土壤化学的研究进展及其在现代农业生产中的地位

李广枝

摘要回顾了我国土壤化学研究的历史进程，指出我国土壤化学最新研究热点，并阐述了土壤化学在现代农业生产中的重要地位。

关键词土壤化学；研究进展；新近热点；地位

中图分类号 S153 文献标识码A文章编号 1007-5739（2009）02-0258-02

我国土壤化学研究作为国际土壤化学研究的有机组成部分，至今已发展了100多年，研究范畴逐渐从元素化学向物理化学转变。纵观其发展过程，我国土壤化学的研究具有鲜明的中国特色，是随土壤调查的开展而起步的，最早胶体化学研究较为兴盛；20世纪30年代中期之后，开始注重土壤吸附特性的研究；20世纪50年代，随着土壤资源调查范围的扩大，特别是红壤地区的调查，带动了土壤酸度本质、土壤交换性盐基组成、土壤氧化还原过程以及土壤黏土矿物组成等研究的开展；20世纪60年代起，特别是70年代中期之后，先后开展了有关红黄壤表面化学、电化学性质以及水合氧化物型表面电荷可变特性及其界面化学行为等领域的研究，并将反应动力学原理重新引入各相关领域；20世纪末期以来，土壤界面化学的研究明显活跃；21世纪开始，随着环境污染问题的日益突出，包括重金属和农药等有机物在内的外源污染物进入土壤后的化学行为迅速成为我国土壤学界竞相关注的焦点，使得土壤化学的研究内容得到进一步拓展，并迅速突显趋向活跃。具体研究内容上，我国土壤化学已有的研究工作涉及土壤胶体化学、土壤界面化学、土壤有机质化学、土壤养分化学及土壤污染化学等各方面，其中以土壤胶体和界面化学的研究较为系统和深入。近年来，尤其重视土壤的污染化学，从单纯在基础科学领域的研究拓展到了和应用科学交叉的领域，特别是在现代农业生产中其占据了相当重要的地位。农业生产主要包括种植业、养殖业和渔业。随着科技的发展，现代农业生产不仅大幅度提高了农产品的生产力，并且对农产品的质量提出了更高的要求。环境问题的突出导致农产品的安全性问题越来越受到高度重视。发展农业生产必需有一个不受污染的环境条件，农业环境条件主要包括大气、灌溉水和土壤。土壤是大部分农作物生长的基质，土壤也在地质大循环和生物小循环中起到重要的作用，是衔接各个圈层的中心部位。现代农业对于环境的要求也极大的促进了土壤化学在现代农业领域的发展。

1研究历史回顾

20世纪60年代，我国土壤胶体化学的奠基人熊毅在国内开拓了“土壤有机无机复合体”的研究领域，对“土壤有机无机复合”作了系统阐述与介绍，由此揭开了我国土壤胶体化学研究的篇章。研究工作主要涉及到复合胶体的膨胀性、复合体中腐殖质的氧化稳定性、电化学性质等物理化学特性，以及复合体形成与土壤肥力的关系等。

20世纪80年代初至90年代，随着相关土壤胶体理论与研究方法著作相继出版，极大地推动了我国土壤胶体化学研究，并逐渐形成了相关的研究体系和特色。

20世纪末至21世纪初，相关土壤胶体组分与土壤中生物活性分子及微生物间的交互作用成为新的研究热点。2004年受国际土壤学联合会的委托，在中国武汉成功举办了第四届土壤矿物-有机物-微生物相互作用国际学术研讨会，并主编出版了近年来该领域研究成果的专刊和专著。如熊毅等编著的《土壤胶体》第一、二、三册等的相继出版，极大地推动了我国土壤胶体化学研究，并逐渐形成了相关的研究体系和特色。对山地土壤中黏土矿物的组合、形成和演化有了新的认识，提出了三水铝石的形成与水平地带土壤具有不同成因的观点；从成土条件、过程和胶体物质组成与特性等方面，论证了山地土壤随海拔升高与基带土壤随纬度增加的水平变化有很大区别；热带、亚热带土壤中的铁铝氧化物的表面化学特点与行为开始受到明显地关注；关于铝的溶液化学和酸性土壤中铝形态的研究，以及我国南方土壤中氧化铁类型的区分、定量方法、分布、矿物学性质、对磷吸附固定及生物有效性的影响研究等都有了一些较明显的进展。

2土壤化学最新研究热点

新近研究侧重点及前沿土壤胶体研究包括黏土矿物和有机矿质复合体，它们是土壤中所有化学过程和化学反应的物质基础，深刻影响着土壤中的矿物形成演化、土壤结构稳定性、土壤养分有效性、土壤污染物的毒性以及污染土壤的修复等一系列物理、化学及生物学过程，其也一直是我国土壤化学的研究核心。

新近研究主要从土壤胶体的化学组成及胶体组分间的相互作用着手。在土壤胶体的化学组成方面，新近研究发现，土壤黏土矿物与矿床黏土矿物的形成条件不同，与之相关的新的研究内容涉及黏土矿物和黏粒氧化物的结晶及其发生过程溶解反应、离子交换释放机理中基本化学键机制精确量化、氧化还原过程中的电子传递、中间体的产生及物质形态转化与过程等。

刘凡等应用XRD、XPS、TEM／HRTEM／ED、FTIR等现代测试技术和溶液化学方法较系统研究了不同气候带几种土壤中铁锰结核的环带构造、物质组成与土壤环境的关系，表面化学特性；土壤中常见锰矿物的化学形成与转化条件、表面电荷特点以及对重金属的吸附、氧化特性和反应机制，这促进了土壤氧化锰的矿物学与锰的土壤化学行为研究。在有机无机复合体方面，应用胶散法、颗粒分组法、重液分离法及其联合法，对复合体的类型、数量、形成条件及其与土壤发生和肥力有关的内容进行了系列研究。

20世纪末，袁可能、徐建明等针对有机无机复合体的特性以及不同复合体之间的转化问题进行了系统和深入的研究，发现钙键复合体和铁铝键复合体在成分、结构及相关的肥力性质方面都有明显的差异，且两类复合体在一定条件下可相互转化，如在钙、铁、铝键3种复合体中，以钙键复合体最易被置换，铝键次之，而铁键复合体基本上不能被置换，可以通过增加金属键改变复合体的组成和特性。这极大地推动了有机无机复合体的理论研究进程。

在土壤胶体组分与生物活性分子相互作用方面，土壤酶是土壤中所有生物化学反应的催化剂，其活性被认为是土壤质量和健康的重要指标；DNA是各种生物的基本遗传物质。因此，新近研究主要围绕土壤胶体组分与酶、DNA及蛋白质等生物活性分子相互作用的特点、机制及其对生物分子活性影响的原因等角度展开，旨在为阐明土壤组分相互作用的规律、揭示土壤质量的本质以及合理调节土壤生物活性等提供科学依据。

近10多年来，黄巧云等对层状硅酸盐矿物、氧化物、腐殖质以及土壤胶体等与生物分子的结合机理及其对生物分子活性的影响进行了一系列深入的研究，发现土壤矿物、胶体组分对生物大分子的吸附量、亲和力等与它们对无机离子和低分子有机化合物的吸附明显不同，并探讨了磷酸根及低分子量有机配体对土壤活性组分表面生物分子吸附的影响，明确了土壤有机质在恒电荷和可变电荷土壤对生物分子吸附中的不同作用和贡献，运用红外光谱、园二色谱、荧光光谱等手段初步阐明了生物分子在不同类型土壤组分表面结合的机制、构型特点及对生物分子活性影响的根本原因，并进一步运用微量热技术从热力学角度开展了土壤固相组分与生物大分子、微生物相互作用的研究。

受到研究方法的限制，有关土壤黏粒矿物等组分与微生物的相互作用，直到近几年才开始有了一些报道。黄巧云等研究了细菌存在的条件下，土壤矿物、胶体对金属吸附的特点及对金属形态的影响，建立了黏粒矿物对细菌吸附的化学方法，用微量热技术探讨了常见土壤黏粒矿物对细菌代谢活性的影响。这些研究对阐明微生物影响下的土壤元素、物质形态转化及生物有效性特点，揭示微生物活性影响下的土壤元素的归宿等均非常重要。

总体而言，由于土壤胶体及其组分与生物活性分子、微生物等相互作用的复杂性，我国土壤胶体化学研究还有大量的问题有待揭示，许多工作有待进一步深入，如从分子或原子水平探讨矿物与微生物的作用机制、矿物-有机物-微生物互作对养分元素的有效性、有机污染物降解以及重金属毒性的影响等。对这些问题的阐明，除了常规的物理化学研究手段外，还需要利用原子力显微技术、激光共聚焦扫描显微镜、x射线光电子能谱、高精度微量热技术等现代分析技术。土壤胶体及其组分的相互作用的研究，涉及到土壤化学、微生物学、胶体化学、矿物学等多个领域，如能联合不同学科领域的科学家进行协作，可望使这方面的研究迈上新的台阶，取得更加丰硕的成果。

我国土壤界面化学的研究最早可追溯到对土壤表面电荷（土壤一切界面化学性质的根本原因）性质的电化学研究，始于20世纪60年代，其标志是于天仁院士对土壤电化学的科学定义以及土壤电荷在土壤电化学过程中的核心地位的认知。经过几十年的发展，这种认知不断被实践所证实，特别是近年来，对电荷发生理论、电荷数量测定方法等的研究证实了多数土壤是永久电荷和可变电荷的共存体系，因而对硅氧烷表面的恒电荷概念提出了质疑，并由此推动了可变电荷土壤特性的研究发展。在此方面，中国科学院南京土壤研究所土壤电化学研究室的研究较为全面，成果突出，已有专著对可变电荷土壤的界面化学性质进行过系统的总结和提炼，明确了可变电荷土壤不同于恒电荷土壤的固有特性，阐述了带电粒子（胶粒、离子、质子、电子）之间的相互作用及其化学表现，使我国的土壤电化学研究在可变电荷土壤的电化学、水稻土电化学和土壤电分析化学等领域的贡献为国际土壤学界所瞩目。于天仁、陈家坊、李学垣和季国亮等老一辈土壤化学家在土壤电荷性质研究中的开创性工作，为我国土壤电化学理论的进一步发展奠定了坚实的基础。

3土壤化学在现代农业生产中的地位

21世纪农业科学的发展是各学科的交融、更新、拓展与创新。宏观方面，3S技术的广泛运用，给现代农业生产的精准化、规模化提供了先进的技术支持；微观方面，土壤微生物特别是土壤化学领域各个研究理论的飞快发展，为现代农业快速发展做出了重要的贡献。土壤化学、微生物学、胶体化学、矿物学多学科的交融是未来农业发展的主要趋势。土壤化学在土壤污染的控制与修复、土壤肥力的提高与高效利用、农产品的安全等诸多方面起到了重要的作用。

4参考文献

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