土壤化學的研究進展及其在現代農業生產中的地位

李廣枝

摘要回顧了我國土壤化學研究的歷史進程，指出我國土壤化學最新研究熱點，并闡述了土壤化學在現代農業生產中的重要地位。

關鍵詞土壤化學；研究進展；新近熱點；地位

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

我國土壤化學研究作為國際土壤化學研究的有機組成部分，至今已發展了100多年，研究范疇逐漸從元素化學向物理化學轉變。縱觀其發展過程，我國土壤化學的研究具有鮮明的中國特色，是隨土壤調查的開展而起步的，最早膠體化學研究較為興盛；20世紀30年代中期之后，開始注重土壤吸附特性的研究；20世紀50年代，隨著土壤資源調查范圍的擴大，特別是紅壤地區的調查，帶動了土壤酸度本質、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60年代起，特別是70年代中期之后，先后開展了有關紅黃壤表面化學、電化學性質以及水合氧化物型表面電荷可變特性及其界面化學行為等領域的研究，并將反應動力學原理重新引入各相關領域；20世紀末期以來，土壤界面化學的研究明顯活躍；21世紀開始，隨著環境污染問題的日益突出，包括重金屬和農藥等有機物在內的外源污染物進入土壤后的化學行為迅速成為我國土壤學界競相關注的焦點，使得土壤化學的研究內容得到進一步拓展，并迅速突顯趨向活躍。具體研究內容上，我國土壤化學已有的研究工作涉及土壤膠體化學、土壤界面化學、土壤有機質化學、土壤養分化學及土壤污染化學等各方面，其中以土壤膠體和界面化學的研究較為系統和深入。近年來，尤其重視土壤的污染化學，從單純在基礎科學領域的研究拓展到了和應用科學交叉的領域，特別是在現代農業生產中其占據了相當重要的地位。農業生產主要包括種植業、養殖業和漁業。隨著科技的發展，現代農業生產不僅大幅度提高了農產品的生產力，并且對農產品的質量提出了更高的要求。環境問題的突出導致農產品的安全性問題越來越受到高度重視。發展農業生產必需有一個不受污染的環境條件，農業環境條件主要包括大氣、灌溉水和土壤。土壤是大部分農作物生長的基質，土壤也在地質大循環和生物小循環中起到重要的作用，是銜接各個圈層的中心部位。現代農業對于環境的要求也極大的促進了土壤化學在現代農業領域的發展。

1研究歷史回顧

20世紀60年代，我國土壤膠體化學的奠基人熊毅在國內開拓了“土壤有機無機復合體”的研究領域，對“土壤有機無機復合”作了系統闡述與介紹，由此揭開了我國土壤膠體化學研究的篇章。研究工作主要涉及到復合膠體的膨脹性、復合體中腐殖質的氧化穩定性、電化學性質等物理化學特性，以及復合體形成與土壤肥力的關系等。

20世紀80年代初至90年代，隨著相關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研究，并逐漸形成了相關的研究體系和特色。

20世紀末至21世紀初，相關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年受國際土壤學聯合會的委托，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術研討會，并主編出版了近年來該領域研究成果的專刊和專著。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研究，并逐漸形成了相關的研究體系和特色。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別；熱帶、亞熱帶土壤中的鐵鋁氧化物的表面化學特點與行為開始受到明顯地關注；關于鋁的溶液化學和酸性土壤中鋁形態的研究，以及我國南方土壤中氧化鐵類型的區分、定量方法、分布、礦物學性質、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土壤化學最新研究熱點

新近研究側重點及前沿土壤膠體研究包括黏土礦物和有機礦質復合體，它們是土壤中所有化學過程和化學反應的物質基礎，深刻影響著土壤中的礦物形成演化、土壤結構穩定性、土壤養分有效性、土壤污染物的毒性以及污染土壤的修復等一系列物理、化學及生物學過程，其也一直是我國土壤化學的研究核心。

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

劉凡等應用XRD、XPS、TEM／HRTEM／ED、FTIR等現代測試技術和溶液化學方法較系統研究了不同氣候帶幾種土壤中鐵錳結核的環帶構造、物質組成與土壤環境的關系，表面化學特性；土壤中常見錳礦物的化學形成與轉化條件、表面電荷特點以及對重金屬的吸附、氧化特性和反應機制，這促進了土壤氧化錳的礦物學與錳的土壤化學行為研究。在有機無機復合體方面，應用膠散法、顆粒分組法、重液分離法及其聯合法，對復合體的類型、數量、形成條件及其與土壤發生和肥力有關的內容進行了系列研究。

20世紀末，袁可能、徐建明等針對有機無機復合體的特性以及不同復合體之間的轉化問題進行了系統和深入的研究，發現鈣鍵復合體和鐵鋁鍵復合體在成分、結構及相關的肥力性質方面都有明顯的差異，且兩類復合體在一定條件下可相互轉化，如在鈣、鐵、鋁鍵3種復合體中，以鈣鍵復合體最易被置換，鋁鍵次之，而鐵鍵復合體基本上不能被置換，可以通過增加金屬鍵改變復合體的組成和特性。這極大地推動了有機無機復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反應的催化劑，其活性被認為是土壤質量和健康的重要指標；DNA是各種生物的基本遺傳物質。因此，新近研究主要圍繞土壤膠體組分與酶、DNA及蛋白質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律、揭示土壤質量的本質以及合理調節土壤生物活性等提供科學依據。

近10多年來，黃巧云等對層狀硅酸鹽礦物、氧化物、腐殖質以及土壤膠體等與生物分子的結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，發現土壤礦物、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合的機制、構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從熱力學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的影響，建立了黏粒礦物對細菌吸附的化學方法，用微量熱技術探討了常見土壤黏粒礦物對細菌代謝活性的影響。這些研究對闡明微生物影響下的土壤元素、物質形態轉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雜性，我國土壤膠體化學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，除了常規的物理化學研究手段外，還需要利用原子力顯微技術、激光共聚焦掃描顯微鏡、x射線光電子能譜、高精度微量熱技術等現代分析技術。土壤膠體及其組分的相互作用的研究，涉及到土壤化學、微生物學、膠體化學、礦物學等多個領域，如能聯合不同學科領域的科學家進行協作，可望使這方面的研究邁上新的臺階，取得更加豐碩的成果。

我國土壤界面化學的研究最早可追溯到對土壤表面電荷（土壤一切界面化學性質的根本原因）性質的電化學研究，始于20世紀60年代，其標志是于天仁院士對土壤電化學的科學定義以及土壤電荷在土壤電化學過程中的核心地位的認知。經過幾十年的發展，這種認知不斷被實踐所證實，特別是近年來，對電荷發生理論、電荷數量測定方法等的研究證實了多數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疑，并由此推動了可變電荷土壤特性的研究發展。在此方面，中國科學院南京土壤研究所土壤電化學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性質進行過系統的總結和提煉，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、質子、電子）之間的相互作用及其化學表現，使我國的土壤電化學研究在可變電荷土壤的電化學、水稻土電化學和土壤電分析化學等領域的貢獻為國際土壤學界所矚目。于天仁、陳家坊、李學垣和季國亮等老一輩土壤化學家在土壤電荷性質研究中的開創性工作，為我國土壤電化學理論的進一步發展奠定了堅實的基礎。

3土壤化學在現代農業生產中的地位

21世紀農業科學的發展是各學科的交融、更新、拓展與創新。宏觀方面，3S技術的廣泛運用，給現代農業生產的精準化、規模化提供了先進的技術支持；微觀方面，土壤微生物特別是土壤化學領域各個研究理論的飛快發展，為現代農業快速發展做出了重要的貢獻。土壤化學、微生物學、膠體化學、礦物學多學科的交融是未來農業發展的主要趨勢。土壤化學在土壤污染的控制與修復、土壤肥力的提高與高效利用、農產品的安全等諸多方面起到了重要的作用。

4參考文獻

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