可变电荷土壤表面酸碱性质与模型研究进展

作者：程鹏飞，王  莹，李芳柏，秦好丽，彭叶棉， 刘同旭

卷期：《土壤学报》2019年第56卷第3期

我国南方土壤酸化日益严重，已对当地农业和生态环境构成严重威胁，对于土壤酸化过程的研究迫在眉睫。其中，关于土壤酸敏感值、酸害容量有较多的研究，但这些指标只是简单宏观定量土壤对酸化的缓冲能力。要弄清楚土壤酸化的微观机制，对土壤表面酸碱性质的研究至关重要。

土壤表面酸碱性质指土壤与环境中质子发生质子化、去质子化反应的能力，主要包括表面质子反应活性位点密度D_s、电荷零点pH_pzc以及质子化、去质子化平衡常数pK_a等参数。这些参数不仅能够用于定量土壤酸碱缓冲能力，而且将它们带入形态模拟软件能够模拟土壤对酸化的缓冲机理，从微观层次解释土壤酸化过程。本文则综述了通过表面络合模型获取表面酸碱性质参数的方法以及研究复杂土壤体系表面酸碱性质的两种模型方法。

电荷零点主要通过宏观滴定实验获得，但需要不断优化实验操作来减少无意义因素的影响。而表面质子反应活性位点密度和质子化、去质子化平衡常数，则通常分别通过Gran函数和直线外推法计算等方法得到。

可变电荷土壤酸碱性质参数示意图（N_A为阿伏伽德罗常数；SA为表面积；F为法拉第常数；a为悬浊液浓度）

自然土壤由于组成复杂，表面活性位点多样，增加了模拟计算的复杂性，表面酸碱性质研究相对困难。近十年来，逐渐有研究者采用组分添加法（Component addition, CA）、广义复合法（Generalized composite, GC）在此方向上取得突破。CA法假设土壤表面酸碱性质主要由其活性成分如黏土矿物、有机物决定，研究者们建立矿物聚合物、矿物有机物聚合物模型进行研究。GC法假设土壤所有表面官能团的性质是通用的，可以代表所有组分的平均性质。现在已从1-site/2-pK_a发展为n-site/n-pK_a，实现了更好的拟合。并建立了一种通过土壤化学性质预测表面酸碱性质的广义回归方程。

可变电荷土壤主要活性组分及其表面酸碱性质模型

对于土壤表面酸碱性质的研究，是解析土壤酸碱缓冲能力、揭露土壤中包括质子在内众多离子吸附机制的重要工作。对于此研究，有几个值得关注的方面：（1）采用XPS、XAS等技术从原子层次给出土壤表面结构信息，包括原子组成、价态、健长、配位数等；（2）发展计算机模拟技术，从微观层次对土壤表面性质进行分析，避免溶解等宏观实验因素影响；（3）发展定向片制备以及Rietveld技术，提高自然土壤系统物相表征的准确性；（4）根据土壤活性组分及自然土壤表面酸碱性质的研究结果，建立数据库；（5）加强考虑竞争吸附作用的LCD模型的研究。