項(xiàng)目名稱(chēng)： 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(guó)科學(xué)院

項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 1.所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域

本項(xiàng)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?jī)?nèi)容

(1)研究不同類(lèi)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(lèi)土壤表面與離子間的相互作用及其機(jī)理。發(fā)現(xiàn)可變電荷土壤中，傳統(tǒng)上認(rèn)為典型的電性吸附的氯離子可以發(fā)生專(zhuān)性吸附；發(fā)現(xiàn)土壤化學(xué)中以前從未觀察到的陽(yáng)離子(鈉)的負(fù)吸附。

(3)研究土壤膠體與離子之間的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，從定量的角度區(qū)分不同類(lèi)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(lèi)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(jī)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(duì)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(dòng)力學(xué)和氧化還原性質(zhì)的強(qiáng)度因素與數(shù)量因素的關(guān)系。

3.科學(xué)價(jià)值

長(zhǎng)期以來(lái)土壤化學(xué)建立在對(duì)恒電荷土壤的認(rèn)識(shí)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(lèi)土壤的特點(diǎn)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(lèi)土壤的表面電化學(xué)性質(zhì)不同，對(duì)它們的改良和利用也應(yīng)有所不同。本成果可為不同類(lèi)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(píng)價(jià)情況及引用

本項(xiàng)目出版中、英文專(zhuān)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(lái)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(zhuān)著多次被歐、美、日的土壤學(xué)雜志介紹，認(rèn)為"本書(shū)代表了我們對(duì)可變電荷土壤的認(rèn)識(shí)的重要一步"(Europ.J. Soil Sci.),"對(duì)涉及土壤化學(xué)的每一個(gè)人都是一本有價(jià)值的著作, 特別是熱帶和亞熱帶地區(qū)對(duì)生產(chǎn)和污染問(wèn)題有興趣的科學(xué)家"(Agrochim)。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 1、核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： (1) 發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)上認(rèn)為純電性吸附的氯離子在可變電荷土壤中可以發(fā)生專(zhuān)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(duì)表面電荷的影響及吸附過(guò)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(zhuān)性吸附。這一發(fā)現(xiàn)澄清了土壤化學(xué)中長(zhǎng)期存在的土壤中是否有純電性吸附的問(wèn)題。該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)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(fù)吸附。對(duì)于可變電荷土壤，觀察到在pH充分低時(shí)，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(fù)吸附。這是土壤學(xué)中過(guò)去從未觀察到的現(xiàn)象。該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)屬土壤化學(xué)，代表作1； (3) 證明了離子擴(kuò)散受表面電荷的強(qiáng)烈影響。用獨(dú)特的原位測(cè)定方法，研究證明離子擴(kuò)散受土壤表面電荷的強(qiáng)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(duì)離子的擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)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(duì)貢獻(xiàn)及其動(dòng)力學(xué)。三種去向的相對(duì)貢獻(xiàn)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(diǎn)屬于土壤化學(xué)，代表作1和5； (5) 證明低分子量有機(jī)酸可以改變可變電荷土壤的表面電荷和動(dòng)電性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)酸在土壤表面的專(zhuān)性吸附導(dǎo)致土壤表面正電荷減小，表面負(fù)電荷增加。有機(jī)酸也影響動(dòng)電電位，并降低土壤等電點(diǎn)(IEP)。該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)屬于土壤化學(xué)，代表作6和7。

2、其他重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：(1) 發(fā)現(xiàn)了可變電荷土壤的酸化機(jī)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(lèi)土壤的反應(yīng)等方面比較了2類(lèi)土壤酸化的特點(diǎn)，闡明了2者的不同之處。實(shí)現(xiàn)了土壤石灰位的直接測(cè)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(jí)指標(biāo)。該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)屬于土壤化學(xué)，代表作1； (2) 闡明了有機(jī)還原性物質(zhì)與鐵、錳氧化物之間的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。發(fā)現(xiàn)有機(jī)物分解產(chǎn)生的不同強(qiáng)度還原性物質(zhì)與土壤的反應(yīng)符合順序氧化原理，有機(jī)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(duì)2種反應(yīng)的相對(duì)貢獻(xiàn)不同。該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)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(shí)電位和離子分布方程，探明了相互作用時(shí)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(diǎn)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(qiáng)度的指標(biāo)，比較不同離子吸附親和力的大小。該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)屬于土壤化學(xué)，代表作1和10。

主要完成人： 于天仁

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

季國(guó)亮

是本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人之一，研究成果的主要貢獻(xiàn)者，主要承擔(dān)陰離子和陽(yáng)離子的電性吸附的研究工作，對(duì)核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1和2有直接的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，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(shí)間用于與本項(xiàng)目有關(guān)的研究工作。

徐仁扣

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

丁昌璞

承擔(dān)土壤氧化還原過(guò)程的研究工作，是本項(xiàng)成果的主要貢獻(xiàn)者，對(duì)其他重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2有直接的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，代表作8。參加該項(xiàng)研究期間，60%的工作時(shí)間用于與本項(xiàng)目有關(guān)的科研工作。

蔣新

承擔(dān)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(duì)其他重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3有直接的創(chuàng)造性工作，代表作9。參加該項(xiàng)研究期間，有50%的工作時(shí)間用于與本項(xiàng)目有關(guān)的科研工作。