李 航 楊 剛

（土壤多尺度界面過程與調(diào)控重慶市重點實驗室，西南大學資源環(huán)境學院 重慶 400716）

基礎(chǔ)土壤學研究的方法論思考：基于土壤化學的視角*

李 航 楊 剛

（土壤多尺度界面過程與調(diào)控重慶市重點實驗室，西南大學資源環(huán)境學院 重慶 400716）

長期以來，不少人片面地認為，土壤學在學科屬性上僅是應(yīng)用型的，在研究手段上僅是實驗型的，在研究方法上必須是整體綜合的。本文系統(tǒng)地分析了這些片面認識對土壤學發(fā)展的危害，提出土壤學發(fā)展應(yīng)特別強調(diào)“分析”的方法，并在深入分析的基礎(chǔ)上實現(xiàn)自然而系統(tǒng)的綜合。闡述了土壤學研究的三個基本觀點：一是充分認識土壤系統(tǒng)的特殊性根基在于其對物質(zhì)亞原子結(jié)構(gòu)的重大影響。與普通水溶液中的情況相比，土壤中的離子、原子和分子在本質(zhì)上已發(fā)生了很大變化。所以，如果土壤確實從亞原子尺度上改變了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，開展土壤學中獨特的量子效應(yīng)研究將是重要的。其次，充分考慮土壤系統(tǒng)的特殊性，在方法上應(yīng)從宏觀尺度、介觀尺度、分子尺度至亞原子尺度對土壤進行逐級分解簡化，并借助于量子力學原理和方法，最終，在亞原子尺度上徹底剖析土壤，以獲得土壤學自己的科學基礎(chǔ)。第三，以土壤中獨特的量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的研究，可構(gòu)建“亞原子結(jié)構(gòu)—土壤微觀機制—宏觀效應(yīng)”三者間的直接關(guān)聯(lián)，由此實現(xiàn)土壤中不同尺度間科學原理的自然轉(zhuǎn)換，最終構(gòu)建獨立的土壤學知識體系。

先分析后綜合；多尺度分解；亞原子結(jié)構(gòu)；量子力學

美國土壤學會前主席Gardner曾說：“一些人（錯誤地）認為與土壤有關(guān)的知識值得了解的已完全了解，目前要做的僅僅是對這些知識加以適當?shù)膽?yīng)用而已。即使學識淵博的科學家也常常錯誤地認為，其他學科發(fā)現(xiàn)的自然科學規(guī)律和理論，不需要任何想象和創(chuàng)新就可以直接運用于土壤學的研究當中。在他們看來，土壤學不過是應(yīng)用生物學、應(yīng)用化學或者應(yīng)用物理學的一種表現(xiàn)形式”；并指出：“所有那些認為我們對土壤完全了解的人們，會發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)置身于一百年前相信科學知識是有極限的自然科學家的行列”［1］。的確，當今土壤學的研究現(xiàn)狀堪憂：一是與土壤有關(guān)的應(yīng)用研究越來越火熱，但與其基礎(chǔ)理論和原理相關(guān)的研究相對慘淡；其次是越來越多的冠以“土壤學”的研究卻偏離了“土壤”本身。雖然，在學科交叉領(lǐng)域出現(xiàn)暫時性的偏離是非常必要的，但如果越來越多的研究長期偏離“土壤”這一獨特體系而漸行漸遠，“土壤學”這門學科或?qū)⒆罱K被“撕裂”。尤其值得注意的是，今天的“土壤學”教科書與半個世紀前的相比，其核心知識內(nèi)容幾乎無變化，過時的甚至錯誤的概念與知識俯拾即是。這些現(xiàn)象似乎給基礎(chǔ)土壤學的未來展現(xiàn)了一幅悲涼的畫面。

基礎(chǔ)土壤學作為一門獨特的自然科學，它還有未來嗎？如果有，如何叩開這扇“未來”大門？這可能是近10～20年間基礎(chǔ)土壤學研究者共同思考的一個重要問題，而且，目前仍未找到準確的答案。本文認為，當今最緊迫的任務(wù)是對土壤學這門學科的發(fā)展進行深刻的“方法論”思考（更確切地說是“反思”），以期獲得叩開“未來”知識大門的鑰匙。本文旨在拋出一些經(jīng)過認真思考的有關(guān)方法論的淺見，以求得學術(shù)界對基礎(chǔ)土壤學研究“方法論”的關(guān)注和再思考。

1 對“盲人摸象”寓意的反思

中國人對“盲人摸象”的故事并不陌生，它給我們的啟示是：不能片面地看待和認識問題，否則將得出錯誤的、甚至荒謬的結(jié)論，如同“只能片面”地認識那頭大象的盲人們，有的聲稱大象像扇子，有的聲稱像柱子，還有的堅持認為像繩子，……這里強調(diào)“只能片面”這幾個字，是因為盲人不可能用眼睛“看清”大象的全貌。

在土壤學界，已經(jīng)到了不得不認真反思這個故事寓意的時候。試問：土壤學研究者面對“土壤”這個復(fù)雜的實體，與盲人面對那頭大象的外觀形態(tài)在本質(zhì)上又有何區(qū)別？我們雖然有明亮的眼睛，能夠看清土壤中的電子如何運動嗎？能夠看清土壤中原子、離子和分子如何相互作用嗎？能夠看清Ca2+如何強化腐殖質(zhì)與黏土之間相互作用從而提高團聚體的穩(wěn)定性嗎？能夠看清H+的吸附如何引起硅氧四面體和鋁氧八面體解體進而導致Al3+的釋放和土壤酸化嗎？……答案是顯而易見的：“絕無可能！”

其實，人們在面對一個實體的內(nèi)在運行機制與盲人面對一頭大象的外觀形態(tài)時，在很多方面是類似的。除了采用“盲人摸象”式的探索與研究之外，還能有什么更好的方法可揭示土壤內(nèi)部復(fù)雜過程的發(fā)生機制？面對土壤的內(nèi)部運行機制，研究者就如同“盲人”。我們應(yīng)該向那些摸象的盲人學習，因為他們摸到的“大腿”、“耳朵”等雖然均不能代表大象，卻是大象身體真實存在的一部分，盲人畢竟用自己的方式獲得了正確的局部信息。試想，如果盲人能夠做到不“以偏概全”，堅信各自獲得了正確的局部信息，那么，這些盲人就將“繼續(xù)摸下去”，以獲得更多的局部信息。毫無疑問，最終，大象的完整形象將清晰地呈現(xiàn)于盲人的腦海之中。這就是我們所熟悉的“先分析后綜合”的方法論。但非常遺憾，在這個故事中，最重要的這后半部分并未出現(xiàn)。如果這后半部分在故事中出現(xiàn)了，或許它可帶給人們更有益的啟示。

2 人類自然科學發(fā)展史的啟示

人類已經(jīng)創(chuàng)立了如此發(fā)達的現(xiàn)代自然科學，大多基于“先分析后綜合”的方法論基礎(chǔ)。正如羅杰·科茨［2］在《自然哲學的數(shù)學原理》的序言中所說：“從某些選擇的現(xiàn)象用分析法導出自然界的力和更單純的力的定律，然后由它們通過綜合法給出其他現(xiàn)象的構(gòu)造。這是最佳的哲學方法，是我們無與倫比的作者（牛頓）認為應(yīng)優(yōu)先采用的方法”。

為什么亞里斯多德“運動的物體要繼續(xù)運動，必須有力來維持”的錯誤理論統(tǒng)治了人類長達近2 000年？原因有兩方面：一是地球上任何一個物體的運動均是受多個力同時支配的復(fù)雜受力系統(tǒng)，如果不對這個復(fù)雜受力系統(tǒng)進行“選擇性”的分解、簡化和抽象，就僅能獲得表象信息，無法洞察其內(nèi)在本質(zhì)；二是由于這種非本質(zhì)的表象性理論與人們的感官所獲得的經(jīng)驗正好相符，所以，這些表象性理論能夠迅速被人們所接受并傳播。而且，要糾正這種偏見也將極其困難。這正如 “堅實的土塊可被雨滴直接擊碎”這一荒謬的表象性解釋一經(jīng)提出便立即被土壤學界普遍接受，并至今作為土壤流失主要動力的正統(tǒng)解釋一樣。

在亞里斯多德提出上述理論大約2 000年后，伽利略從一個地球上根本不存在的、極其簡化的抽象運動實驗中發(fā)現(xiàn)了運動的本質(zhì)，這個極簡的抽象實驗就是考查一個獲得初始速度的球體在不受任何外力作用下的運動狀態(tài)?；谠摮橄筮\動實驗，伽利略否定了亞里斯多德長達2 000年的錯誤理論，并正確認識到“力不是維持物體運動的原因”。后來，牛頓對伽利略的那個極其簡化的抽象實驗做了進一步的研究，即：考慮在斜面上僅有一個力（即重力），而在平直面上無任何外力存在。基于這樣一個在地球上永遠找不到的極其簡化的力學系統(tǒng)，牛頓再次挖掘到了偉大的真理，建立了影響人類科學與技術(shù)發(fā)展的牛頓第一定律和第二定律。有人肯定會問：基于一個在地球上根本就不存在的如此簡化的受力系統(tǒng)，所得理論有實際意義嗎？因為，地球上一個最簡單的真實受力系統(tǒng)（如推動一塊大石頭）均是由多個力同時發(fā)生作用的。今天，土壤學界的不少研究者可能會給出這樣的回答：這種研究除了可“忽悠”出幾篇論文外，無任何實際應(yīng)用價值，原因是，如此簡單的受力系統(tǒng)在地球上根本就不存在。比如，剖析0.000 1 mol L-1K+和0.000 1 mol L-1Na+導致土壤團聚體穩(wěn)定性差異的本質(zhì)原因時，立即會遭到“實驗設(shè)計不合理”這樣的質(zhì)疑（就像質(zhì)疑伽利略和牛頓的抽象實驗設(shè)計一樣）：（1）沒有任何一個土壤只含K+或Na+，所以，這種簡化所得結(jié)論對于一個真實的復(fù)雜土壤而言將是無用的或錯誤的；（2）大多數(shù)土壤中Na+含量很低，K+濃度也不可能恰好等于0.000 1 mol L-1，所以，這種研究毫無實際意義。于是，這些人建議實驗設(shè)計應(yīng)該考慮與真實土壤相一致的電解質(zhì)條件。毫無疑問，如果真的這么做了，就會像亞里士多德那樣，除了可以得到一些表觀性現(xiàn)象之外，任何內(nèi)在本質(zhì)的信息均不可能獲得。然而，基于簡化和抽象而建立起來的牛頓力學在任意復(fù)雜力學體系均能成功應(yīng)用，這一既定事實啟示我們，決不能輕視或低估這種基于“極端簡化”所推演出來的科學發(fā)現(xiàn)。恰恰相反，很多時候唯有借助這種簡化才能挖掘出現(xiàn)象內(nèi)部所蘊含的本質(zhì)，而且，一旦這樣的本質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，它將適用于任意的復(fù)雜條件。

毫無疑問，重視綜合而輕視分析的慣性思維將嚴重阻礙土壤學的發(fā)展。常聽到一些人在質(zhì)疑基于分析的土壤學研究時說：原本是要研究那頭活的“豬”，但你卻研究了“豬”身上的一根毛。請讀者思考一下，如果要始終保持這頭“豬”處于“活”的完整狀態(tài)，能夠開展的研究將是什么呢？只能是：例如，用不同養(yǎng)分配比的飼料輸入“豬”的胃中，然后測定“豬”的體重、身高、體長和排泄物量等表觀性指標，最后，采用統(tǒng)計分析方法討論輸入與輸出之間的關(guān)系。今天的大多數(shù)土壤學研究不正是沿用這條路嗎？這樣的研究能夠帶來重大發(fā)現(xiàn)嗎？能揭示“豬”體內(nèi)某個器官的結(jié)構(gòu)與功能嗎？亦或能夠揭示器官上某個細胞的結(jié)構(gòu)與功能嗎？值得慶幸的是，研究那頭“豬”的生物學家們認識到分析方法的重要性并廣泛采用，他們從那根被輕視的“豬毛”上提取到了一個DNA分子，并由此重新構(gòu)建了那頭活的“豬”。這些基于分析方法的研究，不僅引發(fā)了分子生物學的興起與蓬勃發(fā)展，并帶來了DNA檢測、轉(zhuǎn)基因食品和疫苗等重要技術(shù)革命。

實際上，從牛頓力學、電磁學、量子力學、相對論到描述復(fù)雜系統(tǒng)的熱力學以及分子生物學的相繼建立，人們大多采用了這樣的分析方法。

3 基礎(chǔ)土壤學研究的方法論思考

當然，本文并非全盤否定目前的土壤學研究的方法論基礎(chǔ)，而是認為，土壤學研究應(yīng)該充分認識分析方法的重要性，并以“先分析后綜合”的“最佳哲學方法”來指導未來土壤學的研究。本文認為，當前土壤學研究應(yīng)特別重視以下三種分析方法的實踐和應(yīng)用。

3.1 基于解剖和分解的分析

基于解剖和分解的分析方法在土壤物質(zhì)組成的研究中曾發(fā)揮了重要作用，使得我們今天能夠更加清晰地了解土壤礦物、土壤有機物、土壤水以及土壤生物的組成和狀態(tài)，雖然土壤微生物的組成狀況至今仍未得到徹底的解決［3］。在土壤物質(zhì)組成研究中，人們較好地采用了基于解剖和分解的分析方法，但在土壤性質(zhì)和過程的研究方面，這種方法的貫徹和應(yīng)用相當不徹底。在土壤性質(zhì)和過程的描述方面，目前的土壤學幾乎直接借用了物理、化學和生物學知識，很少考慮土壤自身的特殊性。要建立真正屬于土壤學的相關(guān)理論，應(yīng)該逐級地解剖土壤，從宏觀、介觀、分子、原子甚至亞原子尺度上充分認識土壤系統(tǒng)的特殊性，并最終通過在亞原子尺度上的徹底分解，獲得土壤學自己的科學基礎(chǔ)，才有可能最終建立起獨立的土壤學知識體系。

此處僅舉一個例子來闡述本方法的應(yīng)用。

前面提到，目前人們普遍認為，雨滴撞擊是土壤團聚體破碎并引發(fā)土壤流失的關(guān)鍵推動力［4］。然而，逐級分解的研究方法將使我們發(fā)現(xiàn)，這僅是一種表象性認識。

首先，我們將視野從土壤聚焦至其中的一個團聚體，并將該團聚體分解至土粒間相互作用的最小單元：任意兩相鄰?fù)亮ｉg的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，當土壤（黏土）團聚體處于風干狀態(tài)時，其中任意兩相鄰?fù)亮ｉg的引力壓強竟然高達108Pa［5-9］。因此，雨滴撞擊產(chǎn)生的不足105Pa的撞擊力壓強［10］絕不可能使吸引在一起的兩相鄰?fù)亮７珠_并造成團聚體的解體。除雨滴撞擊力之外的其他作用力（滲透壓、非均勻膨脹和閉蓄空氣壓縮等）壓強均遠小于108Pa，同樣不足以導致該團聚體的解體。這表明，水進入風干狀態(tài)的土壤團聚體后還產(chǎn)生了未知作用力。為了找到這種未知作用力，需要將研究對象做進一步分解。

現(xiàn)在將研究對象進一步分解并聚焦至單個土粒。此時，首先看到的是土粒表面上的電荷，而且發(fā)現(xiàn)其電荷密度可達1014～1015個cm-2［6］，并在土粒表面附近形成108～109V m-1的強電場［7］，而且，該電場使兩相鄰?fù)亮ｉg形成了很強的靜電排斥壓［6-7］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，土粒間的靜電排斥壓隨土壤含水量的增加（電解質(zhì)濃度的降低）而急劇增強［7］。與此同時，除電荷外，還將看到土粒表面因強大靜電場而聚集了大量水分子，這些水分子使兩相鄰?fù)亮ｉg產(chǎn)生一種新的排斥壓——表面水合排斥壓［7，11-12］。定量研究表明，這兩種排斥壓的總強度高達109Pa［6-7］。顯然，這個排斥壓足夠去抗衡108Pa的引力壓強，并導致土壤團聚體的猛烈膨脹和破碎。僅有當土壤團聚體膨脹破碎至土粒間平均距離超過3～5 nm時，雨滴撞擊力才起支配作用并控制后續(xù)過程的進行［6-7］。

然而，進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，當那個風干的土壤團聚體分別含K+或Na+時，其穩(wěn)定性表現(xiàn)出了成倍的差異［13-14］。經(jīng)典理論告訴我們：K+和Na+雖同價，但離子半徑和水合半徑有差異。因此，這種不可思議的巨大差異是否來自于這兩種離子不同的體積或水合體積呢？要回答這個問題，必須將研究對象進一步分解至分子與原子尺度。

當從分子和原子尺度上研究“離子—H2O—土?！毕嗷プ饔脮r，發(fā)現(xiàn)實測的“K+—土?！毕嗷プ饔媚軒缀醯扔谄浠邳c電荷的理論計算值的兩倍［15-16］。顯然，基于分子與原子尺度的離子體積和水合作用不能解釋這一結(jié)果。因為，考慮離子半徑或水合半徑時的實測能量必定小于基于點電荷的理論計算值。所以，離子與土粒表面間肯定存在一種基于亞原子尺度的未知相互作用，而且，K+和Na+的上述差異應(yīng)該來自于這種未知的相互作用。

現(xiàn)在讓我們的視野進入亞原子尺度，即K+和Na+的原子內(nèi)部。這時，所看到的兩個離子的不同將不再是離子體積或水合效應(yīng)，而是離子的電子層結(jié)構(gòu)之間的差異。由于土粒表面附近存在很強的電場和被該電場強烈活化了的表面氧原子，它們使靠近黏土表面的離子（或原子）的能量和量子狀態(tài)發(fā)生了巨大改變［15-17］。定量研究發(fā)現(xiàn)，黏土中的這種獨特的量子效應(yīng)使Na+、K+和Cs+分別表現(xiàn)出了+1.18、+1.94和+2.40個表觀電荷［15-16］，而在無黏粒的水介質(zhì)中它們至多表現(xiàn)出+1個表觀電荷。研究表明，基于亞原子尺度的上述剖析，K+和Na+引起的上述差異可得到圓滿解釋。

為了形象地表達黏土中獨特的量子效應(yīng)，圖1給出了黏粒表面附近離子電子云發(fā)生強烈形變（電子能量和量子狀態(tài)的巨大改變而引發(fā)的非經(jīng)典極化作用）的示意圖。

上述討論清晰地表明，若不從宏觀、介觀、分子/原子至亞原子尺度對土壤逐級進行分解，并最終在亞原子尺度上解釋土壤中獨特的量子效應(yīng)，很難真正揭示降水導致土壤團聚體破碎的內(nèi)在機制。

圖1 離子在黏粒強電場中的非經(jīng)典極化（核外電子能量和量子狀態(tài)的變化）示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ionic non-classic polarization（changes in extranuclear electronic energy and quantum state）in high field of clay

3.2 基于簡化和抽象的分析

要充分揭示土壤相關(guān)過程的內(nèi)在規(guī)律，僅僅依靠分解和解剖的方法是不夠的，還應(yīng)在此方法的基礎(chǔ)上簡化并抽象化研究體系。正如前面討論人類自然科學發(fā)展歷程時所啟示的那樣，無論簡單系統(tǒng)還是復(fù)雜系統(tǒng)，人們大多采用了這樣的方法。

對于像土壤和生物那樣的復(fù)雜系統(tǒng)而言，這種簡化抽象顯得尤為重要。目前，土壤學研究現(xiàn)狀總體上表現(xiàn)出了宏觀與微觀研究的嚴重脫節(jié)。其主要原因是土壤系統(tǒng)過于復(fù)雜，在宏觀與微觀之間建立關(guān)聯(lián)是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。目前，開展土壤微觀機制（如界面化學反應(yīng)）相關(guān)研究的很少關(guān)注土壤宏觀表現(xiàn)（如前面提到的水土流失）；而開展水土流失宏觀研究的，主要關(guān)注外在因素或外營力作用（如植被狀況、地表覆蓋、坡度、地形地貌和降雨強度等）的影響，而對內(nèi)在因素至多也僅關(guān)注到土壤礦物/有機組成、土壤機械組成、土壤結(jié)構(gòu)孔隙等層面，幾乎未涉及或關(guān)聯(lián)水土流失發(fā)生的基于原子與分子層面的深層次科學基礎(chǔ)。

為與前面的討論內(nèi)容相呼應(yīng)，此處舉一個關(guān)于金屬離子界面反應(yīng)如何影響土壤水運動的例子。土壤結(jié)構(gòu)與孔隙的穩(wěn)定性取決于水進入土壤團聚體后土粒間的作用力，而這些作用力又是由包括金屬離子界面反應(yīng)在內(nèi)的各種界面過程決定的。由于土壤結(jié)構(gòu)與孔隙的穩(wěn)定性不僅影響到地表水入滲和土壤水傳輸，也影響土粒向水中的分散過程。所以，土壤中固液界面反應(yīng)的微觀過程必定影響土壤水入滲、土壤水運動和水土流失等宏觀現(xiàn)象的發(fā)生。

現(xiàn)在，將一個真實土壤進行簡化和抽象化：從田間取回紫色土（紫色濕潤雛形土），將其中所有陽離子分別用Li+、Na+或K+代換，所有陰離子用Cl-代換，從而得到經(jīng)“簡化抽象”了的“X+-紫色土”（其中X+=Li+、Na+或K+）。圖2是入滲時間為150 min時“X+-紫色土”中水的垂直分布圖［18］。

圖2 同一紫色土（X+-紫色土）含不同一價陽離子（Li+、Na+或K+）時水分入滲150 min后的含水量分布［18］Fig. 2 Distribution of soil moisture content in the same purple soil containing cations（Li+，Na+or K+）different in valence after valence150 min of infiltration［18］

圖2表明，同一土壤僅因陽離子不同而導致土壤水運動速度的差異是相當驚人的。通過這種“簡化與抽象”，不僅可看到這種不可思議的實驗現(xiàn)象，而且可找到影響土壤水運動的本質(zhì)原因?！锻寥缹W》相關(guān)教科書中提到：土壤水勢梯度決定土壤水運動速度，這是借用了熱力學中自由能的概念建立起來的理論。但這僅僅是一個表象性的理論，還需要刨根究底：土壤水的自由能又是由什么物理機制決定的呢？通過這種簡化抽象，發(fā)現(xiàn)影響土壤水運動的本質(zhì)原因是：金屬離子界面反應(yīng)中的靜電效應(yīng)和量子效應(yīng)深刻影響了土壤中的電場，以及土壤礦物—礦物和礦物—有機相互作用力的性質(zhì)和強度，進而影響了土壤水的勢能梯度，并最終影響了土壤水的運動速度［18］。而且，該研究還提供了一種新的可能：人們可通過調(diào)節(jié)這種界面上的靜電和量子效應(yīng)來調(diào)節(jié)土壤這一多孔介質(zhì)水分傳輸速度。

誠然，田間紫色土中水的運動速度與經(jīng)上述簡化抽象后的紫色土可能大相徑庭，但通過簡化抽象揭示了科學本質(zhì)：金屬離子界面反應(yīng)的量子效應(yīng)和靜電效應(yīng)深刻影響（甚至控制著）土壤水的運動，將普遍適用于任何復(fù)雜的土壤系統(tǒng)。這正如伽利略和牛頓對運動和力學系統(tǒng)進行簡化抽象，雖然真實的球體運動情況和簡化抽象后的可能截然不同，但簡化抽象后揭示的力學和運動學本質(zhì)則適用于任何真實而復(fù)雜的系統(tǒng)。

3.3 基于計算和模擬的分析

此處所談的計算和模擬特指量子力學計算和基于量子力學的理論模擬。因為，正是基于量子力學計算才建立了現(xiàn)代自然科學及其實驗手段，而且，歷史上“無一例外”地證明了量子力學的理論計算結(jié)果能夠準確地反映微觀世界的部分內(nèi)在規(guī)律。例如，求解量子力學基本方程——薛定諤方程得到原子核外的電子構(gòu)象等，雖然至今仍未得到實驗的“直接”證實，然而，若沒有這樣的純理論計算就沒有現(xiàn)代自然科學。所以，如果黏土確實從亞原子尺度上改變了物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，那么，開展土壤學中獨特的量子力學計算將是重要的。

下面舉兩個例子說明土壤系統(tǒng)獨特的量子力學計算的重要價值。

第一個例子是蛭石或伊利石中K+-O鍵的形成。蛭石或伊利石中K+嵌入了由六個氧原子所形成的復(fù)三方孔隙，并形成了K+-O鍵（內(nèi)圈配合［19］）。但同樣的2∶1型礦物，蒙脫石卻不能形成那個K+-O鍵（外圈配合［19］）。原因是什么？傳統(tǒng)的土壤學解釋為，黏土帶負電而K+帶正電，并且，K+離子半徑與那個孔的半徑相當，所以就嵌進去了。非常遺憾，這個缺乏基本說服力的解釋，幾乎被整個土壤學界所接受。第一，蒙脫石也帶負電，而且也有那個復(fù)三方孔隙，為什么K+卻無法嵌入蒙脫石的復(fù)三方孔隙而形成K+-O鍵？其次，在水溶液中K+是水化了的，那么，K+嵌入蛭石或伊利石復(fù)三方孔隙時這些水分子是如何被剝掉的？第三，正負電荷相吸的確可使K+向黏粒表面氧原子靠近，但是，當二者之間的距離到達一定程度后，K+的電子云與復(fù)三方孔隙中六個氧的電子云之間的強烈排斥將導致，K+的電子云邊界與孔隙周圍六個氧的電子云邊界之間必須維持相當?shù)木嚯x。然而，當將這個排斥空間考慮進去后，K+就進不去了（那個復(fù)三方孔隙的直徑是0.26 nm［19］，而K+的直徑約為0.266～0.304 nm［20］）。顯然，唯一可能的解釋是：K+與蛭石或伊利石復(fù)三方孔隙的氧原子之間存在十分強烈的量子力學效應(yīng)，進而產(chǎn)生了極強的K+-O鍵合作用。相比而言，K+在蒙脫石上卻不存在如此強烈的量子力學效應(yīng)，因而，無法形成強的K+-O鍵。當然，實驗也證明，K+在蒙脫石表面上也存在獨特的量子力學效應(yīng)［15-16，21］，只是其強度較蛭石或伊利石K+-O鍵的強度弱。由于蛭石或伊利石形成時，其同晶替代主要發(fā)生在離晶體表面最近的硅氧四面體中，而蒙脫石的同晶替代則主要發(fā)生在鋁八面體中［19］，所以，伊利石的表面電場和表面氧原子的活性（由電子的量子態(tài)決定）均遠大于蒙脫石。顯然，要揭示黏土中這種獨特量子效應(yīng)的物理機制，必須開展基于量子力學的計算和模擬研究。

第二個例子是土壤酸化發(fā)生機制。不少研究土壤的人均簡單理解了“酸化”這一概念，認為土壤pH降低就意味著土壤酸化了。有許多因素可導致土壤pH出現(xiàn)暫時性的降低（如施銨態(tài)氮肥或秸稈還田），而當導致pH降低的這些因素（或氫離子來源）消失后，土壤pH又會逐漸恢復(fù)。因此，應(yīng)將這種暫時性pH下降稱為“假性酸化”。土壤學教科書明確指出，土壤是否真正酸化，不完全在于土壤pH的高低，而在于有無鋁八面體解體而導致的Al3+釋放，并使部分土壤膠體轉(zhuǎn)變成鋁質(zhì)膠體。只是不同酸化程度的土壤，鋁八面體的破壞程度和鋁離子積累程度不同。然而，一旦出現(xiàn)鋁八面體解體和鋁離子釋放后，土壤要自然恢復(fù)至中性將是不可能的。所以，土壤酸化的基本標志應(yīng)是：土壤pH降低后難以自然恢復(fù)至中性的情況。當然，此處關(guān)注的是酸化發(fā)生的機制。土壤學教科書已經(jīng)提到，鋁八面體解體和鋁離子釋放的前提是H+在黏粒表面的吸附要達到一定數(shù)量。問題的關(guān)鍵是，H+在黏粒表面的吸附如何導致硅四面體和鋁八面體解體？這涉及黏土這一特定系統(tǒng)中亞原子尺度上的原子軌道（如H-O-原子）信息，同樣地，開展土壤中的量子力學計算能夠給出最終的答案。

上述例子僅僅是土壤眾多（包括物理、化學和生物學）過程中的“冰山一角”。但這些例子已經(jīng)清晰地表明：由于土壤系統(tǒng)的特殊性，在很多時候，必須從亞原子尺度去重新審視和認識，而揭示亞原子尺度內(nèi)在規(guī)律最有力的手段就是求解給定體系的薛定諤方程。因此，以量子力學為基礎(chǔ)的計算和模擬方法在土壤學研究中必將發(fā)揮重要作用。當然，實際上土壤學研究一般從觀察實驗現(xiàn)象開始，然后才有理論研究，土壤這一獨特系統(tǒng)的量子效應(yīng)研究就是以實驗現(xiàn)象為基礎(chǔ)的理論研究。

4 結(jié) 論

土壤學發(fā)展應(yīng)特別強調(diào)分析方法的應(yīng)用，并在深入分析的基礎(chǔ)上實現(xiàn)自然而系統(tǒng)的綜合。本文認為土壤學研究應(yīng)充分認識土壤系統(tǒng)的特殊性根基在于其對物質(zhì)亞原子結(jié)構(gòu)的獨特影響，并認為開展土壤學中獨特的量子效應(yīng)研究將是重要的。基于此特殊性，本文提出在方法上應(yīng)該從宏觀、介觀、分子至亞原子尺度對土壤進行逐級分解簡化，并借助于量子力學原理和方法，最終在亞原子尺度上徹底剖析土壤。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建“亞原子結(jié)構(gòu)—土壤微觀機制—宏觀效應(yīng)”三者間的直接關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)土壤中不同尺度間科學原理的自然轉(zhuǎn)換，從而最終構(gòu)建獨立的土壤學知識體系。必須指出，本文僅提供了一個關(guān)于基礎(chǔ)土壤學研究方法論的思考。在所提觀點的論證過程中，雖然僅用了幾個例子作為其論點的支撐，易給讀者留下“以偏概全”的印象，但這些例子所反映的土壤系統(tǒng)的特殊性，足以表達建立土壤學獨立知識體系的必要性，以及采用以“分析”為基礎(chǔ)的方法的重要性。同時，必須基于土壤本身去認識土壤的相關(guān)過程，從而建立土壤學自己的知識體系，而不是僅僅將其他學科的知識直接引進，因為黏土體系中的問題僅有土壤學才普遍關(guān)注，黏土體系中亞原子尺度的獨特效應(yīng)也僅有土壤中才普遍存在。

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Rethink the Methodologies in Basic Soil Science Research：From the Perspective of Soil Chemistry

LI Hang YANG Gang
（Chongqing Key Laboratory of Soil Multi-Scale Interfacial Processes，College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing 400716，China）

For a long time，quite a number of people one-sidedly believe that soil science is merely an applied science，and its research tools are merely experimental，while its research methodology should be holistic and integrative. In this paper，systems analysis was done of the perniciousness of this one-sided presumption to development of the soil science，and it was proposed that development of the soil science in future should stress the use of analytical methods and a natural systematic integration should be realized on the basis of such in-depth analyses. Three basic viewpoints were then put forward and elaborated：1）it is essential to be fully aware that the peculiarities of the soil systems root in their fundamental impacts on subatomic structures. For example，in common aqueous solutions，Li+，K+and Cs+will definitely not exceed +1.00 in effective charge and instead should fall below +1.00 due to cationic volumes and hydration effects；however，their effective charges burgeon respectively to +1.05，+1.94 and +2.40 when these ions are placed at the interface of clays in aqueous solutions，as a result of the profound impact of clay on the energetic and quantum states of these cation electrons. In other words，cations（as well as atoms and molecules）at clay interfaces are essentially different from those in aqueous solutions. 2）Considering peculiarities of the soil systems，methodologically the soils should be hierarchized by scale i.e. macroscopic，mesoscopic，molecular，atomic and subatomic scales，and eventually analyzed by means of the principles and methodology of quantum mechanics at the subatomic scale. And 3）Through researches based on the quantum effect unique to the soil，direct correlations between subatomic structures，soil microscopic mechanisms and macroeffect could be established，hence to realize，an natural conversion of scientific principles between different scales of soil. And in the end an independent and self-consistent pedological knowledge system will be constituted. Here it is a must to emphasize that this paper is intended to provide some ideas about methodology of the research on basic soil science. Although it may be too much of a generalization for our arguments to be just supported by several special examples，the particularities of the soil systems those samples reflect sufficiently express the necessity to establish an independent and self-consistent knowledge system for soil science，and the importance of analytical methods in the establishment.

Analysis and synthesis；Multi-scale decomposition；Electronic shell structure；Quantum mechanics

S15；N3

A

（責任編輯：陳榮府）

10.11766/trxb201703310602

* 國家自然科學基金重點項目（41530855）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41530855）

李 航（1963—），教授，主要從事界面化學與土壤化學的研究。E-mail：lihangswu@163.com

2017-03-31；

2017-05-02；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-05-04