全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
, , 二 一
长白山和五大连池火山灰土壤电荷零点特性 关
赵兰坡“ 杨学明 刘 伟
吉林农业大学资源与环境学院 , 长春
【摘要 通过电位滴定曲线探讨了长白山和五大连池火山灰土壤剖面的电荷零点 特性 结果表明 ,
两火山灰土壤既有一定量的可变电荷 , 又有一定量的永久电荷 , 其土壤胶体是可变电荷胶体和永久电荷胶
体的混合体系 两土壤剖面各层 均位于滴定曲线的酸方一侧 , 并有随深度增加而增大的趋势 , 但
的位移 。、 则有随剖面深度的增加而减小的趋势 两剖面表层土壤 均较国外的火山灰土壤低 , 显著高
于中国西北地区的黄土质土壤和东北地区的黑土 和 。‘ 值的变化 , 既受亚洲大陆起源的广域风尘堆
积的影响 , 又与土壤有机质积累有关 , 二者的综合作用是两地火山灰土壤 降低和 。、值增大的主要原
因
关键词 长白山 五大连池 火山灰土壤 电荷零点 广域风尘
文章编号 一 一 一 中图分类号 文献标识码
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引 言
土壤的电荷零点 吧 是指土壤
颗粒净表面 电荷密度为零时体系的 值 , ’“ 研
究土壤电荷零点 , 对区分土壤胶体类型 , 阐明土壤胶
体电荷的性质及其对离子吸附的影响 , 探讨土壤的
发生 、发育等 , 均有重要意义比 ‘“一 ‘礴〕
, 是土壤化学
研究的重要内容之一
。 ‘ 】将土壤胶体分为两种基本类型
一类是带有恒表面电荷并具有可变表面电位的胶
体 另一类是带有恒表面电位并具有 一可变电荷
的胶体 土壤中非晶质铁铝氧化物和氢氧化物是典
型的 一 可变电荷胶体 , 而结晶性层状硅酸盐矿物
则为典型的恒表面电荷胶体 火山灰土壤是以火 山
灰为母质发育的非地带性土壤 〕, 其主要特征是粘
粒矿物组成一般以水铝英石 叩 、 伊毛编石
等非晶质或准晶质铁铝氧化物和氢氧化
物为主 , 大量累积腐殖质 , 使这类土壤胶体的表面电
荷性质受 的强烈影响 , 具有典型 的可变电荷土
壤特性 , 同时具有较强的 吸附特性 ￡
, ’
东北地区的长白山和五大连池是有名的第四纪
火山 在先前的工作中
, 我们曾对两地火山灰土壤的
剖面形态 、理化特性 、 矿物组成 、腐殖质性质 、有机无
机复合体组成和性质等进行 了研究〔‘”
, ‘ 〕结果表
明 , 两地火 山灰土壤的发育程度 均较弱 , 表层 、
及 层 土壤的粘粒矿物组成均以 型结晶
性矿物以及高岭石 、 微细石英 、 蛋白石为主 层 以
火山堆积物风化形成的非晶质水铝英石和水铁矿
为主 和 层的矿物组成则介于
, 吉林农业大学与日本岩手大学合作研究项 目
一 。
, , 通讯联系人
一 一 收稿 , 一 一 接受
应 用 生 态 学 报 卷
电荷零点 的测定方法
电荷零点的测定采用 等汇‘ 〕方法
、
氢质土样的制
备是将过 目筛子的土样用
· 沙 一 ‘稀 淋洗 , 再
用蒸馏水洗净 一 离子 , 风干后过 目筛 称取氢质土样若
干份 , 每份 , 置于 系列烧杯中 , 将烧杯分为 组 , 分
别加人 浓度为 、
,
和 。
, · 一 的 溶
表 供试土坡的化学性质
晚 五 伴 云
剖面 层次
阳 任〕石加
有机碳
冲 而
,
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州
比
交换性盐基离子组成 交换性盐
基离子组成
服
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表层和 层 之间 , 既有结 晶性矿物 又有非 晶质 矿
物 通过土壤颗粒组成 、 化学组成 、 石英含量及微细
石英的氧同位素 比分析证明 , 两地火山灰土壤形成
过程 受到亚 洲大陆起源 的黄土 质广 域风 尘
。 ’ 的强烈影响 , 表层
土壤结晶性矿物源于黄土质广域风尘 以长 白山和
五大连池有代表性土壤剖面为供试样 品 , 在分析土
壤基本化学性质及粘粒矿物组成基础上 , 对土壤电
荷零点特性进行了研究 , 以便进一步探讨广域风尘
对两地火山灰土壤性质 、 特别是对土壤表面化学性
质的影响
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材料与方法
供试材料
供试火山灰土壤剖面分别采 自吉林省长白山北坡海拔
处和黑龙江省五大连池药泉山 ’ 川 , 在进行剖面形
态描述的基础上 , 采集分层样品 , 经室 内风干后备用 供试
土壤的基本性质见表 一 长白山剖面
已 、 。 。 五大连池 日』 诚 】下同
’ 。 , 如
表 供试土滚的机械组成和粘粒矿物组成
, 训 ,
剖面 砾
组分的颗粒组成
飞
匕
石
一 一 一
质地 粘粒矿物组成
山 伪
竺
,
二 型矿物 高岭石 , 微细石英及蛋白石
晶质与非晶质并存 , 介于 和 层之间
水铝英石 , 水铁矿等非晶质矿物
型矿物 , 高岭石 , 微细石英及蛋白石
型矿物 , 高岭石 , 微细石英及蛋白石
型矿物 , 高岭石 , 微细石英及蛋白石
晶质与非晶质并存 , 介于 和 层之间
水铝英石 , 水铁矿等非晶质矿物
型矿物 , 高岭石 , 微细石英及蛋白石
型矿物 , 高岭石 , 微细石英及蛋 白石
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液 , 然后向每组烧杯中依次加入一定量 、 、 、 、
、 、 、 、 、 和
· ·
⋯ · , 一
或 和一定量的去 的蒸馏水 , 使溶液的总体积达
, 盖好橡皮塞 , 在 ℃恒温条件下放置 其间搅动数
次 , 使其达到平衡后 , 测定平衡溶液的 值 同时做一空 白
试验 , 求出与平衡溶液相同体积 、 相同 浓度和相同
值时的空白溶液所需 或 量 再用加人土壤悬液中
的 或 量 , 减去空白溶液所需 或 量 , 得
到土样在任一给定 值时所吸附的 十 或 一 量 , 以此为
纵坐标 , 以每一 电解质浓度为横坐标 , 绘制出滴定曲线 不
同电解 质浓 度 滴定 曲线 的 交叉 点 值 即 为 电荷 零点
结果与分析
滴定曲线的形状
长白山和五大连池两剖面不同层次土壤电位滴
定曲线见图 、 由图 、 可以看出 , 各土样在给定
的电解质 浓度条件下 , 其 十 吸附量随 值
提高而降低 , 一 吸附量 随 值提高而 上升 当
一定时 , 在 碱方一侧 , 一 吸附量随电
解质浓度提高而增加 同样 , 在酸方一侧 , 的吸
附量也随电解质浓度提高而增加 这表明 , 供试火
山灰土壤胶体具有恒电位型表面性质 , 即具有表面
电荷的可变性
从图 、 还 可看出 , 在 碱方一侧 , 各滴
定曲线的陡度有一定差异 , 即 层和 层土壤的
陡度明显大于 层 就两个剖面比较而言 , 五大连池
剖面 的 和 层 的陡度明显大于长白山剖
面 , , 两剖面 层的陡度都很小 就同一剖面不同
层次比较而言 , 剖面 各层滴定曲线的陡度明显呈
的趋势 图 , 但剖面 , 则有
期 赵兰坡等 长白山
、 五大连池火山灰土壤电荷零点特性
的趋势 图 滴定 曲线陡度大 , 说明土壤对碱的
缓冲性强旧
另外 , 在相同电解质浓度条件下 , 两剖面滴定曲
线的滴定零点 氢饱和土样与浓度不同的电解
一
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长白山剖面 , 土壤的电位滴定曲线
一
质溶液反应的平衡 值 均有 的趋势
图 、 , 说明随着土壤剖面深度的增加 , 土壤胶体
的负电量逐渐降低 这与供试土壤的结晶性矿物随
剖面深度增加而逐渐减少的研究结果相一致〔’ 〕
电荷零点 的高低
两地火山灰土壤剖面 变化见表 在长白
山土壤中 , 层土壤的 为 一 , 平均为
, 较剖面 的 层 和 层分别低 和
, 表层与下层 间差异较大 在五大连池土壤中 ,
层土壤 为 一 , 平均为 , 较剖面
的 层和 层分别低 和 , 表层与下
层间差异较小 尽管如此 , 两地剖面 还是 比较
明显地呈 的趋势
电荷零点的位移 由图 、 可见 , 长白山和
五大连池火山灰土壤 与 是不重合的 , 各土
壤 均位于 的酸方一侧 , 这一现象被称之为
电荷零点的位移 “ , , 位移距离一般用 , , 来表示 由
表 可 见 , 在 长 白山 土壤 中 , 各 层 土壤 值 为
一 · 一 ‘ , 平均为
, · 一 ’ 在
五大连池土壤中 , 各 层土壤的 。 为 一
· 一 ’, 平均为 。
· 一 ’, 后者远远大于
前者、 但随剖面深度的增加 , 两剖面的 , ‘ 值均急剧
减小
表 供试土坡的电荷零点 及其位移 巩
, 即 一 , 巩
剖面 层次
日。
电荷零点 电荷零点位移
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图 五大连池剖面 土壤的电位滴定曲线
‘ 。 叹浦 园日 扬 此
等 ‘ 一 ‘’ 研究表明 , 在富含氧化物 、 氢氧
化物的热带强风化土壤以及富含非品质或准晶质矿
物 、腐殖质含量低的火山灰土壤中 , 可高达 以
上 , 但在高腐殖质含量高的火山灰土壤中 , 由于受起
源于有机质的负电荷影响 , 可下降至 以下 西
班牙火山灰土壤剖面的 为 一 〔 , 智利
火山灰土壤剖面的 为 一 与上述研究
结果 比较 , 长白山和五大连池 层的 均相对较
应 用 生 态 学 报 卷
低 , 其原因可能与土壤有机质含量及黄土质广域风
尘的影响有关
, ’“, ‘ 两剖面有机质含量均是表层
层 最高
, 下层急剧减少 有机质一般带有一定量
的可变负电荷 , 同时有机质的存在对粘粒矿物表面
的正电荷有阻塞作用 , 因此有机质降低 作用较
大比 ‘“
, ‘“, ‘’ 另一方面 , 受亚洲大陆起源的黄土质广
域风尘堆积影响 , 长 白山和五大连池火 山灰土壤
层粘粒矿物组成是 以蒙脱石 、 伊利石等 型矿物
和高岭石及微细石英等为主 , 其中蒙脱石 、伊利石具
有大量永久负电荷 , 可 吸附较多 的 干 , 致使土壤
降低 汤丽雅等「‘ 研究表明 , 型层状硅酸盐
蒙脱石具有很低 的 , 即使在 的体系 中 ,
其 也检测不 出来 袁朝 良 ‘ 研究发现 , 以
型层状硅酸盐矿物 蒙脱石和伊利石 为主的中国东
北黑土的 仅为 在灰化土 层土壤中添加
蒙脱石后 , 会使土壤 降低〔找在纤铁矿 中混人
的伊利石后 , 纤铁矿 的 也会显 著降低
由于广域风尘对土壤的影响 以表层最为强烈 , 因此
这可能是造成两火山灰土壤表层 降低的原 因
之一 从理 论 上 讲
, 纯粹 可 变 电荷性粘粒矿物 的
一般应与 相等 例如 , 等川研究
发现 , 在人工合成的赤铁矿电位滴定曲线上 , 位
于电荷密度的零线上 , 与 相重合 袁朝 良〔‘ 〕研
究表明 , 富含氧化铁和水铝石的砖红壤 几乎与
相等 但由于土壤矿物组成较为复杂 , 加之土壤
有机质的存在 , 致使土壤 一般都有不同程度的
位移 盯 等〔’“ 〕研究表明 , 在富含 型粘粒矿
物或富含交换性铝和有 机物的火山灰土壤 中 ,
的 。 , 值一般较大 , 而在缺乏 型粘粒矿物或交换
性铝和有机物的火山灰土壤中 , , 、值一般较小 我国
南方强风化赤色土 的 值仅为
· 一 ’, 而
在富含 二 型粘粒矿物的西北黄土质土壤和东北黑
土中 , , 值分别高达 巧 和 。
· 一 ‘ 由
于 。‘ 值是 处的剩余电荷 , 是层状硅酸盐矿物同
晶代换作用产生的永久负电荷和有机物负电荷的合
量 「’, ’ 因此 , 以风尘形式进入土壤 中的层状硅酸
盐矿物和有机物的积累是导致两火 山灰土壤 。 值
降低的主要原 因 此外 , 五大连池剖面 , 各层的
。 , 值均显著高于长白山剖面 , 说明前者受广域
风尘的影响较后者更为强烈 这一结果与广域风尘
对土 壤 矿 物 和 理 化 性 质 影 响 的 研 究 结 果 相 一
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参考文献
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宝 阳 刃
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作者简介 赵兰坡 男 , 年生 , 博士 , 教授 , 主要从事土壤
化学与改良、 土壤肥力与生态领域的研究 , 发表学术论文
余篇