項目名稱： 可變電荷土壤的電化學特征及其化學表現的研究

推薦單位： 中國科學院

項目簡介： 1.所屬科學技術領域

本項目屬于地球科學領域中土壤學的基礎研究。

2.主要研究內容

(1)研究不同類型土壤的表面電荷數量、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平衡。在此基礎上，探討兩類土壤表面與離子間的相互作用及其機理。發現可變電荷土壤中，傳統上認為典型的電性吸附的氯離子可以發生專性吸附；發現土壤化學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反應。在此基礎上，從定量的角度區分不同類型土壤與離子間的作用力和作用能。發現電導頻散現象可以區分不同離子與土壤膠體之間的作用力。

(4)研究土壤與質子(氫離子)間的反應。在此基礎上，描述不同條件下不同類型土壤膠體表面的酸堿平衡情況。發現可變電荷土壤的酸度性質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。

(5)研究土壤與電子間的反應及其對氧化還原性質的影響。闡明了不同氧化還原體系之間的反應動力學和氧化還原性質的強度因素與數量因素的關系。

3.科學價值

長期以來土壤化學建立在對恒電荷土壤的認識基礎上，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體系的建立提供了重要條件。

兩類土壤的表面電化學性質不同，對它們的改良和利用也應有所不同。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依據。

4.同行評價情況及引用

本項目出版中、英文專著各1部，發表論文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。引用者除土壤學外，還有農學和地學及技術科學等。英文專著多次被歐、美、日的土壤學雜志介紹，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對生產和污染問題有興趣的科學家"(Agrochim)。

主要發現點： 1、核心發現點： (1) 發現了傳統上認為純電性吸附的氯離子在可變電荷土壤中可以發生專性吸附。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生專性吸附。這一發現澄清了土壤化學中長期存在的土壤中是否有純電性吸附的問題。該發現點屬土壤化學，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，則可出現鈉離子的負吸附。這是土壤學中過去從未觀察到的現象。該發現點屬土壤化學，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生重要影響。該發現點屬于土壤化學，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。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，轉變為正電荷的速度最快，其次是轉變為交換性酸，消耗于釋放鋁的速度最慢。該發現點屬于土壤化學，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。研究發現有機酸在土壤表面的專性吸附導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)。該發現點屬于土壤化學，代表作6和7。

2、其他重要發現點：(1) 發現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系、質子與表面的反應、土壤的交換性堿及不同酸與2類土壤的反應等方面比較了2類土壤酸化的特點，闡明了2者的不同之處。實現了土壤石灰位的直接測定，研究發現土壤石灰位比pH更能反映土壤的酸度性質，可以用作土壤酸度的分級指標。該發現點屬于土壤化學，代表作1； (2) 闡明了有機還原性物質與鐵、錳氧化物之間的反應動力學。發現有機物分解產生的不同強度還原性物質與土壤的反應符合順序氧化原理，有機還原性物質可發生氧化反應和吸附反應，鐵、錳氧化物對2種反應的相對貢獻不同。該發現點屬于土壤化學，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系。導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現象。該發現點屬于土壤化學，代表作9；(4) 發現電導中的頻散現象和Wien效應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。該發現點屬于土壤化學，代表作1和10。

主要完成人： 于天仁

是本項目的總設計人，研究成果的主要貢獻者，對核心發現點3、4和其它重要發現點1有直接的創造性貢獻，代表作1，4和5；對核心發現點1和其他重要發現點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的研究工作(80%的年工作量)。

季國亮

是本項目的設計人之一，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，對核心發現點1和2有直接的創造性貢獻，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，對核心發現點5有直接的創造性貢獻，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，對其他重要發現點2有直接的創造性貢獻，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系的研究，對其他重要發現點3有直接的創造性工作，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的科研工作。