土壤化學(xué)的研究進展及其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位

李廣枝

摘要回顧了我國土壤化學(xué)研究的歷史進程，指出我國土壤化學(xué)最新研究熱點，并闡述了土壤化學(xué)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要地位。

關(guān)鍵詞土壤化學(xué)；研究進展；新近熱點；地位

中圖分類號 S153 文獻標(biāo)識碼A文章編號 1007-5739（2009）02-0258-02

我國土壤化學(xué)研究作為國際土壤化學(xué)研究的有機組成部分，至今已發(fā)展了100多年，研究范疇逐漸從元素化學(xué)向物理化學(xué)轉(zhuǎn)變?？v觀其發(fā)展過程，我國土壤化學(xué)的研究具有鮮明的中國特色，是隨土壤調(diào)查的開展而起步的，最早膠體化學(xué)研究較為興盛；20世紀(jì)30年代中期之后，開始注重土壤吸附特性的研究；20世紀(jì)50年代，隨著土壤資源調(diào)查范圍的擴大，特別是紅壤地區(qū)的調(diào)查，帶動了土壤酸度本質(zhì)、土壤交換性鹽基組成、土壤氧化還原過程以及土壤黏土礦物組成等研究的開展；20世紀(jì)60年代起，特別是70年代中期之后，先后開展了有關(guān)紅黃壤表面化學(xué)、電化學(xué)性質(zhì)以及水合氧化物型表面電荷可變特性及其界面化學(xué)行為等領(lǐng)域的研究，并將反應(yīng)動力學(xué)原理重新引入各相關(guān)領(lǐng)域；20世紀(jì)末期以來，土壤界面化學(xué)的研究明顯活躍；21世紀(jì)開始，隨著環(huán)境污染問題的日益突出，包括重金屬和農(nóng)藥等有機物在內(nèi)的外源污染物進入土壤后的化學(xué)行為迅速成為我國土壤學(xué)界競相關(guān)注的焦點，使得土壤化學(xué)的研究內(nèi)容得到進一步拓展，并迅速突顯趨向活躍。具體研究內(nèi)容上，我國土壤化學(xué)已有的研究工作涉及土壤膠體化學(xué)、土壤界面化學(xué)、土壤有機質(zhì)化學(xué)、土壤養(yǎng)分化學(xué)及土壤污染化學(xué)等各方面，其中以土壤膠體和界面化學(xué)的研究較為系統(tǒng)和深入。近年來，尤其重視土壤的污染化學(xué)，從單純在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的研究拓展到了和應(yīng)用科學(xué)交叉的領(lǐng)域，特別是在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中其占據(jù)了相當(dāng)重要的地位。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要包括種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和漁業(yè)。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅大幅度提高了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)力，并且對農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求。環(huán)境問題的突出導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的安全性問題越來越受到高度重視。發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必需有一個不受污染的環(huán)境條件，農(nóng)業(yè)環(huán)境條件主要包括大氣、灌溉水和土壤。土壤是大部分農(nóng)作物生長的基質(zhì)，土壤也在地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)中起到重要的作用，是銜接各個圈層的中心部位?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)對于環(huán)境的要求也極大的促進了土壤化學(xué)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。

1研究歷史回顧

20世紀(jì)60年代，我國土壤膠體化學(xué)的奠基人熊毅在國內(nèi)開拓了“土壤有機無機復(fù)合體”的研究領(lǐng)域，對“土壤有機無機復(fù)合”作了系統(tǒng)闡述與介紹，由此揭開了我國土壤膠體化學(xué)研究的篇章。研究工作主要涉及到復(fù)合膠體的膨脹性、復(fù)合體中腐殖質(zhì)的氧化穩(wěn)定性、電化學(xué)性質(zhì)等物理化學(xué)特性，以及復(fù)合體形成與土壤肥力的關(guān)系等。

20世紀(jì)80年代初至90年代，隨著相關(guān)土壤膠體理論與研究方法著作相繼出版，極大地推動了我國土壤膠體化學(xué)研究，并逐漸形成了相關(guān)的研究體系和特色。

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，相關(guān)土壤膠體組分與土壤中生物活性分子及微生物間的交互作用成為新的研究熱點。2004年受國際土壤學(xué)聯(lián)合會的委托，在中國武漢成功舉辦了第四屆土壤礦物-有機物-微生物相互作用國際學(xué)術(shù)研討會，并主編出版了近年來該領(lǐng)域研究成果的?？蛯Ｖ?。如熊毅等編著的《土壤膠體》第一、二、三冊等的相繼出版，極大地推動了我國土壤膠體化學(xué)研究，并逐漸形成了相關(guān)的研究體系和特色。對山地土壤中黏土礦物的組合、形成和演化有了新的認(rèn)識，提出了三水鋁石的形成與水平地帶土壤具有不同成因的觀點；從成土條件、過程和膠體物質(zhì)組成與特性等方面，論證了山地土壤隨海拔升高與基帶土壤隨緯度增加的水平變化有很大區(qū)別；熱帶、亞熱帶土壤中的鐵鋁氧化物的表面化學(xué)特點與行為開始受到明顯地關(guān)注；關(guān)于鋁的溶液化學(xué)和酸性土壤中鋁形態(tài)的研究，以及我國南方土壤中氧化鐵類型的區(qū)分、定量方法、分布、礦物學(xué)性質(zhì)、對磷吸附固定及生物有效性的影響研究等都有了一些較明顯的進展。

2土壤化學(xué)最新研究熱點

新近研究側(cè)重點及前沿土壤膠體研究包括黏土礦物和有機礦質(zhì)復(fù)合體，它們是土壤中所有化學(xué)過程和化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，深刻影響著土壤中的礦物形成演化、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、土壤養(yǎng)分有效性、土壤污染物的毒性以及污染土壤的修復(fù)等一系列物理、化學(xué)及生物學(xué)過程，其也一直是我國土壤化學(xué)的研究核心。

新近研究主要從土壤膠體的化學(xué)組成及膠體組分間的相互作用著手。在土壤膠體的化學(xué)組成方面，新近研究發(fā)現(xiàn)，土壤黏土礦物與礦床黏土礦物的形成條件不同，與之相關(guān)的新的研究內(nèi)容涉及黏土礦物和黏粒氧化物的結(jié)晶及其發(fā)生過程溶解反應(yīng)、離子交換釋放機理中基本化學(xué)鍵機制精確量化、氧化還原過程中的電子傳遞、中間體的產(chǎn)生及物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)化與過程等。

劉凡等應(yīng)用XRD、XPS、TEM／HRTEM／ED、FTIR等現(xiàn)代測試技術(shù)和溶液化學(xué)方法較系統(tǒng)研究了不同氣候帶幾種土壤中鐵錳結(jié)核的環(huán)帶構(gòu)造、物質(zhì)組成與土壤環(huán)境的關(guān)系，表面化學(xué)特性；土壤中常見錳礦物的化學(xué)形成與轉(zhuǎn)化條件、表面電荷特點以及對重金屬的吸附、氧化特性和反應(yīng)機制，這促進了土壤氧化錳的礦物學(xué)與錳的土壤化學(xué)行為研究。在有機無機復(fù)合體方面，應(yīng)用膠散法、顆粒分組法、重液分離法及其聯(lián)合法，對復(fù)合體的類型、數(shù)量、形成條件及其與土壤發(fā)生和肥力有關(guān)的內(nèi)容進行了系列研究。

20世紀(jì)末，袁可能、徐建明等針對有機無機復(fù)合體的特性以及不同復(fù)合體之間的轉(zhuǎn)化問題進行了系統(tǒng)和深入的研究，發(fā)現(xiàn)鈣鍵復(fù)合體和鐵鋁鍵復(fù)合體在成分、結(jié)構(gòu)及相關(guān)的肥力性質(zhì)方面都有明顯的差異，且兩類復(fù)合體在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化，如在鈣、鐵、鋁鍵3種復(fù)合體中，以鈣鍵復(fù)合體最易被置換，鋁鍵次之，而鐵鍵復(fù)合體基本上不能被置換，可以通過增加金屬鍵改變復(fù)合體的組成和特性。這極大地推動了有機無機復(fù)合體的理論研究進程。

在土壤膠體組分與生物活性分子相互作用方面，土壤酶是土壤中所有生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑，其活性被認(rèn)為是土壤質(zhì)量和健康的重要指標(biāo)；DNA是各種生物的基本遺傳物質(zhì)。因此，新近研究主要圍繞土壤膠體組分與酶、DNA及蛋白質(zhì)等生物活性分子相互作用的特點、機制及其對生物分子活性影響的原因等角度展開，旨在為闡明土壤組分相互作用的規(guī)律、揭示土壤質(zhì)量的本質(zhì)以及合理調(diào)節(jié)土壤生物活性等提供科學(xué)依據(jù)。

近10多年來，黃巧云等對層狀硅酸鹽礦物、氧化物、腐殖質(zhì)以及土壤膠體等與生物分子的結(jié)合機理及其對生物分子活性的影響進行了一系列深入的研究，發(fā)現(xiàn)土壤礦物、膠體組分對生物大分子的吸附量、親和力等與它們對無機離子和低分子有機化合物的吸附明顯不同，并探討了磷酸根及低分子量有機配體對土壤活性組分表面生物分子吸附的影響，明確了土壤有機質(zhì)在恒電荷和可變電荷土壤對生物分子吸附中的不同作用和貢獻，運用紅外光譜、園二色譜、熒光光譜等手段初步闡明了生物分子在不同類型土壤組分表面結(jié)合的機制、構(gòu)型特點及對生物分子活性影響的根本原因，并進一步運用微量熱技術(shù)從熱力學(xué)角度開展了土壤固相組分與生物大分子、微生物相互作用的研究。

受到研究方法的限制，有關(guān)土壤黏粒礦物等組分與微生物的相互作用，直到近幾年才開始有了一些報道。黃巧云等研究了細(xì)菌存在的條件下，土壤礦物、膠體對金屬吸附的特點及對金屬形態(tài)的影響，建立了黏粒礦物對細(xì)菌吸附的化學(xué)方法，用微量熱技術(shù)探討了常見土壤黏粒礦物對細(xì)菌代謝活性的影響。這些研究對闡明微生物影響下的土壤元素、物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)化及生物有效性特點，揭示微生物活性影響下的土壤元素的歸宿等均非常重要。

總體而言，由于土壤膠體及其組分與生物活性分子、微生物等相互作用的復(fù)雜性，我國土壤膠體化學(xué)研究還有大量的問題有待揭示，許多工作有待進一步深入，如從分子或原子水平探討礦物與微生物的作用機制、礦物-有機物-微生物互作對養(yǎng)分元素的有效性、有機污染物降解以及重金屬毒性的影響等。對這些問題的闡明，除了常規(guī)的物理化學(xué)研究手段外，還需要利用原子力顯微技術(shù)、激光共聚焦掃描顯微鏡、x射線光電子能譜、高精度微量熱技術(shù)等現(xiàn)代分析技術(shù)。土壤膠體及其組分的相互作用的研究，涉及到土壤化學(xué)、微生物學(xué)、膠體化學(xué)、礦物學(xué)等多個領(lǐng)域，如能聯(lián)合不同學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家進行協(xié)作，可望使這方面的研究邁上新的臺階，取得更加豐碩的成果。

我國土壤界面化學(xué)的研究最早可追溯到對土壤表面電荷（土壤一切界面化學(xué)性質(zhì)的根本原因）性質(zhì)的電化學(xué)研究，始于20世紀(jì)60年代，其標(biāo)志是于天仁院士對土壤電化學(xué)的科學(xué)定義以及土壤電荷在土壤電化學(xué)過程中的核心地位的認(rèn)知。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，這種認(rèn)知不斷被實踐所證實，特別是近年來，對電荷發(fā)生理論、電荷數(shù)量測定方法等的研究證實了多數(shù)土壤是永久電荷和可變電荷的共存體系，因而對硅氧烷表面的恒電荷概念提出了質(zhì)疑，并由此推動了可變電荷土壤特性的研究發(fā)展。在此方面，中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤電化學(xué)研究室的研究較為全面，成果突出，已有專著對可變電荷土壤的界面化學(xué)性質(zhì)進行過系統(tǒng)的總結(jié)和提煉，明確了可變電荷土壤不同于恒電荷土壤的固有特性，闡述了帶電粒子（膠粒、離子、質(zhì)子、電子）之間的相互作用及其化學(xué)表現(xiàn)，使我國的土壤電化學(xué)研究在可變電荷土壤的電化學(xué)、水稻土電化學(xué)和土壤電分析化學(xué)等領(lǐng)域的貢獻為國際土壤學(xué)界所矚目。于天仁、陳家坊、李學(xué)垣和季國亮等老一輩土壤化學(xué)家在土壤電荷性質(zhì)研究中的開創(chuàng)性工作，為我國土壤電化學(xué)理論的進一步發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3土壤化學(xué)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位

21世紀(jì)農(nóng)業(yè)科學(xué)的發(fā)展是各學(xué)科的交融、更新、拓展與創(chuàng)新。宏觀方面，3S技術(shù)的廣泛運用，給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化、規(guī)模化提供了先進的技術(shù)支持；微觀方面，土壤微生物特別是土壤化學(xué)領(lǐng)域各個研究理論的飛快發(fā)展，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展做出了重要的貢獻。土壤化學(xué)、微生物學(xué)、膠體化學(xué)、礦物學(xué)多學(xué)科的交融是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要趨勢。土壤化學(xué)在土壤污染的控制與修復(fù)、土壤肥力的提高與高效利用、農(nóng)產(chǎn)品的安全等諸多方面起到了重要的作用。

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