蔡祖聪，现任中国科学院南京土壤研究所研究员。浙江余姚人，1958年11月生。1982年毕业于浙江农业大学土化系。分别于1985年和1988年在中国科学院南京土壤研究所获硕士和博士学位。1989年赴美，在新泽西州州立罗格斯大学环境科学系从事博士后研究和医学院环境医学系做研究助理。1992年春回国。1993年破格晋升为研究员。他先后从事土壤微量元素、磷素化学的研究。目前从事土壤中温室气体的生成、排放和调节机理及土壤环境保护的研究。1993年获中国科学院自然科学奖二等奖，中国科学院青年科学家奖和江苏省科学技术协会第三届青年科技奖。

    从1986年开始，根据我国土壤的地带性分布规律及土壤中钴含量和成土母质的相互关系，蔡祖聪采集了我国典型土壤类型的土壤样本，分析土壤中的钴含量和土壤性质，并进行了大量的统计分析。在他所分析的100个样本中，钴的含量范围为0. 57～104μg／g，平均为21μg／g，其中有9.5％的样本全钴含量低于5μg／g的临界值。这些全钴含量较低的土壤大部分分布在我国的南方。这一结果与1990年发表的我国“七五”国家重点科技攻关专题——全国土壤环境背景值调查研究结果相当吻合。环境背景值调查结果显示约有10％的样本的全钴含量低于临界值。

    通过分析表明我国土壤全钴含量有明显的地带性分布规律。在地域上，我国南方土壤中钴含量变幅很大，目前所测得的最大值和最小值都出现在我国的南方。相反，我国北方土壤的全钴含量变幅很小，绝大部分土壤的钴含量介于10～20μg／g之间。与其它重金属元素相同，成土母质是决定土壤全钴含量的关键因素。显然，土壤全钴的这一分布规律与我国成土母质的钴含量及分布规律是一致的。我国南方成土母质众多且各种成土母质的钴含量相差很大，如南方广泛分布的花岗岩中钴的含量一般在10μg／g以下，而另一种广泛分布的玄武岩中钴的含量一般在50μg／g左右。北方土壤绝大部分受到黄土沉积的影响，成土母质比较单一，钴含量的变异较小。

    但是，成土母质的钴含量及分布规律并不能完全解释土壤全钴的地带性分布规律。①南方由花岗岩和玄武岩发育的土壤中钴含量的差异远大于母质中这一元素的差异。如由花岗岩发育的砖红壤中，钴的平均含量为7.1μg／g，而由玄武岩发育的砖红壤中钴的平均含量高达88.0μg／g。相反由花岗岩和玄武岩发育成的栗钙土中钴的含量差异较母质中的差异小。②一些成土母质的钴含量很低，但由此发育的富铁铝化土壤中钴含量很高。如石灰岩中的钴含量通常只有1μg／g左右，而一些由石灰岩发育的砖红壤中钴含量可高达100～200μg／g。由此可见，成土过程对形成我国土壤全钴含量分布规律的作用也是不可忽视的。

    通过方差分析，蔡祖聪还发现了成土母质和成土过程对土壤中铀含量影响的交互作用。从土壤钴的地带性分布规律可以得出，淋溶富铁铝化的成土过程导致钴的相对富集。淋溶富铁铝化过程越强烈，土壤中钴的相对富集程度越高；钙积化过程则导致土壤中钴的相对贫化。在我国，从北到南淋溶富铁铝化程度逐渐提高，钙积化程度逐渐降低。因此，从总体上说，经过成土过程，在我国南方淋溶富铁铝化土壤中钴表现出明显的富集，在西北明显钙积化的土壤中钴则相对贫化。但是成土过程作用于不同的成土母质后所产生的后果在很大程度上还决定于成土母质的矿物学特性。成土母质及其组成矿物风化越容易，成土过程对土壤中钴含量的影响就越大；反之，成土过程所产生的影响就越小。这是成土母质和成土过程交互作用产生的基础。超基性岩、基性岩、中性岩到酸性岩钴的含量渐次降低，而岩石的抗风化能力渐次增加。花岗岩的主要组成矿物——石英是极抗风化的矿物，即使强烈的淋溶作用对其元素组成的改变也不大。红壤、砖红壤等发育于我国南方的土壤是强烈淋溶富铁铝化成土过程的产物，但由花岗岩发育的红壤和砖红壤中钴的含量与母质中的含量差异并不大。由于玄武岩和石灰岩极易风化，钙镁等大量元素被大量淋失，相对不易淋失的钴则相对富集，结果由这些母质发育的红壤和砖红壤中钴的含量远高于原母质的含量。这样，在这些分布于我国南方的土壤中，母质中业已存在的钴含量差异经过成土过程进一步扩大。而北方钙积化土壤，经成土过程和由于黄土母质的混入，存在于成土母质中钴含量的差异被缩小。

    从概念上说植物能直接吸收的是土壤中的有效钴。具有相等全钴的土壤可供同一种植物直接吸收的钴因土壤性质的差异可有很大的差异。蔡祖聪的研究表明，我国土壤钴的有效性也具有地带性规律。控制这一地带性规律的主要因素是土壤的pH。由于土壤中钴的有效性随土壤pH的提高而下降，且我国土壤的pH有从南到北逐渐提高的规律，从而导致土壤钴的有效性出现从南到北下降的趋势。蔡祖聪还发现土壤pH与土壤钴的有效性之间并不成简单的线性关系。土壤pH对土壤钴有效性的明显影响只发生在土壤pH＜6.0时，当pH＞6.0时，pH的变化已不再明显影响土壤钴的有效性。我国北方土壤的全钴含量几乎都高于5μg／g的临界值，但由于土壤pH高，有效性较低，因此，仍然有土壤供钴不足的可能性存在。在南方酸性土壤中钴的有效性较高，但有些土壤的全钴含量很低，这类土壤供钴不足的可能性也是存在的。

    澳大利亚土壤学家的研究表明，土壤中铁锰氧化物是影响土壤钴有效性的主要因素。当土壤中锰氧化物的含量超过1000μg／g时，对缺钴土壤施用钴肥不能增加植物对钴的吸收。这是由于铁锰氧化物对钴具有强烈的专性吸附作用。被专性吸附的钴对植物的有效性明显下降，因此铁锰氧化物含量高的土壤中钴的有效性较低。但是，在我国南方，经淋溶富铁铝化过程形成的红壤和砖红壤富含铁锰氧化物，但其土壤钴仍然有较高的有效性。原因在于土壤各组分对钴的吸附作用显著地受到pH的影响。土壤对钴的吸附随着pH的降低而下降。显然，低的土壤pH抑制了我国南方红壤、砖红壤类土壤中铁锰氧化物对钴的强烈吸附，因而使这类土壤仍有较高的钴有效性。

    pH对土壤吸附钴的影响是由于H+和Co离子在土壤表面竞争吸附位和pH对土壤表面电荷数量产生影响的结果。二种离子的竞争吸附可用竞争吸附方程描述。它的表达式如下：

x2=K2MC2/（1+K2C2+K1C1） （1）

    式中x2和C2分别表示离子2被吸附的量和溶液中的活度；C1为溶液中另一种离子的活度，考虑pH对金属离子吸附的影响时，C1即为H+活度；M为吸附剂表面最大吸附量，K1和K2分别为与离子1和2吸附能有关的常数。探讨这一方程所代表的化学反应可以发现，它反映的是一比一的离子交换过程，其代表的反应式可以用下式表示：

S-A+B=S-B+A （2）

    式中S表示吸附剂，A和B分别表示二种离子。土壤是一个高度不均一体，它由有机和无机的多种组分组成，而各种组分上发生的竞争吸附并不都属于同一类型的反应；如果竞争离子的一方是H+，它还影响土壤表面电荷的数量；从纯电荷的角度看，一价的H+与二价的Co交换率不应该是1∶1。可见，方程（1）过于简化了土壤中发生的吸附过程。在实践中发现用方程（1）拟合pH与重金属离子在土壤表面吸附的关系曲线时常常不能获得满意的结果。土壤表面实际发生的竞争吸附并非总是符合方程（2）所表示的一个A离子与一个B离子交换。由于土壤系统的高度复杂性，A和B进行竞争交换时的交换率还不能用实验方法测定。为了能更好地拟合土壤中实际发生的竞争吸附，蔡祖聪将（2）式改变成具有广泛适应性的形式：

S-A+mB=S-Bm+A （3）

    m为A和B进行竞争吸附时的交换率。从而推导出竞争吸附方程的如下修正式：

    从式（4）可以看出，如果C1是H+活度，m越大，则单位pH的改变导致的离子2吸附量的变化也越大。因此，m值可以反映土壤吸附重金属时对pH的敏感程度。从图1可以看出，不同性质的土壤吸附钴时对pH的敏感程度是很不相同的，东北的黑土受pH的影响最小，南京附近的黄棕壤次之，南方的砖红壤对pH最敏感。可见土壤吸附钴受pH的影响程度也是有地带性规律的。用方程（4）拟合pH对土壤钴吸附的影响曲线，结果发现m值与土壤中易还原锰含量呈极显著的正相关关系。这说明土壤中锰氧化物含量越高，钴在土壤表面的吸附受pH的影响越大。由此可以预见，对富含锰氧化物的酸性土壤施用石灰以提高其pH，土壤中钴的有效性将大大降低。如果这类土壤的全钴含量较低，施用石灰有可能导致对植物供钴不足；另一方面，这类土壤受到钴的污染时，施用石灰提高pH则是降低钴毒害的有效措施。
　　本文标题：蔡祖聪与土壤钴的化学行为研究
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