砖红壤 ,即使支持电解质NaNO3的浓度高达 1molL- 1,对Cu2 的吸附仍然几乎没有影响。从离子强度和pH与土壤表面电荷和铜离子吸附的关系 ,可以推测在土壤对铜离子的吸附中 ,既存在电性吸附 ,又存在专性吸附。在可变电荷土壤对铜离子的吸附中 ,专性吸附较为重要     

微尺度重金属土壤化学研究进展与展望

土壤重金属污染是我国面临的重要生态环境问题,有效管控与修复重金属污染土壤有必要弄清重金属与土壤固相组分的作用机制。土壤组成多样、结构复杂、空间异质,加之土壤团聚体粒径大小不一,形成微观结构和表面性质各异的土壤微域,控制着重金属的形态转化及生物有效性。因此,深入认识微尺度的重金属土壤化学对于预测和管控土壤重金属环境化学行为至关重要。同步辐射X射线微探针(Microprobe)、X射线扫描透射显微术(STXM)及纳米二次离子质谱技术(Nano SIMS)等技术具有微纳米级空间分辨率,为在环境意义尺度上探究微尺度重金属土壤化学提供了独特的支撑平台。本文从环境土壤化学发展历程及当前发展瓶颈、现代微尺度分析技术及其在微尺度重金属土壤化学中的应用进展等方面综述,并对该领域未来的发展进行了展望。