項目名稱： 可變電荷土壤的電化學(xué)特征及其化學(xué)表現(xiàn)的研究

推薦單位： 中國科學(xué)院

項目簡介： 1.所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域

本項目屬于地球科學(xué)領(lǐng)域中土壤學(xué)的基礎(chǔ)研究。

2.主要研究內(nèi)容

(1)研究不同類型土壤的表面電荷數(shù)量、電荷密度及其影響因素。揭示了可變電荷土壤的一系列表面電荷特征。

(2)研究土壤膠體與離子間的反應(yīng)平衡。在此基礎(chǔ)上，探討兩類土壤表面與離子間的相互作用及其機理。發(fā)現(xiàn)可變電荷土壤中，傳統(tǒng)上認為典型的電性吸附的氯離子可以發(fā)生專性吸附；發(fā)現(xiàn)土壤化學(xué)中以前從未觀察到的陽離子(鈉)的負吸附。

(3)研究土壤膠體與離子之間的動態(tài)反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，從定量的角度區(qū)分不同類型土壤與離子間的作用力和作用能。發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)頻散現(xiàn)象可以區(qū)分不同離子與土壤膠體之間的作用力。

(4)研究土壤與質(zhì)子(氫離子)間的反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，描述不同條件下不同類型土壤膠體表面的酸堿平衡情況。發(fā)現(xiàn)可變電荷土壤的酸度性質(zhì)和酸化機理明顯不同于恒電荷土壤，石灰位可以更好地反映土壤酸度性質(zhì)。

(5)研究土壤與電子間的反應(yīng)及其對氧化還原性質(zhì)的影響。闡明了不同氧化還原體系之間的反應(yīng)動力學(xué)和氧化還原性質(zhì)的強度因素與數(shù)量因素的關(guān)系。

3.科學(xué)價值

長期以來土壤化學(xué)建立在對恒電荷土壤的認識基礎(chǔ)上，其中某些理論是不全面或有缺陷的，本成果為綜合兩類土壤的特點而成的較全面的土壤化學(xué)體系的建立提供了重要條件。

兩類土壤的表面電化學(xué)性質(zhì)不同，對它們的改良和利用也應(yīng)有所不同。本成果可為不同類型土壤的合理管理、利用和改良措施的擬定提供科學(xué)依據(jù)。

4.同行評價情況及引用

本項目出版中、英文專著各1部，發(fā)表論文210篇，被SCI收錄54篇，被CSCD收錄74篇。1991年以來論著被SCI他引167次，被CSCD他引186次。引用者除土壤學(xué)外，還有農(nóng)學(xué)和地學(xué)及技術(shù)科學(xué)等。英文專著多次被歐、美、日的土壤學(xué)雜志介紹，認為"本書代表了我們對可變電荷土壤的認識的重要一步"(Europ.J. Soil Sci.),"對涉及土壤化學(xué)的每一個人都是一本有價值的著作, 特別是熱帶和亞熱帶地區(qū)對生產(chǎn)和污染問題有興趣的科學(xué)家"(Agrochim)。

主要發(fā)現(xiàn)點： 1、核心發(fā)現(xiàn)點： (1) 發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)上認為純電性吸附的氯離子在可變電荷土壤中可以發(fā)生專性吸附。從三種陰離子在可變電荷土壤表面吸附親和力的比較、氯離子吸附對表面電荷的影響及吸附過程中羥基的釋放等方面，證明氯離子在可變電荷土壤中可以發(fā)生專性吸附。這一發(fā)現(xiàn)澄清了土壤化學(xué)中長期存在的土壤中是否有純電性吸附的問題。該發(fā)現(xiàn)點屬土壤化學(xué)，代表作1－3； (2) 觀察到可變電荷土壤中鈉離子有負吸附。對于可變電荷土壤，觀察到在pH充分低時，如果有吸附能更高的離子如鉀離子存在，則可出現(xiàn)鈉離子的負吸附。這是土壤學(xué)中過去從未觀察到的現(xiàn)象。該發(fā)現(xiàn)點屬土壤化學(xué)，代表作1； (3) 證明了離子擴散受表面電荷的強烈影響。用獨特的原位測定方法，研究證明離子擴散受土壤表面電荷的強烈影響。土壤鐵、鋁氧化物含量、pH等影響土壤表面電荷的因素均對離子的擴散產(chǎn)生重要影響。該發(fā)現(xiàn)點屬于土壤化學(xué)，代表作1和4； (4) 闡明了氫離子在可變電荷土壤中三種去向的相對貢獻及其動力學(xué)。三種去向的相對貢獻決定于土壤鐵、鋁氧化物的含量和黏土礦物的組成。三種去向中，轉(zhuǎn)變?yōu)檎�電荷的速度最快，其次是轉(zhuǎn)變?yōu)榻粨Q性酸，消耗于釋放鋁的速度最慢。該發(fā)現(xiàn)點屬于土壤化學(xué)，代表作1和5； (5) 證明低分子量有機酸可以改變可變電荷土壤的表面電荷和動電性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)有機酸在土壤表面的專性吸附導(dǎo)致土壤表面正電荷減小，表面負電荷增加。有機酸也影響動電電位，并降低土壤等電點(IEP)。該發(fā)現(xiàn)點屬于土壤化學(xué)，代表作6和7。

2、其他重要發(fā)現(xiàn)點：(1) 發(fā)現(xiàn)了可變電荷土壤的酸化機制與恒電荷土壤者顯著不同。從土壤礦物組成與酸緩沖能力的關(guān)系、質(zhì)子與表面的反應(yīng)、土壤的交換性堿及不同酸與2類土壤的反應(yīng)等方面比較了2類土壤酸化的特點，闡明了2者的不同之處。實現(xiàn)了土壤石灰位的直接測定，研究發(fā)現(xiàn)土壤石灰位比pH更能反映土壤的酸度性質(zhì)，可以用作土壤酸度的分級指標。該發(fā)現(xiàn)點屬于土壤化學(xué)，代表作1； (2) 闡明了有機還原性物質(zhì)與鐵、錳氧化物之間的反應(yīng)動力學(xué)。發(fā)現(xiàn)有機物分解產(chǎn)生的不同強度還原性物質(zhì)與土壤的反應(yīng)符合順序氧化原理，有機還原性物質(zhì)可發(fā)生氧化反應(yīng)和吸附反應(yīng)，鐵、錳氧化物對2種反應(yīng)的相對貢獻不同。該發(fā)現(xiàn)點屬于土壤化學(xué)，代表作1和8；(3) 闡明了黏土膠體表面雙電層相互作用與表面電荷和離子分布的關(guān)系。導(dǎo)出了描述黏土膠體表面雙電層相互作用時電位和離子分布方程，探明了相互作用時表面電荷特征，較好地解釋了一些表面化學(xué)現(xiàn)象。該發(fā)現(xiàn)點屬于土壤化學(xué)，代表作9；(4) 發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)中的頻散現(xiàn)象和Wien效應(yīng)可以用作衡量土壤與離子作用強度的指標，比較不同離子吸附親和力的大小。該發(fā)現(xiàn)點屬于土壤化學(xué)，代表作1和10。

主要完成人： 于天仁

是本項目的總設(shè)計人，研究成果的主要貢獻者，對核心發(fā)現(xiàn)點3、4和其它重要發(fā)現(xiàn)點1有直接的創(chuàng)造性貢獻，代表作1，4和5；對核心發(fā)現(xiàn)點1和其他重要發(fā)現(xiàn)點4有重要貢獻，代表作3和10。自該項目開始至2004年5月去世前，每年絕大部分工作時間均用于與本項目有關(guān)的研究工作(80%的年工作量)。

季國亮

是本項目的設(shè)計人之一，研究成果的主要貢獻者，主要承擔陰離子和陽離子的電性吸附的研究工作，對核心發(fā)現(xiàn)點1和2有直接的創(chuàng)造性貢獻，代表作1(第3章和第4章)及代表作2。自1982年11月－2006年12月，每年有70%的工作時間用于與本項目有關(guān)的研究工作。

徐仁扣

參與項目后期研究計劃的制訂及研究工作的組織和實施，是研究成果的主要貢獻者，對核心發(fā)現(xiàn)點5有直接的創(chuàng)造性貢獻，代表作6和代表作7。自1991年7月參加該項工作以來，每年有85％工作時間用于與本項目有關(guān)的科研工作。

丁昌璞

承擔土壤氧化還原過程的研究工作，是本項成果的主要貢獻者，對其他重要發(fā)現(xiàn)點2有直接的創(chuàng)造性貢獻，代表作8。參加該項研究期間，60%的工作時間用于與本項目有關(guān)的科研工作。

蔣新

承擔黏土表面雙電層的相互作用與表面電荷和離子分布關(guān)系的研究，對其他重要發(fā)現(xiàn)點3有直接的創(chuàng)造性工作，代表作9。參加該項研究期間，有50%的工作時間用于與本項目有關(guān)的科研工作。