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。     

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.     

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。     

稻草生物质炭对3种可变电荷土壤吸附Cd（Ⅱ）的影响

按土重的3%和5%向采自海南和广西的3种可变电荷土壤中添加由稻草制备的生物质炭,混合培养30d后用一次平衡法研究了生物质炭对土壤吸附Cd(Ⅱ)的影响及其与土壤表面电化学性质的关系,旨在阐明生物质炭促进可变电荷土壤吸附和固定Cd(Ⅱ)的机制。结果表明,添加稻草炭显著提高了3种土壤的阳离子交换量(CEC)和土壤pH,并使土壤胶体Zeta电位向负值方向位移。因此,添加稻草炭增加了土壤表面的负电荷量,土壤表面对Cd(Ⅱ)的吸附容量增强,使3种可变电荷土壤对Cd(Ⅱ)的吸附量增加,且Cd(Ⅱ)吸附量的增幅随稻草炭添加水平的提高而增加。Freundlich方程和Langmuir方程可以拟合3种土壤对Cd(Ⅱ)的吸附等温线,但Freundlich方程拟合效果更好,该方程表征吸附容量的参数k也随着稻草炭添加水平提高而增大。研究表明在pH3.0～5.0范围内,稻草炭均增加土壤对Cd(Ⅱ)的吸附量。添加稻草炭提高土壤pH,促进Cd(Ⅱ)的吸附,因为Cd(Ⅱ)的吸附量随pH升高而增加。解吸实验表明,添加稻草炭处理Cd(Ⅱ)的解吸量高于对照处理,说明生物质炭提高了土壤对Cd(Ⅱ)的静电吸附量。     

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。     

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。     

用氟离子电极零点电位法区分酸性土壤溶液中无机铝离子的形态

本文介绍氛离子电极零点电位法测定强酸性土壤溶液中的游离F^-,并区分无机单核铝离子的形态。结果表明,零点电位法对F^-的检测下限为10^-7 mol/L,在合成的Al-F体系中,该方法的相对误差在±5%范围内。对几种强酸性土壤的研究结果表明,用该方法测定强酸性土壤溶液中的游离F-并区分无机单核铝的形态是可行的。     

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。