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项目名称: 可变电荷土壤的电化学特征及其化学表现的研究

推荐单位: 中国科学院

项目简介: 1.所属科学技术领域

本项目属于地球科学领域中土壤学的基础研究。

2.主要研究内容

(1)研究不同类型土壤的表面电荷数量、电荷密度及其影响因素。揭示了可变电荷土壤的一系列表面电荷特征。

(2)研究土壤胶体与离子间的反应平衡。在此基础上,探讨两类土壤表面与离子间的相互作用及其机理。发现可变电荷土壤中,传统上认为典型的电性吸附的氯离子可以发生专性吸附;发现土壤化学中以前从未观察到的阳离子(钠)的负吸附。

(3)研究土壤胶体与离子之间的动态反应。在此基础上,从定量的角度区分不同类型土壤与离子间的作用力和作用能。发现电导频散现象可以区分不同离子与土壤胶体之间的作用力。

(4)研究土壤与质子(氢离子)间的反应。在此基础上,描述不同条件下不同类型土壤胶体表面的酸碱平衡情况。发现可变电荷土壤的酸度性质和酸化机理明显不同于恒电荷土壤,石灰位可以更好地反映土壤酸度性质。

(5)研究土壤与电子间的反应及其对氧化还原性质的影响。阐明了不同氧化还原体系之间的反应动力学和氧化还原性质的强度因素与数量因素的关系。

3.科学价值

长期以来土壤化学建立在对恒电荷土壤的认识基础上,其中某些理论是不全面或有缺陷的,本成果为综合两类土壤的特点而成的较全面的土壤化学体系的建立提供了重要条件。

两类土壤的表面电化学性质不同,对它们的改良和利用也应有所不同。本成果可为不同类型土壤的合理管理、利用和改良措施的拟定提供科学依据。

4.同行评价情况及引用

本项目出版中、英文专著各1部,发表论文210篇,被SCI收录54篇,被CSCD收录74篇。1991年以来论著被SCI他引167次,被CSCD他引186次。引用者除土壤学外,还有农学和地学及技术科学等。英文专著多次被欧、美、日的土壤学杂志介绍,认为"本书代表了我们对可变电荷土壤的认识的重要一步"(Europ.J. Soil Sci.),"对涉及土壤化学的每一个人都是一本有价值的著作, 特别是热带和亚热带地区对生产和污染问题有兴趣的科学家"(Agrochim)。

主要发现点: 1、核心发现点: (1) 发现了传统上认为纯电性吸附的氯离子在可变电荷土壤中可以发生专性吸附。从三种阴离子在可变电荷土壤表面吸附亲和力的比较、氯离子吸附对表面电荷的影响及吸附过程中羟基的释放等方面,证明氯离子在可变电荷土壤中可以发生专性吸附。这一发现澄清了土壤化学中长期存在的土壤中是否有纯电性吸附的问题。该发现点属土壤化学,代表作1-3; (2) 观察到可变电荷土壤中钠离子有负吸附。对于可变电荷土壤,观察到在pH充分低时,如果有吸附能更高的离子如钾离子存在,则可出现钠离子的负吸附。这是土壤学中过去从未观察到的现象。该发现点属土壤化学,代表作1; (3) 证明了离子扩散受表面电荷的强烈影响。用独特的原位测定方法,研究证明离子扩散受土壤表面电荷的强烈影响。土壤铁、铝氧化物含量、pH等影响土壤表面电荷的因素均对离子的扩散产生重要影响。该发现点属于土壤化学,代表作1和4; (4) 阐明了氢离子在可变电荷土壤中三种去向的相对贡献及其动力学。三种去向的相对贡献决定于土壤铁、铝氧化物的含量和黏土矿物的组成。三种去向中,转变为正电荷的速度最快,其次是转变为交换性酸,消耗于释放铝的速度最慢。该发现点属于土壤化学,代表作1和5; (5) 证明低分子量有机酸可以改变可变电荷土壤的表面电荷和动电性质。研究发现有机酸在土壤表面的专性吸附导致土壤表面正电荷减小,表面负电荷增加。有机酸也影响动电电位,并降低土壤等电点(IEP)。该发现点属于土壤化学,代表作6和7。

2、其他重要发现点:(1) 发现了可变电荷土壤的酸化机制与恒电荷土壤者显著不同。从土壤矿物组成与酸缓冲能力的关系、质子与表面的反应、土壤的交换性碱及不同酸与2类土壤的反应等方面比较了2类土壤酸化的特点,阐明了2者的不同之处。实现了土壤石灰位的直接测定,研究发现土壤石灰位比pH更能反映土壤的酸度性质,可以用作土壤酸度的分级指标。该发现点属于土壤化学,代表作1; (2) 阐明了有机还原性物质与铁、锰氧化物之间的反应动力学。发现有机物分解产生的不同强度还原性物质与土壤的反应符合顺序氧化原理,有机还原性物质可发生氧化反应和吸附反应,铁、锰氧化物对2种反应的相对贡献不同。该发现点属于土壤化学,代表作1和8;(3) 阐明了黏土胶体表面双电层相互作用与表面电荷和离子分布的关系。导出了描述黏土胶体表面双电层相互作用时电位和离子分布方程,探明了相互作用时表面电荷特征,较好地解释了一些表面化学现象。该发现点属于土壤化学,代表作9;(4) 发现电导中的频散现象和Wien效应可以用作衡量土壤与离子作用强度的指标,比较不同离子吸附亲和力的大小。该发现点属于土壤化学,代表作1和10。

主要完成人: 于天仁

是本项目的总设计人,研究成果的主要贡献者,对核心发现点3、4和其它重要发现点1有直接的创造性贡献,代表作1,4和5;对核心发现点1和其他重要发现点4有重要贡献,代表作3和10。自该项目开始至2004年5月去世前,每年绝大部分工作时间均用于与本项目有关的研究工作(80%的年工作量)。

季国亮

是本项目的设计人之一,研究成果的主要贡献者,主要承担阴离子和阳离子的电性吸附的研究工作,对核心发现点1和2有直接的创造性贡献,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%的工作时间用于与本项目有关的研究工作。

徐仁扣

参与项目后期研究计划的制订及研究工作的组织和实施,是研究成果的主要贡献者,对核心发现点5有直接的创造性贡献,代表作6和代表作7。自1991年7月参加该项工作以来,每年有85%工作时间用于与本项目有关的科研工作。

丁昌璞

承担土壤氧化还原过程的研究工作,是本项成果的主要贡献者,对其他重要发现点2有直接的创造性贡献,代表作8。参加该项研究期间,60%的工作时间用于与本项目有关的科研工作。

蒋新

承担黏土表面双电层的相互作用与表面电荷和离子分布关系的研究,对其他重要发现点3有直接的创造性工作,代表作9。参加该项研究期间,有50%的工作时间用于与本项目有关的科研工作。

文章录入:曹宁    责任编辑:王坤 
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