土壤養(yǎng)分熱力學(xué)

前言

　　土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是植物營養(yǎng)的主要源泉。土壤養(yǎng)分的有效性不僅與養(yǎng)分的數(shù)量有關(guān)，而且與養(yǎng)分的能量水平關(guān)系密切，特別是一些具有較強(qiáng)吸持力的土壤，養(yǎng)分的能量狀態(tài)成為制約有效性的關(guān)鍵因素。朱祖祥（1979）在“土壤磷酸鹽位的理論與應(yīng)用”一文中對土壤養(yǎng)分的能量和數(shù)量關(guān)系進(jìn)行了明確的分析，指出只有能量水平達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)量因素才有意義，表明了土壤養(yǎng)分能量對養(yǎng)分有效性的重要作用。因此，國內(nèi)外學(xué)者對土壤養(yǎng)分能量及其轉(zhuǎn)化特征倍加關(guān)注，進(jìn)行了較多研究?！　崃W(xué)是研究物質(zhì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化與趨向的科學(xué)，應(yīng)用熱力學(xué)原理研究土壤養(yǎng)分能量狀態(tài)和變化趨向，是土壤養(yǎng)分領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，已在土壤離子活度、養(yǎng)分位、離子吸附、交換熱力學(xué)特征等方面獲得較大研究進(jìn)展。但是，迄今尚無反映土壤養(yǎng)分熱力學(xué)研究成果的專著，僅Sposito（1981）所著The Thermodynamics of Soil Solutions一書，側(cè)重?zé)崃W(xué)原理在土壤溶液中的應(yīng)用，從理論上進(jìn)行了較系統(tǒng)論述，但對土壤養(yǎng)分各領(lǐng)域熱力學(xué)研究成果涉及較少。因此，全面匯總撰寫這方面的專著，對促進(jìn)土壤養(yǎng)分熱力學(xué)發(fā)展和土壤養(yǎng)分領(lǐng)域研究的深化具有重要意義?！　”緯窃凇巴寥浪譄崃W(xué)”、“土壤有機(jī)質(zhì)熱力學(xué)”為主題的國家自然科學(xué)基金、國家高等學(xué)校博士學(xué)科點科研基金等課題同步開展的土壤養(yǎng)分熱力學(xué)研究工作基礎(chǔ)上，依據(jù)所取得的研究成果及國內(nèi)外有關(guān)資料編寫而成的。書中闡述了土壤養(yǎng)分熱力學(xué)的基本理論、研究途徑和方法；土壤離子活度及養(yǎng)分位的特點；土壤離子吸附、交換的熱力學(xué)特征；土壤氮素轉(zhuǎn)化熱力學(xué)及土壤微生物參與反應(yīng)的熱力學(xué)條件；基于“擴(kuò)散動力學(xué)”概念，拓展論述了溶質(zhì)運移動力學(xué)及熱力學(xué)的研究成果；同時，針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水熱條件對土壤養(yǎng)分狀態(tài)的顯著影響，就土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及揮發(fā)逸出的水熱耦合效應(yīng)和能量特征進(jìn)行了較系統(tǒng)的論證。此外，針對重金屬對土壤的污染問題，還概述了土壤以及修飾改性土中重金屬吸附、運移等方面的熱力學(xué)研究資料?！　”緯饕獌?nèi)容來自課題組張一平、白錦鱗、陳思根的相關(guān)研究，以及樊小林、徐明崗、楊亞提、何緒生、呂家瓏、張增強(qiáng)、王玉、曲東、高鵬程、白紅英、孟昭福、尉芹、杜建軍等同志在博士論文、碩士論文等研究工作中所取得的有關(guān)成果，這些成果對本書編寫作出了重要貢獻(xiàn)。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)劉孝義教授、西北農(nóng)林科技大學(xué)呂殿青研究員對我們的土壤熱力學(xué)研究工作給予了大力支持；甘化民博士積極促進(jìn)了我校土壤熱力學(xué)研究與國外的合作交流；本書是《土壤水分熱力學(xué)》、《土壤有機(jī)質(zhì)熱力學(xué)》、《土壤養(yǎng)分熱力學(xué)》三部土壤熱力學(xué)系列專著之一，為這三部土壤熱力學(xué)專著的出版，科學(xué)出版社彭勝潮、韓鵬、關(guān)焱編輯付出了大量心血和辛勞；本書出版得到國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金和西北農(nóng)林科技大學(xué)校長基金資助，在此一并表示衷心感謝。

內(nèi)容概要

本書闡述了土壤養(yǎng)分熱力學(xué)的基本理論、研究途徑和方法；土壤離子活度及養(yǎng)分位的特點；土壤離子吸附、交換、擴(kuò)散、運移的熱力學(xué)特征；土壤氮素轉(zhuǎn)化熱力學(xué)及土壤微生物參與反應(yīng)的熱力學(xué)條件；以及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、揮發(fā)逸出的水熱耦合效應(yīng)和能量特征；并針對土壤重金屬污染問題，對土壤及修飾改性土中重金屬吸附、運移等方面的熱力學(xué)研究進(jìn)行了較系統(tǒng)的論述。    本書可作為土壤學(xué)、植物營養(yǎng)與施肥、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)等教學(xué)、科研人員和研究生的參考書。

書籍目錄

前言第一章  土壤養(yǎng)分熱力學(xué)基礎(chǔ)  1.1 化學(xué)勢與活度  1.2 活度系數(shù)與離子強(qiáng)度  1.3 土壤離子的吸附結(jié)合能  1.4 養(yǎng)分位  1.5 土壤離子吸附反應(yīng)熱力學(xué)的研究途徑    1.5.1 土壤離子吸附反應(yīng)熱力學(xué)研究的平衡法    1.5.2 土壤離子吸附反應(yīng)熱力學(xué)研究的動力學(xué)法    1. 5.3 土壤離子吸附反應(yīng)熱力學(xué)研究的離子活度法  1.6 土壤離子交換熱力學(xué)的研究途徑    1.6.1 土壤離子交換熱力學(xué)研究的平衡法    1.6.2 土壤離子交換熱力學(xué)研究的動力學(xué)法  1.7 土壤養(yǎng)分?jǐn)U散運移的熱力學(xué)研究途徑    1.7.1 土壤養(yǎng)分?jǐn)U散的熱力學(xué)研究途徑    1.7.2 土壤養(yǎng)分運移的熱力學(xué)研究途徑第二章  土壤離子活度及養(yǎng)分位  2.1 離子締合對土壤溶液濃度及活度的影響  2.2 不同土壤鉀離子活度及其影響因素    2.2.1 不同土壤鉀離子濃度、活度及活度系數(shù)    2.2.2 不同土壤鉀離子活度的影響因素  2.3 石灰位及其影響因素  2.4 磷酸鹽位及其在土壤磷固定轉(zhuǎn)化和診斷研究中的應(yīng)用    2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)磷位圖譜    2.4.2 磷位在土壤磷固定機(jī)制研究中的應(yīng)用    2.4.3 磷位在土壤磷轉(zhuǎn)化特征研究中的應(yīng)用    2.4.4 磷位值與土壤有效磷源    2.4.5 石灰性土壤不同施肥處理對土壤磷位的影響    2.4.6 磷酸鹽位在非石灰性土壤需磷診斷上的應(yīng)用  2.5 土壤鉀鈣養(yǎng)分位第三章  土壤離子吸附及其熱力學(xué)特征  3.1 土壤離子吸附的機(jī)制  3.2 吸附等溫線吸附模型及土壤離子吸附的影響因素    3.2.1 吸附等溫線    3.2.2 描述吸附等溫線的吸附模型    3.2.3 多粒級組分的吸附等溫線及吸附模型    3.2.4 土壤離子吸附的影響因素及其定量關(guān)系    3.2.5 非飽和土壤離子吸附等溫線的測定(濾紙法)  3.3 土壤離子吸附的熱力學(xué)特征    3.3.1 磷吸附的熱力學(xué)特征    3.3.2 銨固定的熱力學(xué)特征    3.3.3 土壤鉀吸附解吸的熱力學(xué)特征    3.3.4 土壤對微量元素吸附的熱力學(xué)特征  3.4 土壤及有機(jī)修飾改性土對重金屬離子吸附的熱力學(xué)特征    3.4.1 土壤對重金屬離子吸附的熱力學(xué)特征    3.4.2 有機(jī)修飾改性土對重金屬離子吸附的熱力學(xué)特征第四章  土壤離子交換熱力學(xué)特征  4.1 離子交換等溫線及其類型  4.2 表征離子交換特征的熱力學(xué)參數(shù)  4.3 不同土壤K—Ca交換熱力學(xué)特征    4.3.1 平衡法途徑對不同土壤K—Ca交換熱力學(xué)特征的研究      4.3.2 動力學(xué)途徑對不同土壤K—Ca交換熱力學(xué)特征的研究      4.3.3 土壤K—Ca交換熱力學(xué)特征的影響因素  4.4 微量元素鋅銅離子交換熱力學(xué)特征    4.4 1 不同土壤Zn—Ca交換熱力學(xué)特征    4.4.2 膨潤土Cu—Ca交換熱力學(xué)特征  4.5 重金屬鎘離子交換熱力學(xué)特征第五章  土壤離子擴(kuò)散運移及其熱力學(xué)特征  5.1 土壤離子擴(kuò)散定量關(guān)系及機(jī)理    5.1.1 擴(kuò)散定律的熱力學(xué)推導(dǎo)及擴(kuò)散系數(shù)的剖析    5.1.2 離子在土壤中的擴(kuò)散機(jī)理    5.1.3 土壤中離子的擴(kuò)散公式  5.2 土壤離子擴(kuò)散的熱力學(xué)特征    5.2.1 不同土壤反應(yīng)性溶質(zhì)磷擴(kuò)散的熱力學(xué)特征    5.2.2 不同土壤非反應(yīng)性溶質(zhì)氯離子擴(kuò)散的熱力學(xué)特征    5.3 土壤溶質(zhì)運移機(jī)制及運移狀態(tài)下的吸附等溫線    5.3.1 土壤溶質(zhì)運移機(jī)制和基本方程    5.3.2 土壤溶質(zhì)運移狀態(tài)下的吸附等溫線及其斜率  5.4 土壤溶質(zhì)運移的熱力學(xué)特征    5.4.1 銨、鉀運移的動力學(xué)及熱力學(xué)特征    5.4.2 飽和流及入滲過程中土壤剖面銨吸持動力學(xué)和能量特征    5.4.3 磷運移動力學(xué)及熱力學(xué)特征    5.4.4 鋅運移動力學(xué)及熱力學(xué)特征    5.4.5 鎘運移動力學(xué)及熱力學(xué)特征第六章  無機(jī)氮轉(zhuǎn)化的熱力學(xué)及土壤微生物參與反應(yīng)的熱力學(xué)條件  6.1 無機(jī)氮轉(zhuǎn)化的熱力學(xué)    6.1.1 氧化還原平衡    6.1.2 無機(jī)氮轉(zhuǎn)化的反應(yīng)自由能    6.1.3 不同氮組分的pe+pH與組分活度的關(guān)系  6.2 甲烷產(chǎn)生的機(jī)制及水稻土產(chǎn)甲烷的熱力學(xué)條件    6.2.1 甲烷產(chǎn)生的機(jī)制及產(chǎn)甲烷反應(yīng)的自由能參數(shù)計算      6.2.2 水稻土產(chǎn)甲烷的熱力學(xué)條件    6.2.3 添加氧化鐵對水稻土甲烷形成及其熱力學(xué)條件的影響  6.3 水稻土中鐵還原過程的熱力學(xué)條件    6.3.1 水稻土缺氧培養(yǎng)過程中Fe2+的產(chǎn)生    6.3.2 鐵還原反應(yīng)的自由能參數(shù)計算    6.3.3 不同氧化鐵還原過程Gibbs自由能(△GFe)變化第七章  土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及揮發(fā)逸出的水熱耦合效應(yīng)和能量特征  7.1 土壤鉀素轉(zhuǎn)化的水熱耦合效應(yīng)及能量特征    7.1.1 水分和溫度對土壤速效鉀含量的影響    7.1.2 水熱耦合作用對土壤速效鉀含量的影響及水熱耦合效應(yīng)特征參數(shù)      7.1.3 水熱耦合作用下土壤鉀轉(zhuǎn)化動態(tài)特征及動力學(xué)方程    7.1.4 水熱耦合作用下土壤鉀轉(zhuǎn)化的能量特征  7.2 施肥土壤氨揮發(fā)的水熱耦合效應(yīng)及能量特征    7.2.1 不同水熱條件下施肥土壤氨揮發(fā)的動態(tài)特征    7.2.2 施肥土壤氨揮發(fā)水熱耦合效應(yīng)動力學(xué)方程及特征參數(shù)    7.2.3 水熱耦合作用下施肥土壤氨揮發(fā)的能量特征  7.3 水熱條件對土壤氧化亞氮排放逸出的影響及其能量特征    7.3.1 溫度對土壤氧化亞氮排放影響的定量模式及特征參數(shù)    7.3.2 水分對土壤氧化亞氮排放影響的定量模式及特征參數(shù)    7.3.3 水熱耦合作用下土壤氧化亞氮排放動態(tài)及能量特征參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第一章　土壤養(yǎng)分熱力學(xué)基礎(chǔ)　　土壤養(yǎng)分對植物的有效性是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中備受關(guān)注的一個重要問題。土壤養(yǎng)分的有效性不僅與養(yǎng)分的數(shù)量有關(guān)，而且與養(yǎng)分的能量狀態(tài)關(guān)系密切，特別是一些對養(yǎng)分具有較強(qiáng)吸持力的土壤，養(yǎng)分的能量狀態(tài)成為制約有效性的關(guān)鍵因素。因此，國內(nèi)外學(xué)者對土壤養(yǎng)分能量及其轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行了較多研究，朱祖祥在“土壤中有效養(yǎng)料的能量概念”（熊毅等，1965）一文中，對土壤交換性離子養(yǎng)分的有效度等問題進(jìn)行了較全面的概述，并在“土壤磷酸鹽位的理論與應(yīng)用”（朱祖祥，1979）一文中對土壤養(yǎng)料的能量概念和數(shù)量概念進(jìn)行了分析，認(rèn)為兩者既有區(qū)別，又有聯(lián)系，并指出只有能量水平達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)量因素才有意義，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分能量概念的應(yīng)用和土壤養(yǎng)分能量狀態(tài)研究的深化?！　崃W(xué)是研究物質(zhì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化與趨向的科學(xué)，應(yīng)用熱力學(xué)原理研究土壤養(yǎng)分能量狀態(tài)和變化趨向，是土壤養(yǎng)分領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，已取得較多研究成果，本章側(cè)重對土壤養(yǎng)分熱力學(xué)的基本理論、研究方法及研究途徑作較系統(tǒng)的論述?！　?.1化學(xué)勢與活度　　化學(xué)勢（化學(xué)位）與活度是熱力學(xué)中的重要參數(shù)，在土壤養(yǎng)分熱力學(xué)研究中具有重要意義?；瘜W(xué)熱力學(xué)中將（ex/eni）T，P，n。定義為偏摩爾量（partial molar quantity），式中X代表任意一容量性質(zhì)，如自由能（G）、內(nèi)能（U）等，該式表示保持溫度（T）、壓力（P）和除i以外其他組分的摩爾數(shù)不變的情況下，向體系中加入1摩爾i種物質(zhì)所引起整個體系的熱力學(xué)性質(zhì)的變化量。相應(yīng)（eG／eni）T，P，n，稱為組分i的偏摩爾自由能（Gi），并以專用符號μi代表。

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