基礎(chǔ)土壤學(xué)研究的方法論思考：基于土壤化學(xué)的視角*

李 航 楊 剛

（土壤多尺度界面過程與調(diào)控重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 重慶 400716）

基礎(chǔ)土壤學(xué)研究的方法論思考：基于土壤化學(xué)的視角*

李 航 楊 剛

（土壤多尺度界面過程與調(diào)控重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 重慶 400716）

長期以來，不少人片面地認(rèn)為，土壤學(xué)在學(xué)科屬性上僅是應(yīng)用型的，在研究手段上僅是實(shí)驗(yàn)型的，在研究方法上必須是整體綜合的。本文系統(tǒng)地分析了這些片面認(rèn)識(shí)對(duì)土壤學(xué)發(fā)展的危害，提出土壤學(xué)發(fā)展應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)“分析”的方法，并在深入分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自然而系統(tǒng)的綜合。闡述了土壤學(xué)研究的三個(gè)基本觀點(diǎn)：一是充分認(rèn)識(shí)土壤系統(tǒng)的特殊性根基在于其對(duì)物質(zhì)亞原子結(jié)構(gòu)的重大影響。與普通水溶液中的情況相比，土壤中的離子、原子和分子在本質(zhì)上已發(fā)生了很大變化。所以，如果土壤確實(shí)從亞原子尺度上改變了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，開展土壤學(xué)中獨(dú)特的量子效應(yīng)研究將是重要的。其次，充分考慮土壤系統(tǒng)的特殊性，在方法上應(yīng)從宏觀尺度、介觀尺度、分子尺度至亞原子尺度對(duì)土壤進(jìn)行逐級(jí)分解簡化，并借助于量子力學(xué)原理和方法，最終，在亞原子尺度上徹底剖析土壤，以獲得土壤學(xué)自己的科學(xué)基礎(chǔ)。第三，以土壤中獨(dú)特的量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的研究，可構(gòu)建“亞原子結(jié)構(gòu)—土壤微觀機(jī)制—宏觀效應(yīng)”三者間的直接關(guān)聯(lián)，由此實(shí)現(xiàn)土壤中不同尺度間科學(xué)原理的自然轉(zhuǎn)換，最終構(gòu)建獨(dú)立的土壤學(xué)知識(shí)體系。

先分析后綜合；多尺度分解；亞原子結(jié)構(gòu)；量子力學(xué)

美國土壤學(xué)會(huì)前主席Gardner曾說：“一些人（錯(cuò)誤地）認(rèn)為與土壤有關(guān)的知識(shí)值得了解的已完全了解，目前要做的僅僅是對(duì)這些知識(shí)加以適當(dāng)?shù)膽?yīng)用而已。即使學(xué)識(shí)淵博的科學(xué)家也常常錯(cuò)誤地認(rèn)為，其他學(xué)科發(fā)現(xiàn)的自然科學(xué)規(guī)律和理論，不需要任何想象和創(chuàng)新就可以直接運(yùn)用于土壤學(xué)的研究當(dāng)中。在他們看來，土壤學(xué)不過是應(yīng)用生物學(xué)、應(yīng)用化學(xué)或者應(yīng)用物理學(xué)的一種表現(xiàn)形式”；并指出：“所有那些認(rèn)為我們對(duì)土壤完全了解的人們，會(huì)發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)置身于一百年前相信科學(xué)知識(shí)是有極限的自然科學(xué)家的行列”［1］。的確，當(dāng)今土壤學(xué)的研究現(xiàn)狀堪憂：一是與土壤有關(guān)的應(yīng)用研究越來越火熱，但與其基礎(chǔ)理論和原理相關(guān)的研究相對(duì)慘淡；其次是越來越多的冠以“土壤學(xué)”的研究卻偏離了“土壤”本身。雖然，在學(xué)科交叉領(lǐng)域出現(xiàn)暫時(shí)性的偏離是非常必要的，但如果越來越多的研究長期偏離“土壤”這一獨(dú)特體系而漸行漸遠(yuǎn)，“土壤學(xué)”這門學(xué)科或?qū)⒆罱K被“撕裂”。尤其值得注意的是，今天的“土壤學(xué)”教科書與半個(gè)世紀(jì)前的相比，其核心知識(shí)內(nèi)容幾乎無變化，過時(shí)的甚至錯(cuò)誤的概念與知識(shí)俯拾即是。這些現(xiàn)象似乎給基礎(chǔ)土壤學(xué)的未來展現(xiàn)了一幅悲涼的畫面。

基礎(chǔ)土壤學(xué)作為一門獨(dú)特的自然科學(xué)，它還有未來嗎？如果有，如何叩開這扇“未來”大門？這可能是近10～20年間基礎(chǔ)土壤學(xué)研究者共同思考的一個(gè)重要問題，而且，目前仍未找到準(zhǔn)確的答案。本文認(rèn)為，當(dāng)今最緊迫的任務(wù)是對(duì)土壤學(xué)這門學(xué)科的發(fā)展進(jìn)行深刻的“方法論”思考（更確切地說是“反思”），以期獲得叩開“未來”知識(shí)大門的鑰匙。本文旨在拋出一些經(jīng)過認(rèn)真思考的有關(guān)方法論的淺見，以求得學(xué)術(shù)界對(duì)基礎(chǔ)土壤學(xué)研究“方法論”的關(guān)注和再思考。

1 對(duì)“盲人摸象”寓意的反思

中國人對(duì)“盲人摸象”的故事并不陌生，它給我們的啟示是：不能片面地看待和認(rèn)識(shí)問題，否則將得出錯(cuò)誤的、甚至荒謬的結(jié)論，如同“只能片面”地認(rèn)識(shí)那頭大象的盲人們，有的聲稱大象像扇子，有的聲稱像柱子，還有的堅(jiān)持認(rèn)為像繩子，……這里強(qiáng)調(diào)“只能片面”這幾個(gè)字，是因?yàn)槊と瞬豢赡苡醚劬Α翱辞濉贝笙蟮娜病?/p>

在土壤學(xué)界，已經(jīng)到了不得不認(rèn)真反思這個(gè)故事寓意的時(shí)候。試問：土壤學(xué)研究者面對(duì)“土壤”這個(gè)復(fù)雜的實(shí)體，與盲人面對(duì)那頭大象的外觀形態(tài)在本質(zhì)上又有何區(qū)別？我們雖然有明亮的眼睛，能夠看清土壤中的電子如何運(yùn)動(dòng)嗎？能夠看清土壤中原子、離子和分子如何相互作用嗎？能夠看清Ca2+如何強(qiáng)化腐殖質(zhì)與黏土之間相互作用從而提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性嗎？能夠看清H+的吸附如何引起硅氧四面體和鋁氧八面體解體進(jìn)而導(dǎo)致Al3+的釋放和土壤酸化嗎？……答案是顯而易見的：“絕無可能！”

其實(shí)，人們?cè)诿鎸?duì)一個(gè)實(shí)體的內(nèi)在運(yùn)行機(jī)制與盲人面對(duì)一頭大象的外觀形態(tài)時(shí)，在很多方面是類似的。除了采用“盲人摸象”式的探索與研究之外，還能有什么更好的方法可揭示土壤內(nèi)部復(fù)雜過程的發(fā)生機(jī)制？面對(duì)土壤的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，研究者就如同“盲人”。我們應(yīng)該向那些摸象的盲人學(xué)習(xí)，因?yàn)樗麄兠降摹按笸取?、“耳朵”等雖然均不能代表大象，卻是大象身體真實(shí)存在的一部分，盲人畢竟用自己的方式獲得了正確的局部信息。試想，如果盲人能夠做到不“以偏概全”，堅(jiān)信各自獲得了正確的局部信息，那么，這些盲人就將“繼續(xù)摸下去”，以獲得更多的局部信息。毫無疑問，最終，大象的完整形象將清晰地呈現(xiàn)于盲人的腦海之中。這就是我們所熟悉的“先分析后綜合”的方法論。但非常遺憾，在這個(gè)故事中，最重要的這后半部分并未出現(xiàn)。如果這后半部分在故事中出現(xiàn)了，或許它可帶給人們更有益的啟示。

2 人類自然科學(xué)發(fā)展史的啟示

人類已經(jīng)創(chuàng)立了如此發(fā)達(dá)的現(xiàn)代自然科學(xué)，大多基于“先分析后綜合”的方法論基礎(chǔ)。正如羅杰·科茨［2］在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的序言中所說：“從某些選擇的現(xiàn)象用分析法導(dǎo)出自然界的力和更單純的力的定律，然后由它們通過綜合法給出其他現(xiàn)象的構(gòu)造。這是最佳的哲學(xué)方法，是我們無與倫比的作者（牛頓）認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先采用的方法”。

為什么亞里斯多德“運(yùn)動(dòng)的物體要繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，必須有力來維持”的錯(cuò)誤理論統(tǒng)治了人類長達(dá)近2 000年？原因有兩方面：一是地球上任何一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)均是受多個(gè)力同時(shí)支配的復(fù)雜受力系統(tǒng)，如果不對(duì)這個(gè)復(fù)雜受力系統(tǒng)進(jìn)行“選擇性”的分解、簡化和抽象，就僅能獲得表象信息，無法洞察其內(nèi)在本質(zhì)；二是由于這種非本質(zhì)的表象性理論與人們的感官所獲得的經(jīng)驗(yàn)正好相符，所以，這些表象性理論能夠迅速被人們所接受并傳播。而且，要糾正這種偏見也將極其困難。這正如 “堅(jiān)實(shí)的土塊可被雨滴直接擊碎”這一荒謬的表象性解釋一經(jīng)提出便立即被土壤學(xué)界普遍接受，并至今作為土壤流失主要?jiǎng)恿Φ恼y(tǒng)解釋一樣。

在亞里斯多德提出上述理論大約2 000年后，伽利略從一個(gè)地球上根本不存在的、極其簡化的抽象運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，這個(gè)極簡的抽象實(shí)驗(yàn)就是考查一個(gè)獲得初始速度的球體在不受任何外力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；谠摮橄筮\(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，伽利略否定了亞里斯多德長達(dá)2 000年的錯(cuò)誤理論，并正確認(rèn)識(shí)到“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”。后來，牛頓對(duì)伽利略的那個(gè)極其簡化的抽象實(shí)驗(yàn)做了進(jìn)一步的研究，即：考慮在斜面上僅有一個(gè)力（即重力），而在平直面上無任何外力存在?；谶@樣一個(gè)在地球上永遠(yuǎn)找不到的極其簡化的力學(xué)系統(tǒng)，牛頓再次挖掘到了偉大的真理，建立了影響人類科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的牛頓第一定律和第二定律。有人肯定會(huì)問：基于一個(gè)在地球上根本就不存在的如此簡化的受力系統(tǒng)，所得理論有實(shí)際意義嗎？因?yàn)?，地球上一個(gè)最簡單的真實(shí)受力系統(tǒng)（如推動(dòng)一塊大石頭）均是由多個(gè)力同時(shí)發(fā)生作用的。今天，土壤學(xué)界的不少研究者可能會(huì)給出這樣的回答：這種研究除了可“忽悠”出幾篇論文外，無任何實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，原因是，如此簡單的受力系統(tǒng)在地球上根本就不存在。比如，剖析0.000 1 mol L-1K+和0.000 1 mol L-1Na+導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異的本質(zhì)原因時(shí)，立即會(huì)遭到“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不合理”這樣的質(zhì)疑（就像質(zhì)疑伽利略和牛頓的抽象實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一樣）：（1）沒有任何一個(gè)土壤只含K+或Na+，所以，這種簡化所得結(jié)論對(duì)于一個(gè)真實(shí)的復(fù)雜土壤而言將是無用的或錯(cuò)誤的；（2）大多數(shù)土壤中Na+含量很低，K+濃度也不可能恰好等于0.000 1 mol L-1，所以，這種研究毫無實(shí)際意義。于是，這些人建議實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮與真實(shí)土壤相一致的電解質(zhì)條件。毫無疑問，如果真的這么做了，就會(huì)像亞里士多德那樣，除了可以得到一些表觀性現(xiàn)象之外，任何內(nèi)在本質(zhì)的信息均不可能獲得。然而，基于簡化和抽象而建立起來的牛頓力學(xué)在任意復(fù)雜力學(xué)體系均能成功應(yīng)用，這一既定事實(shí)啟示我們，決不能輕視或低估這種基于“極端簡化”所推演出來的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。恰恰相反，很多時(shí)候唯有借助這種簡化才能挖掘出現(xiàn)象內(nèi)部所蘊(yùn)含的本質(zhì)，而且，一旦這樣的本質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，它將適用于任意的復(fù)雜條件。

毫無疑問，重視綜合而輕視分析的慣性思維將嚴(yán)重阻礙土壤學(xué)的發(fā)展。常聽到一些人在質(zhì)疑基于分析的土壤學(xué)研究時(shí)說：原本是要研究那頭活的“豬”，但你卻研究了“豬”身上的一根毛。請(qǐng)讀者思考一下，如果要始終保持這頭“豬”處于“活”的完整狀態(tài)，能夠開展的研究將是什么呢？只能是：例如，用不同養(yǎng)分配比的飼料輸入“豬”的胃中，然后測(cè)定“豬”的體重、身高、體長和排泄物量等表觀性指標(biāo)，最后，采用統(tǒng)計(jì)分析方法討論輸入與輸出之間的關(guān)系。今天的大多數(shù)土壤學(xué)研究不正是沿用這條路嗎？這樣的研究能夠帶來重大發(fā)現(xiàn)嗎？能揭示“豬”體內(nèi)某個(gè)器官的結(jié)構(gòu)與功能嗎？亦或能夠揭示器官上某個(gè)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能嗎？值得慶幸的是，研究那頭“豬”的生物學(xué)家們認(rèn)識(shí)到分析方法的重要性并廣泛采用，他們從那根被輕視的“豬毛”上提取到了一個(gè)DNA分子，并由此重新構(gòu)建了那頭活的“豬”。這些基于分析方法的研究，不僅引發(fā)了分子生物學(xué)的興起與蓬勃發(fā)展，并帶來了DNA檢測(cè)、轉(zhuǎn)基因食品和疫苗等重要技術(shù)革命。

實(shí)際上，從牛頓力學(xué)、電磁學(xué)、量子力學(xué)、相對(duì)論到描述復(fù)雜系統(tǒng)的熱力學(xué)以及分子生物學(xué)的相繼建立，人們大多采用了這樣的分析方法。

3 基礎(chǔ)土壤學(xué)研究的方法論思考

當(dāng)然，本文并非全盤否定目前的土壤學(xué)研究的方法論基礎(chǔ)，而是認(rèn)為，土壤學(xué)研究應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)分析方法的重要性，并以“先分析后綜合”的“最佳哲學(xué)方法”來指導(dǎo)未來土壤學(xué)的研究。本文認(rèn)為，當(dāng)前土壤學(xué)研究應(yīng)特別重視以下三種分析方法的實(shí)踐和應(yīng)用。

3.1 基于解剖和分解的分析

基于解剖和分解的分析方法在土壤物質(zhì)組成的研究中曾發(fā)揮了重要作用，使得我們今天能夠更加清晰地了解土壤礦物、土壤有機(jī)物、土壤水以及土壤生物的組成和狀態(tài)，雖然土壤微生物的組成狀況至今仍未得到徹底的解決［3］。在土壤物質(zhì)組成研究中，人們較好地采用了基于解剖和分解的分析方法，但在土壤性質(zhì)和過程的研究方面，這種方法的貫徹和應(yīng)用相當(dāng)不徹底。在土壤性質(zhì)和過程的描述方面，目前的土壤學(xué)幾乎直接借用了物理、化學(xué)和生物學(xué)知識(shí)，很少考慮土壤自身的特殊性。要建立真正屬于土壤學(xué)的相關(guān)理論，應(yīng)該逐級(jí)地解剖土壤，從宏觀、介觀、分子、原子甚至亞原子尺度上充分認(rèn)識(shí)土壤系統(tǒng)的特殊性，并最終通過在亞原子尺度上的徹底分解，獲得土壤學(xué)自己的科學(xué)基礎(chǔ)，才有可能最終建立起獨(dú)立的土壤學(xué)知識(shí)體系。

此處僅舉一個(gè)例子來闡述本方法的應(yīng)用。

前面提到，目前人們普遍認(rèn)為，雨滴撞擊是土壤團(tuán)聚體破碎并引發(fā)土壤流失的關(guān)鍵推動(dòng)力［4］。然而，逐級(jí)分解的研究方法將使我們發(fā)現(xiàn)，這僅是一種表象性認(rèn)識(shí)。

首先，我們將視野從土壤聚焦至其中的一個(gè)團(tuán)聚體，并將該團(tuán)聚體分解至土粒間相互作用的最小單元：任意兩相鄰?fù)亮ｉg的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤（黏土）團(tuán)聚體處于風(fēng)干狀態(tài)時(shí)，其中任意兩相鄰?fù)亮ｉg的引力壓強(qiáng)竟然高達(dá)108Pa［5-9］。因此，雨滴撞擊產(chǎn)生的不足105Pa的撞擊力壓強(qiáng)［10］絕不可能使吸引在一起的兩相鄰?fù)亮７珠_并造成團(tuán)聚體的解體。除雨滴撞擊力之外的其他作用力（滲透壓、非均勻膨脹和閉蓄空氣壓縮等）壓強(qiáng)均遠(yuǎn)小于108Pa，同樣不足以導(dǎo)致該團(tuán)聚體的解體。這表明，水進(jìn)入風(fēng)干狀態(tài)的土壤團(tuán)聚體后還產(chǎn)生了未知作用力。為了找到這種未知作用力，需要將研究對(duì)象做進(jìn)一步分解。

現(xiàn)在將研究對(duì)象進(jìn)一步分解并聚焦至單個(gè)土粒。此時(shí)，首先看到的是土粒表面上的電荷，而且發(fā)現(xiàn)其電荷密度可達(dá)1014～1015個(gè)cm-2［6］，并在土粒表面附近形成108～109V m-1的強(qiáng)電場［7］，而且，該電場使兩相鄰?fù)亮ｉg形成了很強(qiáng)的靜電排斥壓［6-7］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，土粒間的靜電排斥壓隨土壤含水量的增加（電解質(zhì)濃度的降低）而急劇增強(qiáng)［7］。與此同時(shí)，除電荷外，還將看到土粒表面因強(qiáng)大靜電場而聚集了大量水分子，這些水分子使兩相鄰?fù)亮ｉg產(chǎn)生一種新的排斥壓——表面水合排斥壓［7，11-12］。定量研究表明，這兩種排斥壓的總強(qiáng)度高達(dá)109Pa［6-7］。顯然，這個(gè)排斥壓足夠去抗衡108Pa的引力壓強(qiáng)，并導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的猛烈膨脹和破碎。僅有當(dāng)土壤團(tuán)聚體膨脹破碎至土粒間平均距離超過3～5 nm時(shí)，雨滴撞擊力才起支配作用并控制后續(xù)過程的進(jìn)行［6-7］。

然而，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)那個(gè)風(fēng)干的土壤團(tuán)聚體分別含K+或Na+時(shí)，其穩(wěn)定性表現(xiàn)出了成倍的差異［13-14］。經(jīng)典理論告訴我們：K+和Na+雖同價(jià)，但離子半徑和水合半徑有差異。因此，這種不可思議的巨大差異是否來自于這兩種離子不同的體積或水合體積呢？要回答這個(gè)問題，必須將研究對(duì)象進(jìn)一步分解至分子與原子尺度。

當(dāng)從分子和原子尺度上研究“離子—H2O—土?！毕嗷プ饔脮r(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)的“K+—土?！毕嗷プ饔媚軒缀醯扔谄浠邳c(diǎn)電荷的理論計(jì)算值的兩倍［15-16］。顯然，基于分子與原子尺度的離子體積和水合作用不能解釋這一結(jié)果。因?yàn)?，考慮離子半徑或水合半徑時(shí)的實(shí)測(cè)能量必定小于基于點(diǎn)電荷的理論計(jì)算值。所以，離子與土粒表面間肯定存在一種基于亞原子尺度的未知相互作用，而且，K+和Na+的上述差異應(yīng)該來自于這種未知的相互作用。

現(xiàn)在讓我們的視野進(jìn)入亞原子尺度，即K+和Na+的原子內(nèi)部。這時(shí)，所看到的兩個(gè)離子的不同將不再是離子體積或水合效應(yīng)，而是離子的電子層結(jié)構(gòu)之間的差異。由于土粒表面附近存在很強(qiáng)的電場和被該電場強(qiáng)烈活化了的表面氧原子，它們使靠近黏土表面的離子（或原子）的能量和量子狀態(tài)發(fā)生了巨大改變［15-17］。定量研究發(fā)現(xiàn)，黏土中的這種獨(dú)特的量子效應(yīng)使Na+、K+和Cs+分別表現(xiàn)出了+1.18、+1.94和+2.40個(gè)表觀電荷［15-16］，而在無黏粒的水介質(zhì)中它們至多表現(xiàn)出+1個(gè)表觀電荷。研究表明，基于亞原子尺度的上述剖析，K+和Na+引起的上述差異可得到圓滿解釋。

為了形象地表達(dá)黏土中獨(dú)特的量子效應(yīng)，圖1給出了黏粒表面附近離子電子云發(fā)生強(qiáng)烈形變（電子能量和量子狀態(tài)的巨大改變而引發(fā)的非經(jīng)典極化作用）的示意圖。

上述討論清晰地表明，若不從宏觀、介觀、分子/原子至亞原子尺度對(duì)土壤逐級(jí)進(jìn)行分解，并最終在亞原子尺度上解釋土壤中獨(dú)特的量子效應(yīng)，很難真正揭示降水導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破碎的內(nèi)在機(jī)制。

圖1 離子在黏粒強(qiáng)電場中的非經(jīng)典極化（核外電子能量和量子狀態(tài)的變化）示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ionic non-classic polarization（changes in extranuclear electronic energy and quantum state）in high field of clay

3.2 基于簡化和抽象的分析

要充分揭示土壤相關(guān)過程的內(nèi)在規(guī)律，僅僅依靠分解和解剖的方法是不夠的，還應(yīng)在此方法的基礎(chǔ)上簡化并抽象化研究體系。正如前面討論人類自然科學(xué)發(fā)展歷程時(shí)所啟示的那樣，無論簡單系統(tǒng)還是復(fù)雜系統(tǒng)，人們大多采用了這樣的方法。

對(duì)于像土壤和生物那樣的復(fù)雜系統(tǒng)而言，這種簡化抽象顯得尤為重要。目前，土壤學(xué)研究現(xiàn)狀總體上表現(xiàn)出了宏觀與微觀研究的嚴(yán)重脫節(jié)。其主要原因是土壤系統(tǒng)過于復(fù)雜，在宏觀與微觀之間建立關(guān)聯(lián)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。目前，開展土壤微觀機(jī)制（如界面化學(xué)反應(yīng)）相關(guān)研究的很少關(guān)注土壤宏觀表現(xiàn)（如前面提到的水土流失）；而開展水土流失宏觀研究的，主要關(guān)注外在因素或外營力作用（如植被狀況、地表覆蓋、坡度、地形地貌和降雨強(qiáng)度等）的影響，而對(duì)內(nèi)在因素至多也僅關(guān)注到土壤礦物/有機(jī)組成、土壤機(jī)械組成、土壤結(jié)構(gòu)孔隙等層面，幾乎未涉及或關(guān)聯(lián)水土流失發(fā)生的基于原子與分子層面的深層次科學(xué)基礎(chǔ)。

為與前面的討論內(nèi)容相呼應(yīng)，此處舉一個(gè)關(guān)于金屬離子界面反應(yīng)如何影響土壤水運(yùn)動(dòng)的例子。土壤結(jié)構(gòu)與孔隙的穩(wěn)定性取決于水進(jìn)入土壤團(tuán)聚體后土粒間的作用力，而這些作用力又是由包括金屬離子界面反應(yīng)在內(nèi)的各種界面過程決定的。由于土壤結(jié)構(gòu)與孔隙的穩(wěn)定性不僅影響到地表水入滲和土壤水傳輸，也影響土粒向水中的分散過程。所以，土壤中固液界面反應(yīng)的微觀過程必定影響土壤水入滲、土壤水運(yùn)動(dòng)和水土流失等宏觀現(xiàn)象的發(fā)生。

現(xiàn)在，將一個(gè)真實(shí)土壤進(jìn)行簡化和抽象化：從田間取回紫色土（紫色濕潤雛形土），將其中所有陽離子分別用Li+、Na+或K+代換，所有陰離子用Cl-代換，從而得到經(jīng)“簡化抽象”了的“X+-紫色土”（其中X+=Li+、Na+或K+）。圖2是入滲時(shí)間為150 min時(shí)“X+-紫色土”中水的垂直分布圖［18］。

圖2 同一紫色土（X+-紫色土）含不同一價(jià)陽離子（Li+、Na+或K+）時(shí)水分入滲150 min后的含水量分布［18］Fig. 2 Distribution of soil moisture content in the same purple soil containing cations（Li+，Na+or K+）different in valence after valence150 min of infiltration［18］

圖2表明，同一土壤僅因陽離子不同而導(dǎo)致土壤水運(yùn)動(dòng)速度的差異是相當(dāng)驚人的。通過這種“簡化與抽象”，不僅可看到這種不可思議的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且可找到影響土壤水運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)原因?！锻寥缹W(xué)》相關(guān)教科書中提到：土壤水勢(shì)梯度決定土壤水運(yùn)動(dòng)速度，這是借用了熱力學(xué)中自由能的概念建立起來的理論。但這僅僅是一個(gè)表象性的理論，還需要刨根究底：土壤水的自由能又是由什么物理機(jī)制決定的呢？通過這種簡化抽象，發(fā)現(xiàn)影響土壤水運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)原因是：金屬離子界面反應(yīng)中的靜電效應(yīng)和量子效應(yīng)深刻影響了土壤中的電場，以及土壤礦物—礦物和礦物—有機(jī)相互作用力的性質(zhì)和強(qiáng)度，進(jìn)而影響了土壤水的勢(shì)能梯度，并最終影響了土壤水的運(yùn)動(dòng)速度［18］。而且，該研究還提供了一種新的可能：人們可通過調(diào)節(jié)這種界面上的靜電和量子效應(yīng)來調(diào)節(jié)土壤這一多孔介質(zhì)水分傳輸速度。

誠然，田間紫色土中水的運(yùn)動(dòng)速度與經(jīng)上述簡化抽象后的紫色土可能大相徑庭，但通過簡化抽象揭示了科學(xué)本質(zhì)：金屬離子界面反應(yīng)的量子效應(yīng)和靜電效應(yīng)深刻影響（甚至控制著）土壤水的運(yùn)動(dòng)，將普遍適用于任何復(fù)雜的土壤系統(tǒng)。這正如伽利略和牛頓對(duì)運(yùn)動(dòng)和力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行簡化抽象，雖然真實(shí)的球體運(yùn)動(dòng)情況和簡化抽象后的可能截然不同，但簡化抽象后揭示的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)本質(zhì)則適用于任何真實(shí)而復(fù)雜的系統(tǒng)。

3.3 基于計(jì)算和模擬的分析

此處所談的計(jì)算和模擬特指量子力學(xué)計(jì)算和基于量子力學(xué)的理論模擬。因?yàn)?，正是基于量子力學(xué)計(jì)算才建立了現(xiàn)代自然科學(xué)及其實(shí)驗(yàn)手段，而且，歷史上“無一例外”地證明了量子力學(xué)的理論計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映微觀世界的部分內(nèi)在規(guī)律。例如，求解量子力學(xué)基本方程——薛定諤方程得到原子核外的電子構(gòu)象等，雖然至今仍未得到實(shí)驗(yàn)的“直接”證實(shí)，然而，若沒有這樣的純理論計(jì)算就沒有現(xiàn)代自然科學(xué)。所以，如果黏土確實(shí)從亞原子尺度上改變了物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，那么，開展土壤學(xué)中獨(dú)特的量子力學(xué)計(jì)算將是重要的。

下面舉兩個(gè)例子說明土壤系統(tǒng)獨(dú)特的量子力學(xué)計(jì)算的重要價(jià)值。

第一個(gè)例子是蛭石或伊利石中K+-O鍵的形成。蛭石或伊利石中K+嵌入了由六個(gè)氧原子所形成的復(fù)三方孔隙，并形成了K+-O鍵（內(nèi)圈配合［19］）。但同樣的2∶1型礦物，蒙脫石卻不能形成那個(gè)K+-O鍵（外圈配合［19］）。原因是什么？傳統(tǒng)的土壤學(xué)解釋為，黏土帶負(fù)電而K+帶正電，并且，K+離子半徑與那個(gè)孔的半徑相當(dāng)，所以就嵌進(jìn)去了。非常遺憾，這個(gè)缺乏基本說服力的解釋，幾乎被整個(gè)土壤學(xué)界所接受。第一，蒙脫石也帶負(fù)電，而且也有那個(gè)復(fù)三方孔隙，為什么K+卻無法嵌入蒙脫石的復(fù)三方孔隙而形成K+-O鍵？其次，在水溶液中K+是水化了的，那么，K+嵌入蛭石或伊利石復(fù)三方孔隙時(shí)這些水分子是如何被剝掉的？第三，正負(fù)電荷相吸的確可使K+向黏粒表面氧原子靠近，但是，當(dāng)二者之間的距離到達(dá)一定程度后，K+的電子云與復(fù)三方孔隙中六個(gè)氧的電子云之間的強(qiáng)烈排斥將導(dǎo)致，K+的電子云邊界與孔隙周圍六個(gè)氧的電子云邊界之間必須維持相當(dāng)?shù)木嚯x。然而，當(dāng)將這個(gè)排斥空間考慮進(jìn)去后，K+就進(jìn)不去了（那個(gè)復(fù)三方孔隙的直徑是0.26 nm［19］，而K+的直徑約為0.266～0.304 nm［20］）。顯然，唯一可能的解釋是：K+與蛭石或伊利石復(fù)三方孔隙的氧原子之間存在十分強(qiáng)烈的量子力學(xué)效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生了極強(qiáng)的K+-O鍵合作用。相比而言，K+在蒙脫石上卻不存在如此強(qiáng)烈的量子力學(xué)效應(yīng)，因而，無法形成強(qiáng)的K+-O鍵。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)也證明，K+在蒙脫石表面上也存在獨(dú)特的量子力學(xué)效應(yīng)［15-16，21］，只是其強(qiáng)度較蛭石或伊利石K+-O鍵的強(qiáng)度弱。由于蛭石或伊利石形成時(shí)，其同晶替代主要發(fā)生在離晶體表面最近的硅氧四面體中，而蒙脫石的同晶替代則主要發(fā)生在鋁八面體中［19］，所以，伊利石的表面電場和表面氧原子的活性（由電子的量子態(tài)決定）均遠(yuǎn)大于蒙脫石。顯然，要揭示黏土中這種獨(dú)特量子效應(yīng)的物理機(jī)制，必須開展基于量子力學(xué)的計(jì)算和模擬研究。

第二個(gè)例子是土壤酸化發(fā)生機(jī)制。不少研究土壤的人均簡單理解了“酸化”這一概念，認(rèn)為土壤pH降低就意味著土壤酸化了。有許多因素可導(dǎo)致土壤pH出現(xiàn)暫時(shí)性的降低（如施銨態(tài)氮肥或秸稈還田），而當(dāng)導(dǎo)致pH降低的這些因素（或氫離子來源）消失后，土壤pH又會(huì)逐漸恢復(fù)。因此，應(yīng)將這種暫時(shí)性pH下降稱為“假性酸化”。土壤學(xué)教科書明確指出，土壤是否真正酸化，不完全在于土壤pH的高低，而在于有無鋁八面體解體而導(dǎo)致的Al3+釋放，并使部分土壤膠體轉(zhuǎn)變成鋁質(zhì)膠體。只是不同酸化程度的土壤，鋁八面體的破壞程度和鋁離子積累程度不同。然而，一旦出現(xiàn)鋁八面體解體和鋁離子釋放后，土壤要自然恢復(fù)至中性將是不可能的。所以，土壤酸化的基本標(biāo)志應(yīng)是：土壤pH降低后難以自然恢復(fù)至中性的情況。當(dāng)然，此處關(guān)注的是酸化發(fā)生的機(jī)制。土壤學(xué)教科書已經(jīng)提到，鋁八面體解體和鋁離子釋放的前提是H+在黏粒表面的吸附要達(dá)到一定數(shù)量。問題的關(guān)鍵是，H+在黏粒表面的吸附如何導(dǎo)致硅四面體和鋁八面體解體？這涉及黏土這一特定系統(tǒng)中亞原子尺度上的原子軌道（如H-O-原子）信息，同樣地，開展土壤中的量子力學(xué)計(jì)算能夠給出最終的答案。

上述例子僅僅是土壤眾多（包括物理、化學(xué)和生物學(xué)）過程中的“冰山一角”。但這些例子已經(jīng)清晰地表明：由于土壤系統(tǒng)的特殊性，在很多時(shí)候，必須從亞原子尺度去重新審視和認(rèn)識(shí)，而揭示亞原子尺度內(nèi)在規(guī)律最有力的手段就是求解給定體系的薛定諤方程。因此，以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算和模擬方法在土壤學(xué)研究中必將發(fā)揮重要作用。當(dāng)然，實(shí)際上土壤學(xué)研究一般從觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象開始，然后才有理論研究，土壤這一獨(dú)特系統(tǒng)的量子效應(yīng)研究就是以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為基礎(chǔ)的理論研究。

4 結(jié) 論

土壤學(xué)發(fā)展應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)分析方法的應(yīng)用，并在深入分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自然而系統(tǒng)的綜合。本文認(rèn)為土壤學(xué)研究應(yīng)充分認(rèn)識(shí)土壤系統(tǒng)的特殊性根基在于其對(duì)物質(zhì)亞原子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特影響，并認(rèn)為開展土壤學(xué)中獨(dú)特的量子效應(yīng)研究將是重要的?；诖颂厥庑裕疚奶岢鲈诜椒ㄉ蠎?yīng)該從宏觀、介觀、分子至亞原子尺度對(duì)土壤進(jìn)行逐級(jí)分解簡化，并借助于量子力學(xué)原理和方法，最終在亞原子尺度上徹底剖析土壤。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建“亞原子結(jié)構(gòu)—土壤微觀機(jī)制—宏觀效應(yīng)”三者間的直接關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)土壤中不同尺度間科學(xué)原理的自然轉(zhuǎn)換，從而最終構(gòu)建獨(dú)立的土壤學(xué)知識(shí)體系。必須指出，本文僅提供了一個(gè)關(guān)于基礎(chǔ)土壤學(xué)研究方法論的思考。在所提觀點(diǎn)的論證過程中，雖然僅用了幾個(gè)例子作為其論點(diǎn)的支撐，易給讀者留下“以偏概全”的印象，但這些例子所反映的土壤系統(tǒng)的特殊性，足以表達(dá)建立土壤學(xué)獨(dú)立知識(shí)體系的必要性，以及采用以“分析”為基礎(chǔ)的方法的重要性。同時(shí)，必須基于土壤本身去認(rèn)識(shí)土壤的相關(guān)過程，從而建立土壤學(xué)自己的知識(shí)體系，而不是僅僅將其他學(xué)科的知識(shí)直接引進(jìn)，因?yàn)轲ね馏w系中的問題僅有土壤學(xué)才普遍關(guān)注，黏土體系中亞原子尺度的獨(dú)特效應(yīng)也僅有土壤中才普遍存在。

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Rethink the Methodologies in Basic Soil Science Research：From the Perspective of Soil Chemistry

LI Hang YANG Gang
（Chongqing Key Laboratory of Soil Multi-Scale Interfacial Processes，College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing 400716，China）

For a long time，quite a number of people one-sidedly believe that soil science is merely an applied science，and its research tools are merely experimental，while its research methodology should be holistic and integrative. In this paper，systems analysis was done of the perniciousness of this one-sided presumption to development of the soil science，and it was proposed that development of the soil science in future should stress the use of analytical methods and a natural systematic integration should be realized on the basis of such in-depth analyses. Three basic viewpoints were then put forward and elaborated：1）it is essential to be fully aware that the peculiarities of the soil systems root in their fundamental impacts on subatomic structures. For example，in common aqueous solutions，Li+，K+and Cs+will definitely not exceed +1.00 in effective charge and instead should fall below +1.00 due to cationic volumes and hydration effects；however，their effective charges burgeon respectively to +1.05，+1.94 and +2.40 when these ions are placed at the interface of clays in aqueous solutions，as a result of the profound impact of clay on the energetic and quantum states of these cation electrons. In other words，cations（as well as atoms and molecules）at clay interfaces are essentially different from those in aqueous solutions. 2）Considering peculiarities of the soil systems，methodologically the soils should be hierarchized by scale i.e. macroscopic，mesoscopic，molecular，atomic and subatomic scales，and eventually analyzed by means of the principles and methodology of quantum mechanics at the subatomic scale. And 3）Through researches based on the quantum effect unique to the soil，direct correlations between subatomic structures，soil microscopic mechanisms and macroeffect could be established，hence to realize，an natural conversion of scientific principles between different scales of soil. And in the end an independent and self-consistent pedological knowledge system will be constituted. Here it is a must to emphasize that this paper is intended to provide some ideas about methodology of the research on basic soil science. Although it may be too much of a generalization for our arguments to be just supported by several special examples，the particularities of the soil systems those samples reflect sufficiently express the necessity to establish an independent and self-consistent knowledge system for soil science，and the importance of analytical methods in the establishment.

Analysis and synthesis；Multi-scale decomposition；Electronic shell structure；Quantum mechanics

S15；N3

A

（責(zé)任編輯：陳榮府）

10.11766/trxb201703310602

* 國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41530855）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41530855）

李 航（1963—），教授，主要從事界面化學(xué)與土壤化學(xué)的研究。E-mail：lihangswu@163.com

2017-03-31；

2017-05-02；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-05-04