土壤酸度与土壤表面电化学性质之间的互馈关系研究

针对我国南方地区土壤酸化日趋严重的现实问题，从我国南亚热带、中亚热带和北亚热带地区采集代表性的酸性土壤，应用表面化学分析方法、电化学方法、黏土矿物鉴定方法并结合同步辐射X-射线近边吸收光谱等现代分析技术研究土壤的酸度特点和酸化过程、土壤表面电荷性质和铁铝氧化物含量对土壤酸度性质的影响、土壤酸化对土壤黏土矿物演变和表面电化学性质的影响及土壤酸度中和过程中铝水解产物的配位结构与土壤表面电化学性质之间的关系，揭示土壤酸度性质与土壤表面电化学性质之间的互馈关系，阐明土壤酸度性质与土壤表面电化学性质相互影响的机制，在分子水平上探明铝的水解产物影响土壤表面电化学性质的本质原因，加深对土壤酸化过程中土壤黏土矿物和土壤表面电化学性质演变规律的了解，丰富现有的土壤酸度和土壤表面电化学理论，为酸性土壤的改良和合理利用提供理论依据。

针对我国南方地区土壤酸化日趋严重的现实问题，研究土壤酸度特点和酸化过程、表面电荷性质和铁铝氧化物含量对土壤酸度的影响、土壤酸化对土壤黏土矿物演变和表面化学性质的影响，研究农作物秸秆及其制备的生物质炭对酸性土壤的改良作用及土壤酸度中和过程中铝水解产物的配位结构与土壤表面电化学性质的关系，以阐明土壤酸度性质与土壤表面电化学性质相互影响的机制。研究结果表明，铵态氮肥的硝化反应加速红壤酸化，净硝化速率与土壤酸化速率呈正线性相关。pH>5.0时，铵态氮肥对土壤酸化的加速更显著。茶园土壤的酸化随种植年限的增加而增加，但土壤酸化速率呈相反的变化趋势。0-13年、13-34年和34-54年茶园表层土壤的平均酸化速率为：4.4、0.84和0.39 kmmol H+/ha•year。我国南方代表性土壤的pH缓冲容量在9.1-32.1 mmol/kg•pH之间，CEC是影响pH缓冲容量的主要因素，添加生物质炭增加土壤CEC，提高土壤pH缓冲容量。土壤表面电荷和氧化铁含量是影响土壤酸度的2个主要因素，土壤CEC越高，土壤的极限酸度越大，但氧化铁对土壤的自然酸化过程存在抑制作用。带相反电荷胶体表面双电层扩散层重叠导致土壤表面有效负电荷减少是氧化铁抑制土壤酸化的主要机制。双电层扩散层重叠作用也降低了土壤对钾、钙和铵等阳离子的吸附亲和力，加速这些阳离子的解吸。土壤严重酸化加速2:1型黏土矿物向1:1高岭石的转化，导致土壤CEC显著降低。农作物秸秆及其制备的生物质炭对酸性土壤有改良效果，生物质炭的改良效果优于秸秆。碳酸盐和有机阴离子是生物质炭中碱的主要存在形态，豆科植物秸秆制备的生物质炭的含碱量高于非豆科植物秸秆制备的生物质炭，因此前者对酸性土壤改良效果优于后者。生物质炭具有很高的CEC，添加生物质炭可以提高CEC较低土壤的CEC，提高土壤肥力。添加生物质炭还能增加酸性可变电荷土壤对重金属的吸附能力，生物质炭表面有机官能团与重金属阳离子形成表面络合物是生物质炭促进土壤吸附重金属的主要机制。当有有机酸存在时，铝水解形成以4配位为主的氢氧化物，其结晶度低，反应活性高。土壤酸度中和过程中铝水解产物通过物理覆盖降低土壤CEC，降低土壤对阳离子的吸附能力。本项研究丰富了现有的土壤酸度和土壤表面电化学理论，为酸性土壤的改良和合理利用提供了理论依据。