基于物质尺度效应的土壤有机/无机复合体的形成、结构与性质

有机/无机复合体是土壤中最重要的功能性物质。目前解释有机/无机复合体的形成理论都是基于原子和分子间的短程互作机制，如短程分子力、桥键、氢键等（力程1?）。但新的研究表明，不仅土壤中最重要的那部分粒径的矿物质，而且腐殖质和微生物（至少在两个方向上）都是粒径在1-1000nm的位于介观尺度的物质。然而介观尺度颗粒相互作用的控制力是各种长程作用力，如静电斥力（力程500?）、长程分子力（力程50?）、随机力等，而经典理论中的那些短程力反而是次要的力。因此，如果考虑物质的尺度效应，经典的有机/无机复合理论似乎并不成立。因此，本研究将基于有机和无机颗粒的尺度效应，利用项目申请者所建立起来的描述布朗运动（扩散）和物质表面电化学性质的有关理论与方法，结合现代分析技术，研究腐殖质和矿物质之间的相互作用规律，提出有机/无机复合新机制，阐明复合体结构的新特征，发现复合体新性质。

该项目的研究目标是：基于有机和无机颗粒的介观尺度效应，研究土壤腐殖质和矿物质之间的相互作用，阐明有机/无机复合新机制。项目组成员紧密结合拟订的研究目标，创造性地开展研究工作，取得了一些被国际同行专家评价为具有重大科学意义的研究成果， 完成SCI论文18篇，已发表SCI论文10篇，已发国内一级学报论文4篇，申请国际发明专利2项，国家发明专利3项，培养博士生6人，硕士生7人。所取得的具有重要意义的研究成果包括如下七个方面：1. 发现了1-1000nm尺度上的独特物理效应：“电场-量子涨落”耦合作用效应，该发现不仅意味着建立“量子土壤学”的可能性，而且可能对物理学和生物学带来重要影响；2. 基于“电场-量子涨落”耦合作用效应，发现了介观尺度物质表面水合的新机制，并发现该机制是土壤结构体形成和分散的关键；3. 首次建立了多分散体系凝聚临界浓度和有机、无机颗粒相互作用能的激光散射测定的理论与方法；4、在1nm-1mm物质表面电位、表面电场强度、表面电荷密度、比表面积和表面电荷总量的多参数联合测定方法中再次取得重大进展，建立了这些性质测定的动力学新方法，完成了该分析系统中的一个重要部分的研制：多通道信号采集系统； 5、通过介观尺度土壤有机/无机颗粒相互作用研究，已明确土壤电场是降雨引发土壤团聚体破坏、土壤流失和土壤物质迁移的内在动力，完成了有关理论建立，实现了土壤颗粒相互作用力的定量计算，阐明了雨滴撞击和流水冲刷等外力如何通过土壤颗粒间相互作用的内在机制而引起土壤流失和土壤物质的迁移；6、首次发现介观尺度上的土壤强电场与土壤离子外层电子的量子耦合是土壤水运动的重要推动力，该发现对现有的土壤水运动理论形成了挑战；7、首次获得了混合电解质体系的Poisson-Boltzmann方程的精确解，建立了土壤离子交换动力学的机理模型，而且该机理模型以成功应用于多种体系的离子交换动力学研究。