土壤中的"电场-量子涨落"耦合作用

More and more studies have shown that, on the nano-micron scale of soil “mineral-humus-microbes-enzyme” system, because of the strong coupling effects of “electric field-quantum fluctuation”, the non-valence electrons of ion/atom may play crucial role in adjusting physical-chemical-biological processes in the system, therefore those coupling effects are closely relevant to soil macro effects and function. This important new thought will open a new door in basic soil science. The coupling effects of “electric field-quantum fluctuation” is related to whole soil physical, chemical and biological processes, but in this study we will focus our study on the physical-chemical aspect of the “electric field-quantum fluctuation” occurred on soil mineral, organic macro molecule and their solid/liquid interface. The research contents include: 1, systematically clarifying the “electric field-quantum fluctuation” of soil mineral, organic macro molecule and their solid/liquid interface and its theoretical bases; 2, establishing the quantitative characterization theories and methods for the energies and quantum states of non-valence electrons by non-classic polarizabilities; 3, establishing “electric field-quantum fluctuation” based new theories for describing solid/liquid interface; 4, establishing “electric field-quantum fluctuation” based new theories for describing soil mineral and macro molecule particle interactions.

近期研究发现，介观尺度上的土壤“矿物-腐殖质-微生物-酶”体系中，由于强烈的“电场-量子涨落”耦合作用，离子/原子的非价电子在调节这一系统中的物理、化学和生物学过程方面将扮演关键角色，因而与土壤系列宏观效应、状态和功能密切相关。这一重要发现可能开启基础土壤学研究新的大门。土壤中的“电场/量子涨落”耦合作用涉及土壤物理、化学和生物学的各过程，而本项目将研究目标限定在土壤矿物质和有机大分子固/液界面上的“电场/量子涨落”耦合作用的物理化学效应方面，具体内容包括：系统阐明土壤矿物质与有机大分子固/液界面上的“电场/量子涨落”耦合作用效应及其理论基础；建立强外电场条件下的非价电子能量与量子状态的“非经典偶极矩与极化率”表征原理与方法；建立基于“电场/量子涨落”耦合作用的固/界面液双电层结构与性质新理论；建立基于电场/量子涨落”耦合作用的土壤矿物/矿物、矿物/有机大分子相互作用新理论。

土壤是一个独特的强电场体系，土壤矿物质和大分子有机质胶体上的负电荷在其表面上可以形成108-109 V/m（水介质）或1010-1011 V/m（真空介质）的电场。本研究将量子力学原理应用于土壤电场体系，给出了土壤电场中原子/离子轨道的量子力学方程；获得了土壤这一电场体系中离子/原子Schrodinger方程的解，进而发现了土粒表面原子轨道重大变化，并形成了新的非对称杂化轨道；提出并证实了粘土中普遍存在反常极化和极化诱导共价作用；阐明了界面反应中“电场依赖型共价键-反常极化-静电作用”的耦合。在此基础上，开展了介观尺度上土粒相互作用研究，揭示了土壤中原子结构改变如何通过影响土壤界面反应来影响土相互作用；构建了“亚原子尺度原子轨道改变——原子/分子尺度上界面反应——土粒相互作用能——土粒凝聚活化能”之间的定量关联；揭示了土壤不同电性胶体和不同电性离子的相互作用之间的内在关联。在宏观尺度上，本研究发现可通过调节离子在土粒界面上的反常极化和极化诱导共价作用来调节土壤团聚体的稳定性；明确了DLVO、水合作用和渗透作用共同推动下的土壤水运动机制；揭示了“电荷、吸附态反离子、有机质含量和土壤机械组成”耦合下的土壤水运动规律；阐明了“电场-量子涨落”耦合作用是土壤流失和养分迁移发生的内在基础。与此同时，本研究还建立多个土壤学研究方法，包括：离子界面反应能测定、Hamaker常数测定、土粒引力位能测定和土壤颗粒表面性质多参数联合分析方法等。这些研究发现大多属于原创性成果，它们不仅深刻揭示了各尺度土壤过程间的内在关联，而且指出了建立土壤学独特知识体系的基本架构。因此，这些成果对未来基础土壤学发展将发挥重要推动作用。这些成果还具有重要的应用前景，如：黏土催化、重金属钝化、土壤酸化、矿物风化等微观过程调控，土壤流失与农田面源污染等宏观过程调控，以及土壤功能调控等。