湖南农大博士入学考试《土壤与地质学》考试试题答案.doc

土壤学青年教师土壤与地质学考试试题参试老师： 盛浩 得分： 一、名词解释（共60分，每小题6分）1、CEC与ECEC； 2、PZC与PZNC；3、永久电荷与可变电荷； 4、表面络合作用与表面络合物；5、OHP与IHP； 6、渗育层与潴育层； 7、二八面体结构与三八面体结构； 8、硅氧烷型表面与羟基化表面；9、土壤交换性酸与土壤水解性酸； 10、E4/E6与C/N。二、问答题（共90分，每小题15分） 1、简述农业地质土壤学派、土壤发生学派、农业化学土壤学派产生的历史背景、代表人物与主要观点。 2、分析胡敏酸和富啡酸化学特性的相同点和异同点。 3、简述土壤对阴离子的专性吸附作用的机理与主要特点。4、分析伊利石和蒙脱石晶体化学特性的相同点和异同点。 5、简述土壤中重金属的主要存在形态及其分离提取方法。 6、分析层状铝硅酸盐粘土矿物硅氧烷型表面的双三角形洞穴的表面化学活性与晶层内同晶置换作用的关系。一、名词解释1、CEC与ECEC；答：CEC是英文专业术语cation exchange capacity的首字母缩写，土壤学名词为土壤阳离子交换量，指土壤所能吸附和交换的阳离子容量，用每千克土壤的一价离子的厘摩数表示，即cmol(+)/kg。CEC大小基本代表土壤可能保持的养分数量，即保肥性的高低。CEC也是土壤缓冲性能的主要来源。ECEC是英文专业术语effective cation exchange capacity的首字母缩写，土壤学名词为土壤有效阳离子交换量，指用中性醋酸氨提取的交换性盐基和中性氯化钾提取的交换性氢、铝之和。主要适应于富含水合氧化物、以可变电荷为主的热带、亚热带地区高度风化的土壤。2、PZC与PZNC；答：PZC：是英文专业术语point of zero charge的缩写，土壤学名词为土壤零点电荷或土壤电荷零点，指在一定温度和压力下，土壤胶体表面上，某一类电荷密度为零时，决定电势离子浓度的负对数值（体系pH值）。PZNC：是英文专业术语point of zero net charge的缩写，土壤学名词为土壤净电荷零点，指在一定温度和压力下，土壤胶体表面上，总的净表面电荷（永久电荷和可变电荷之和）为零时，决定电势离子浓度的负对数值（体系pH值）。3、永久电荷与可变电荷；答：多数情况下，在土壤粘土矿物晶格内部，八面体或四面体中低价态的阳离子被高价态阳离子替代发生同晶替代现象，造成正电荷亏缺，产生剩余负电荷；由于同晶替代一般发生在粘土矿物的结晶过程中，存在于晶格的内部，这种电荷一旦形成就不会受到外界环境（pH、电解质浓度等）的影响，因而称永久电荷（permanent charge）。由于土壤胶体向土壤中释放离子或吸附离子（如H+）引起的，包括含水氧化物（如氧化硅、氧化铝、氧化铁）的解离、有机物表面功能团（如OH基）的解离和质子化等产生的电荷；这些电荷不是永久不变的，它们的数量和性质会随着介质pH的改变而改变，因而称可变电荷（variable charge）。4、表面络合作用与表面络合物；表面络合作用：指胶体表面有机物的功能团，如羧基（COOH）、酚羟基（OH）以及可能的酞基（CO）和氨基（-NH2）等与金属离子相络合或螯合，从而使金属离子失去活性的作用。表面络合物：英文专业术语surface complex，指固相表面官能团与溶液中分子作用而生成的稳定产物。5、OHP与IHP；答：IHP和OHP分别指胶体双电层内层的内Helmhotz面和外Helmhotz面。IHP指在Grahame胶体双电层模型中的内Helmhotz面，由未水合的离子构成，这些离子紧紧的吸附在带电体的表面，电位在此层呈直线降低；此层在Stern模型中对应Stern层。OHP指在Grahame胶体双电层模型中的外Helmhotz面，为水合的离子构成，属于扩散层范围，电位在此层呈指数降低。6、渗育层与潴育层；答：渗育层（percogenic horizon）：指水稻土犁底层之下受水分下渗影响，一部分铁锰被淋失，土色带灰，有时有少量锈纹锈斑，呈棱块状或棱柱状结构的土层。常用P表示。潴育层（waterloggogenic horizon）：指水稻土心土层中来自耕作层渗漏水或潜水上升水的还原性铁锰化合物被氧化淀积形成锈纹、锈斑、铁锰结核等新生体，呈棱柱状及棱块状结构，结构体表面被覆着下渗胶体形成的胶膜的土层。常以W表示。7、二八面体结构与三八面体结构；答：二八面体（dioctahedron）结构又称双八面体结构，指的是在层状结构的硅酸盐八面体基本结构层中，若八面体的中心可能位置只有2/3空间被三价阳离子占据以平衡正负电荷，这种结构称为二八面体结构，由此构成的层状硅酸盐叫做二八面体结构层状硅酸盐。三八面体结构指层状结构的硅酸盐八面体基本结构层中，若层内所有的八面体中心位置被二价阳离子（如镁离子）充填（占据）以平衡电荷，这种结构称为“三八面体结构”，由此构成的层状硅酸盐叫做三八面体结构层状硅酸盐八面体片中与四面体片的一个六元环范围相匹配的是中心呈三角形分布的三个八面体。当八面体位置为二价阳离子占据时，此三个八面体中都必须有阳离子存在，才能达到电价平衡。若为三价阳离子时，则只需有两个阳离子即可达到平衡，此时另一个八面体位置是空的。据此，还可将结构单元层区分为三八面体型和二八面体型。8、硅氧烷型表面与羟基化表面；答：二者是土壤胶体表面的重要类型。硅氧烷表面： 英文专业术语siloxane surface，指层状硅酸盐中硅氧四面体底面互相连结而成的六方网状平面层，其基本组成为SiOSi。由硅离子层和氧离子层组成的硅氧烷型表面不易离解，是疏水性表面，其电荷来源主要为同晶替代（Al3+替换Si4+），少部分为边角断键。2：1型的粘土矿物为典型代表，其暴露的2个基面都是硅氧烷型表面。1：1型高岭石的顶部基面也是硅氧烷型表面。羟基化表面：又称水合氧化物表面，英文专业术语hydroxyl surface，指层状硅酸盐中由金属离子和氢氧基组成的表面，基本组成为ROH表示，R为粘粒表面的配位金属离子或硅离子，如铝醇（AlOH）、铁醇（FeOH）、硅烷醇（SiOH）等。由羟基直接与硅、铁、铝等离子结合，也可通过氢键与吸附水结合，因而它是极性的亲水性表面，其电荷来源为表面OH基质子的缔合或离解OH2+或离解OH O-+H+。1：1型高岭石的底部基面就是典型的羟基化表面。9、土壤交换性酸与土壤水解性酸；答：土壤交换性酸与土壤水解性酸都属于土壤潜性酸，但土壤水解性酸度要大于土壤交换性酸度。土壤交换性酸（soil exchangeable acid）指由交换性H+和Al3+引起的酸度；常用中性盐溶液（如1 mol/L KCl或0.06 mol/L的BaCl溶液）浸提非石灰性土壤及酸性土壤时，土壤胶体表面吸附的铝离子与氢离子的大部分均被浸提液交换进入溶液，浸提液中的氢离子及由铝离子水解产生的氢离子，用标准碱溶液滴定，根据碱液消耗量而换算的交换性氢离子和交换性铝离子总量，即为交换性酸量。土壤水解性酸（soil hydrolytic acid）指用弱酸强碱的盐类溶液（常用pH=8.2的1 mol/L的NaOHc溶液）浸提时产生水解作用，从土壤胶体上代换出来的氢离子所产生的酸度，即为水解性酸量。10、E4/E6与C/N。答：E4/E6：指的是腐殖物质在波长465 nm与665 nm（或400 nm和600 nm）处光密度或吸光值（A）之比，是腐殖化程度（鉴定腐植酸）的一种指标。C/N：称碳氮比，指植物体内碳水化合物中的碳与氮或土壤和有机肥料中碳与氮的含量的比率。二、问答题1、简述农业地质土壤学派、土壤发生学派、农业化学土壤学派产生的历史背景、代表人物与主要观点。答：土壤学在发展进程中先后出现了三大学派：农业化学土壤学派、农业地质土壤学派和土壤发生学派。（1）农业化学土壤学派产生历史背景：18世纪后，伴随着西方工业化和科学技术的快速进程，物理、化学等基础学科的发展对土壤学发展产生了巨大影响。代表人物：李比希（Justus von Liebig）主要观点：在有机化学在农业和生理学上的应用一书中，李比希提出 “植物矿质营养学说”，认为矿质元素（无机盐类）是植物的主要营养物质，而土壤则是这些营养物质的主要给源。土壤是植物养料的储藏库，植物靠吸收土壤和肥料中的矿质养料而滋养。植物长期吸收消耗土壤中的矿质养料，会使土壤库中的矿质养料越来越少，为了弥补土壤库储存量的减少，可以通过施用化学肥料和轮栽等方式如数归还土壤，以保持土壤肥料永续不衰。（2）农业地质土壤学派产生历史背景：农业化学土壤学派形成后，侧重于研究土壤供应植物养料的能力，把土壤看作发生化学反应和生物化学反应的介质，很少了解土壤作为地理景观的一部分，因而具有某些弱点和局限性。在这种背景下，为弥被这一不足，农业地质土壤学派应运而生。代表人物：法鲁（F. A. Fallow）、李希霍芬（F. V. Richthofen）和拉曼（E. Ramann）等主要观点：土壤形成过程是岩石风化过程，认为土壤是岩石经过风化形成的地表疏松层，即岩石风化的产物。土壤类型决定于岩石的风化类型，土壤是变化破碎中的岩石。土壤是陆地的一个淋溶层；甚至认为土壤过去是岩石，而今正在重新形成岩石。（3）土壤发生学派产生历史背景：农业地质学派强调岩石、母质对土壤的作用，片面的将风化过程看作成土过程。到了19世纪70-80年代，出现了综合五大成土因素的土壤发生学派。代表人物：道库恰耶夫、威廉斯、马伯特（C. F. Martbtu）、汉斯詹尼（Jenny Hans）主要观点：道库恰耶夫在俄罗斯的黑钙土中指出，土壤是气候、生物、母质、地形和陆地年龄（时间）等五种因子相互作用的产物，是一个独立的历史自然体，其发生过程与环境条件有密切关系；在空间分布上有明显的地带规律性。威廉斯创立了土壤的统一形成学说，指出土壤是以生物为主导的各种成土因子长期综合作用的产物。物质地质大循环和生物小循环矛盾的统一是土壤形成的实质。土壤本质特点是具有肥力，并提出团粒结构是土壤肥力的基础，制定了草田轮作制。这种学说称土壤生物发生学派。汉斯詹尼在土壤成土因素中用函数定量对土壤和环境因子之间的联系进行相关分析，在土壤资源、起源与性状中进一步将土壤成土因子公式，扩大和提升到现代生态系统基础上来。2、分析胡敏酸和富啡酸化学特性的相同点和异同点。答：富啡酸（又称黄腐酸或富里酸，英文fulvic acid, FA）指在水、酸和碱溶液中都可溶的腐殖物质。胡敏酸（又称褐腐酸，英文humic acid, HA）特指溶于碱溶液而不溶于水和酸溶液的腐殖物质。二者都是土壤腐殖物质的主要成分，在化学特性上既具有相同点，也存在明显差异。（1）在元素组成上。相同点：FA和HA都主要由碳、氢、氧、氮、硫以及少量钙、镁、铁、硅元素组成。异同点：FA的含碳量和含氮量小于HA，FA的氧、硫含量大于HA，C/H比和C/O比小于HA。（2）在化学结构上。相同点：FA和HA的分子结构都非常复杂，目前还未能确定。二者属脂肪类的结构高达50%，都属大分子聚合物，以芳香族核为主体，附以各种功能团，如酚羟基、羧基和甲氧基以及含氮的环状化合物等，但这部分氮都较难分解，只有芳香族核被破坏后才能释放出来。异同点：（i）FA分子量最低，一般为300-2000，分，而HA子量中等，分子量范围5000-100 000。（ii）FA周转快，其14C年龄较小，一般为0-500年。HA的周转慢，14C年龄较大，一般为1000-2500年，HA的实际平均4C年龄也在1000年以上。（iii）FA的羧基、羰基和酚羟基含量以及羧基的解离度均较HA高，但醌基较HA低。（3）在表面化学性质上。相同点：FA和HA的功能团性质决定了二者化学性质非常活泼，表现出极强的离子交换性、缓冲作用、络合作用、氧化还原性、胶体特性及生物活性等。二者因带负电荷而产生的阳离子交换量（CEC）一般为500-1200 cmol (+)/kg（按单位重量计），远高于硅酸盐粘土矿物的CEC。FA和HA具有弱酸性，因而对H+浓度具有较大的缓冲范围。此外，FA和HA的弱酸性还反映在能与金属离子、金属氧化物和水化氧化物之间的络合作用上，FA和HA上的羧基等重要功能基能与金属离子络合以复合体的方式存在。在酸性条件下，一般形成水溶性络合物，而在中性或碱性条件下，其生成物会产生沉淀。异同点：（i）FA的总酸度大于HA，因为FA的羧基远多于HA。FA较高的总酸度也意味着FA的阳离子交换量和络合容量要高于HA。（ii）FA酸性强、分子量小，FA的金属络合物也较易溶解，而HA的金属络合物仅在金属比例小时可以溶解，金属比例增加则沉淀下来。（iii）FA具有相当大的水溶性，溶液的酸性较强，FA与一价和二价金属离子形成的盐类也能溶于水。HA的缩合程度高，分子量大，不溶于水，酸性小，易发生凝聚；HA与钾、钠等形成一价盐类溶于水，但与钙、镁等形成高价盐类后溶解度减弱。因此，HA易与金属离子形成不溶性络合物，使之成为对植物无效的状态。（4）吸光特性。相同点：FA和HA在紫外光和可见光区中可产生非特征性光谱，该光谱特性可反映芳环的缩合程度、总碳含量和分子量等。异同点：FA的E4/E6一般为6.0-8.5，而HA的E4/E6通常小于5.0。HA较低的E4/E6表明其分子量和缩合程度增加，芳香物质高度缩合，脂族结构较少，平均驻留时间较长，腐殖质化程度较深，历史更为古老。（5）表面张力。相同点：FA和HA都具有表面活性，二者以亲水性为主，但也具有一些芳环、脂肪酸酯类等其它疏水性物质。异同点：当pH值和腐殖物质浓度增加时，FA和HA都降低了水的表面张力，但HA的降幅比FA更大。（6）胶体颗粒、大小和形态特征。相同点：FA和HA都具有胶体颗粒的大小和形态。低pH值时纤维状结构，变为高pH值时的类片状结构，同时颗粒变小。异同点：当pH值2-3时，FA主要是长纤维状和纤维束，呈相当开放的结构。pH值增加时，结构明显重新排列。pH值在8时FA形成片状，到pH值在9时片状变厚，pH值在10时可见到细的均匀颗粒。在低pH值2.5时HA为圆球状、链状和葡萄状，当pH值3.5时变成不同厚度的多孔海绵状结构。当pH值达4.5甚至更高时，HA变成反差很弱的扁平片状，多孔。3、简述土壤对阴离子的专性吸附作用的机理与主要特点。答：作用机理：土壤对阴离子的专性吸附作用指阴离子进入粘土矿物或氧化物表面的金属原子的配位壳中，与配位壳中的羟基或水合基重新配位，并直接通过共价键或配位键结合在固体的表面。这种吸附发生在胶体双电层的内层，也称为配位体交换吸附。主要特点：（1）专性吸附的阴离子不仅可以在带正电荷的表面发生吸附，也可在带负电荷或零电荷的表面被吸附。吸附的结果使表面正电荷减少，负电荷增加，体系的pH值上升。（2）由于专性吸附是发生在胶体双电层的内层，因此，被吸附的阴离子是非交换态的，在离子强度和pH值固定的条件下，不能被静电吸附的离子（如Cl-、NO3-）置换，只能被专性吸附能力更强的阴离子置换或部分置换。（3）阴离子专性吸附主要发生在铁、铝氧化物的表面，而这些氧化物多分布于可变电荷土壤中。因此，可变电荷土壤如砖红壤、红壤中阴离子的专性吸附现象相当普遍。4、分析伊利石和蒙脱石晶体化学特性的相同点和异同点。答：蒙脱石和伊利石（又称水云母）因其在不饱和电荷、表面积以及水化作用等方面不同，而具有各种特殊的化学性质。下面分别从粘土矿物的晶层构造、膨胀性、电性、吸附性、离子交换性、比表面积、分散性、凝聚性等方面比较蒙脱石和伊利石两种硅酸盐粘土矿物的晶体化学特性异同。（1）在晶层构造上。相同点：蒙脱石和伊利石的晶层结构基本相似，都是两个硅氧四面体片之间夹一个铝氧八面体片的2：1型层状硅酸盐粘土矿物。异同点：蒙脱石单位结构化学式Al2Si4O10(OH)2nH2O，铝能代替四面体中的硅，铁和镁也能代替八面体中的铝，其化学性质多样。蒙脱石矿物晶层的顶层和底层两个基面都由SiO面通过很小的分子力相连接，晶层之间结合力弱。伊利石单位结构化学式K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O，四面体中大约每6个Si4+中就有一个被Al3+所替代。伊利石矿物晶层的存在K+离子刚好位于四面体中氧离子构成的六角形网状构造的凹陷中，且大小正好合适，K+非常稳定，晶层之间结合力强。（2）胀缩性。蒙脱石和伊利石具有完全不同的胀缩性能。蒙脱石由于晶层间分子力很小，晶层间结合力较弱。水分子或其它极性溶液能够进入晶层之间，使晶层间距扩张，因失水又发生收缩，其晶层间距变化在0.96-2.14 nm之间，具有很大的胀缩性。伊利石由于晶层间存在很强的离子键，连接力很强，使晶层不易膨胀，其晶层间距在1.0 nm，几乎没有胀缩性。但是，在风化成土过程中，伊利石晶层单元边缘有K+离子会逐渐被其它阳离子所交换，从而使得伊利石具有一定的胀缩性。随着交换过程的不断发展，基底间距不断增大，K+离子被全部交换之后，伊利石则变成可胀缩的硅酸盐矿物。此时的伊利石也就演变成了另一种粘土矿物了，如蒙脱石、绿泥石等。（3）带电性和离子交换能力。相同点：蒙脱石和伊利石中，同晶替代现象都较普遍，所带电荷量都较大。异同点：蒙脱石的同晶替代普遍，层电荷基本为永久电荷；同晶替代主要发生在铝片中，一般以Mg2+代Al3+，使得蒙脱石粘土矿物带大量负电荷，具有较高的吸附能力，其阳离子交换量可高达80-120 cmol(+)/kg，且不随pH值而变化。伊利石中同晶替代较普遍，主要发生在硅片中，但部分电荷被层间的K+离子或少量Ca2+、Mg2+离子所中和，其吸附能力中等，阳离子交换量为20-40 cmol(+)/kg。（4）胶体特性。相同点：蒙脱石和伊利石均具有一定程度的胶体特性。异同点：蒙脱石为薄片状，颗粒细微，有效直径0.01-1.0 m之间；颗粒总表面积大，可达600-800 m2 g-1，且80%为内表面。其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都特别显著。蒙脱石胶体特性突出。伊利石亦为薄片状，颗粒较细，有效直径0.2-2.0 m之间；总表面积70-120 m2 g-1，且全部为外表面。其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性均处于中等水平。5、简述土壤中重金属的主要存在形态及其分离提取方法。答：主要存在形态：重金属经过一系列物理、化学变化后，以各种形式存在于土壤中。目前，采用不同的提取剂、不同的分析流程，得出“操作性定义”的重金属形态，主要有以下5种分法。但目前仍没有一种标准的提取方法被国际土壤环境学界普遍接受。（1）金属可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态、残渣态等5种形态（Tessier分法，1979）。该法是目前应用最广泛的方法。（2）可交换态、碳酸盐态、易还原态（主要是Mn还原物）、中等还原态、可氧化态、残渣态等6种形态（Forstner分法，1986）。（3）弱酸可提取态、可还原态、可氧化态及残渣态等4种形态（欧共体标准物质局分法（简称BCR），1992）。该法在欧洲广泛应用。（4）水溶态、易交换态、无机化合物沉淀态、大分子腐殖质结合态、氢氧化物沉淀吸收态或吸附态、硫化物沉淀态、残渣态等7种形态（Cambrell等，1994）。（5）交换态、水溶态、碳酸盐结合态、松紧合有机态、氧化锰结合态、紧结合有机态、无定形氧化铁结合态、硅酸盐矿物态等8种形态（Shuman等，1993）。分离提取方法：连续提取（sequential extraction）技术具有操作简便、适用性强、蕴涵信息丰富等优点而广泛应用。目前，国际上又以Tessier重金属形态分析法及其改进方法（五步连续萃取法）应用最广，分离提取方法如下：金属可交换态：称取风干、过0.149 mm（100目）筛的土壤样品1.0 g于100 mL锥形瓶中，加入15 mL 1.0 mol L-1 MgCl2溶液（稀氨水和稀盐酸调节pH =7.0），室温振荡下萃取2 h，转移到50 mL离心管3000 r min-1 离心分离30 min，过滤上清液，用去离子水清洗残余物，再离心，倒掉清洗液。用试剂空白，原子吸收测定上层清液中各重金属的浓度。碳酸盐结合态：取上步离心分离后所得的残渣全部转入100 mL锥形瓶中，加入15. 0 mL 1.0 mol L-1 CH3COONa溶液（用CH3COOH调节pH5. 0），室温振荡下萃取2 h，转移到50 ml离心管3000 r min-1 离心30 min，过滤上清液，用去离子水清洗残余物，再离心，倒掉清洗液。用试剂空白，原子吸收测定上层清液中各重金属的浓度。铁锰氧化物结合态：取上步离心分离后所得残渣的离心管中加入20.0 mL 0.04 mol L-1的NH2OHHCl溶液，水浴保温在963浸提5 h，偶尔搅动。冷却后，3 000 r min-1 离心30 min，过滤上清液，用去离子水清洗残余物，再离心，倒掉清洗液。试剂空白，原子吸收测定上层清液中各重金属的浓度。有机物结合态：取上步离心分离后所得残渣的离心管中加入3.0 mL 0.02 mol L-1 HNO3和5.0 mL 30%的H2O2（HNO3调节pH2.0），水浴保温在852 ，间歇搅动，萃取2 h；补加3.0 mL 30% H2O2（HNO3调节pH2. 0），水浴保温在852，间歇搅动条件下，萃取3 h；冷却后，加入5.0 mL 3.2 mol L-1的CH3COONH4 （HNO3介质体积分数20%），并继续振荡30 min；3000 r min-1 离心30 min，过滤上清液，用去离子水清洗残余物，再离心，倒掉清洗液。试剂空白，原子吸收测定上层清液中各重金属的浓度。残渣态：取上步离心分离后所得残渣于50 mL离心管，加入混酸HNO3，HF，HClO4，HCl，其体积分别为8.0、2.0、2.0、2.0 mL，水浴保温852 ，间歇搅动，消化3 h，3000 r min-1，过滤上清液。试剂空白，原子吸收测定上层清液中各重金属的浓度。BCR法是欧共体标准物质局提出的较新的划分分法，在国内也应用较广，提取流程下：弱酸可提取态：称取过100目筛的风干土样1.0000 g置于100 mL离心管中，加入40 mL 0.1 mol L-1的醋酸（HOAc），放入恒温振荡器中225下连续震荡16 h，然后放入离心机中3000 r min-1下离心20 min。将离心管上清液移入50 mL容量瓶中，用水稀释到刻度，摇匀。用原子吸收分光光度计测量浓度。可还原态：取上一步离心分离后所得残渣，加入40 mL 0.5