土壤电化学的发展历程

徐仁扣

今年是我所建所60周年，值此喜庆之际，写此短文，回顾土壤电化学的发展史，从侧面反映土壤研究所的发展历史和土壤学科的发展历程，共同庆祝土壤所的60华诞。也借此机会向长期以来关心、支持和帮助土壤电化学发展的所内外领导、专家和各界朋友表示衷心感谢！希望土壤研究所的明天更辉煌，我们也将继续努力，使土壤电化学发展得更好。

--------题记

表面带电是土壤的基本特征，因此电化学现象在土壤中普遍存在。土壤的电化学性质对养分和污染物的化学行为和生物有效性具有重要的影响，因此土壤电化学研究对农业可持续发展和生态环境保护具有重要意义。我国土壤电化学研究始于上世纪50年代中期，基本与土壤研究所同步发展。经过几代人的不懈努力，土壤电化学已发展成一个较系统的学科分支，形成较为完善的理论体系。

1、土壤电化学的提出

经过多年对土壤化学的研究、探索和思考，于天仁认为土壤中带电粒子（胶体颗粒、离子、质子和电子）之间的相互作用及其化学表现的研究可以揭露土壤中化学现象的本质，为土壤肥力和生物功能的培育提供科学依据。上世纪50年代中期，他领导的研究团队开始土壤电化学性质的系列研究，并于1961年决定发展土壤电化学，建立了国际上第一个土壤电化学研究室。1965年出版的《土壤的电化学性质及其研究法》中，首次对土壤电化学的研究内容做了较全面的概括：研究土壤中带电粒子之间的相互作用及其化学表现。这些带电粒子包括带电的土壤胶体颗粒、离子、质子和电子，是目前土壤中所能认识到的最微小的粒子。水稻土和红壤中电化学现象最为活跃，明显不同于其它土壤，而且这两类土壤在我国分布广泛，当时国内外对这两类土壤化学性质的研究相对较少，因此选择水稻土和红壤(可变电荷土壤) 作为土壤电化学的主要研究对象，

2、水稻土的电化学

在水稻土的化学性质中，以季节性的干湿交替所引起的氧化还原状况的周期性变化最为重要。因此，水稻土的电化学主要以氧化还原过程的研究为中心，既研究氧化还原性质的强度因素，更注意研究其容量因素；也研究与此有关的一些其它土壤化学性质，如离子吸附、酸度、电导等。1957-1965年在《土壤学报》上连续发表了7篇有关水稻土中氧化还原过程的研究的系列论文。1966年以后，由于“文化大革命”的爆发，相关研究被迫中断。1976年“文化大革命”结束，中国迎来了科学的春天。土壤电化学研究室集中全室力量开展水稻土的电化学性质的系统研究，继续发表系列论文外，还将部分研究结果在Soil Science, Geoderma, Journal of Soil Science和Z. Pflanzenernähr. Bodenk.等国际知名学术期刊上发表，并分别于1983年和1985年编辑出版中文专著《水稻土的物理化学》和英文专著《Physical Chemistry of Paddy Soils》。这本英文专著也是南京土壤研究所建所以来出版的第一部英文专著。这些研究成果在国内外产生了广泛的影响，使中国科学院南京土壤研究所一度成为世界上研究土壤氧化还原性质的三大中心之一。有关成果获1987年国家自然科学奖三等奖、1987年中国科学院科技进步奖一等奖、1992年中国科学院自然科学奖二等奖。

3、可变电荷土壤的电化学

可变电荷土壤主要分布在热带和亚热带地区，这些地区科学欠发达，对这类土壤的化学性质的研究很少，对这类土壤的认识不足。于天仁先生及其研究组自上世纪50年代开始研究红壤的化学性质和酸度特点，并注意到红壤表面电化学性质的一些特点。1981年参加国际土壤学会在新西兰召开的带可变电荷的土壤国际会议后，他提出开展可变电荷土壤电化学性质研究的设想。自上世纪80年代中期开始，土壤电化学研究室集中主要研究力量对可变电荷土壤的电化学性质开展了长期系统、深入的研究。从土壤的表面电荷性质、胶体与离子间的反应平衡、胶体与离子间的动态反应、土壤与质子间的反应和土壤与电子间的反应等方面，深入研究了可变电荷土壤的表面电化学特征。除发表大量中文论文外，还将部分研究结果在Soil Science, Geoderma, Journal of Soil Science, Z. Pflanzenernähr. Bodenk., Advances in Agronomy和Biology and Fertility of Soils等国际知名学术期刊上发表，并分别于1996年和1997年编辑出版了中文专著《可变电荷土壤的电化学》和英文专著《Chemistry of Variable Charge Soils》。英文专著由牛津大学出版社在美国出版后，在国际土壤学界产生广泛的影响，多次被国际土壤学会、英、美、德、意、日等国的土壤学杂志介绍，并给予高度评价。有关的评论认为，“本书代表了我们对可变电荷土壤的认识的重要一步（European Journal of Soil Science）”；“是关于可变电荷土壤的性质和反应的最新现状的甚为有用而且及时的著作”。国际著名土壤化学家M.E. Sumner在美国土壤学会编辑出版的“Future Prospects of Soil Chemistry”中也高度评价了该项研究成果。

4、土壤电化学方法

于天仁认为在土壤学发展史中，新的研究方法的建立和应用往往有助于提高研究水平，甚至开辟新的研究领域。在土壤化学研究中，往往将土壤样品采至室内，然后进行化学测定。但此时测定的土壤化学性质已不同于自然条件下者。电化学方法可以实现对某些土壤性质的原位、自动测定，其测定结果应该更有意义，它在土壤学研究中应该具有广阔的应用前景。因此，土壤电化学方法一直是土壤电化学研究的重要内容。但是土壤的化学组成甚为复杂，许多在化学上已经成熟的方法当应用于土壤时，往往出现许多复杂的问题。于天仁及其研究组根据土壤的特点，解决了电化学方法应用于土壤研究时的一系列理论和技术问题。根据土壤的特点，研制了多种适用于土壤研究的离子选择电极；提出了消除或减小土壤对液接电位的影响的途径；研发了可以精确测定土壤氧化还原电位的去极化方法；应用胶体悬液中的电导频散效应和Wien效应研究土壤与离子相互作用的强度。早在上世纪80年代就将电化学方法与微电脑结合，研发了用于土壤电化学性质田间原位连续测定和数据自动采集和记录的测定装置。实践表明，这些新的土壤电化学方法的建立对提高土壤化学的研究水平，发现一些过去不知道的土壤化学现象，开辟一些新的研究领域，起了极为重要的作用。土壤电化学方法的主要研究成果总结于中文专著《土壤和水研究中的电化学方法》(科学出版社，1991)，并应瑞士科技大学W. Simon教授建议出版了该书的英文版《Electrochemical Methods in Soil and Water Research》(Pergamon Press, 1993)。该英文专著在国外出版后，受到国外土壤学和分析化学方面主要学术期刊的积极评价。研究成果“土壤电分析化学的建立和发展”获1996年中国科学院自然科学奖一等奖，1999年国家自然科学奖三等奖及1999年中国科学院科技进步奖二等奖等奖项。

5、土壤电化学体系的建立

《水稻土的物理化学》、《土壤和水研究中的电化学方法》和《可变电荷土壤的电化学》等中文专著及其英文专著的陆续出版标志着土壤电化学体系的基本建立。近期出版的专著《土壤的氧化还原过程及其研究法》对土壤氧化还原过程研究进行了系统总结，该书不仅包括水稻土的氧化还原过程，还包括了旱地土壤的氧化还原状况和氧化还原反应；研究对象既包括热带和亚热带地区的可变电荷土壤，也涵盖了温带地区的恒电荷土壤。该专著的出版使土壤电化学体系得到进一步完善。土壤电化学的有关研究成果还为提高我国土壤学的国际地位作出了重要贡献。

6、带电颗粒之间的相互作用与土壤电化学的发展

进入新世纪，特别是中国科学院实施知识创新工程以后，土壤电化学得到进一步的发展。除按原先的思路研究了低分子量有机酸对可变电荷土壤表面电化学性质和铝化学行为的影响外，重点研究了可变电荷土壤中带相反电荷的胶体颗粒表面双电层的相互作用及其对土壤表面电化学性质的影响。研究阐明了带相反电荷胶体颗粒表面双电层相互作用的规律及双电层相互作用影响表面电荷的机制，从理论上阐明了可变电荷土壤中盐吸附现象的机理。研究阐明了可变电荷土壤通过带相反电荷的胶体颗粒表面双电层重叠作用抑制土壤自然酸化的机制，丰富了传统的土壤酸化理论，也为可变电荷土壤“等电点风化”假说提供了佐证。分别在European Journal of Soil Science, Soil Science, Journal of Soils and Sediments, Soil Research, Journal of Colloid and Interface Science, Colloids and Surface A等国际学术期刊上发表论文10余篇。这一研究使土壤电化学由原先主要侧重于带电胶体颗粒与离子、质子和电子之间的相互作用发展到带电颗粒之间的相互作用，拓宽了土壤电化学的研究范围，丰富了土壤电化学的内容。

7、酸化红壤的改良研究与土壤电化学理论的应用

近年来开展了酸化红壤改良和修复研究，开发了一系列改良和修复酸化红壤的新方法：基于农业废弃物的有机改良方法、生物质炭改良方法、基于喜硝植物的生物改良方法和有机-无机复合改良方法等。在阐明各种新方法的改良和修复原理的基础上，重点开发改良和修复酸化红壤的新技术，并已申请多项国家专利，其中已有3项国家发明专利和2项实用新型专利获得授权。2013年出版了学术专著《酸化红壤的修复原理与技术》(科学出版社)。这一研究使土壤电化学理论在土壤利用和管理的实践中得到了具体应用，并可为热带和亚热带地区红壤资源的持续和高效利用提供技术支撑。

8、根/土界面的电化学特征与土壤电化学的进一步拓展

目前在国家自然科学基金重点项目“可变电荷土壤中根-土相互作用与根/土界面的电化学特征”(2013-2017)、中国科学院知识创新工程重要方向性项目“热带地区典型土壤双电层相互作用和根/土界面的电化学特征”(2011-2013)和科技部973项目“东南丘陵区红壤酸化过程与调控原理”(2014-2018)资助下，土壤电化学已将研究重点转向带电颗粒与植物根表面之间的相互作用以及带电的无机胶体与微生物之间的相互作用，其研究领域将得到进一步拓展，并且与农业可持续发展的联系将更加紧密。

未来土壤电化学还需要加强人才队伍建设，特别是青年研究人员的培养；加强电化学方法的研发和应用；重视重要成果的产出。