沿纬度梯度典型地带性土壤电化学性质的空间变化规律及驱动机制

《CATENA》：Spatial variation patterns and driving mechanisms of electrochemical properties in typical zonal soils along a latitudinal gradient

　　

•高纬度土壤，以蒙脱石 (Mont) 和土壤有机质 (SOM) 为主，表现出较强的电场。
•以高岭石为主的低纬度土壤，显示的电场明显较弱。
•随着纬度降低，pH 响应从线性转变为指数型。
•霍夫梅斯特效应 (Hofmeister effect) 沿纬度梯度逐渐减弱。
•对于低纬度土壤，提高 pH 值可能会破坏团聚体稳定性并加剧侵蚀。

引言
纬度地带性是基本的地理原理，反映了地表物质循环和能量分布；它通过纬度差异引起的太阳辐射变化产生气候分异 (Wu, 2017; Yan et al., 2026)。中国纬度范围约为北纬 18° 至 45°，涵盖从寒温带到热带的氣候序列，是纬度地带性影响的典型范例。作为关键的成土因素，气候不仅影响土壤形成类型和分布范围，还深刻影响土壤矿物风化的方向和强度 (Drewnik et al., 2014; Lyu and Lu, 2024)。研究表明，随着气候从干冷向湿热转变，土壤有机质的分解速率和含量受到显著影响 (Walz et al., 2017; Min et al., 2026)；同时，土壤矿物通常表现出从云母和伊利石到绿泥石、 vermiculite ( vermiculite)、蒙脱石，最终到高岭石的演化序列 (Walsh et al., 2024)。矿物，特别是层状硅酸盐矿物（如高岭石、蒙脱石和伊利石），具有明显不同的晶体结构和电荷特征 (Liu et al., 2018; Lu and Zhang, 2020; Ikari and Conin, 2024)，这不可避免地导致土壤颗粒表面静电性质的显著分化 (Zhang et al., 2015; Liu et al., 2020)。因此，对典型纬度地带性土壤的静电性质进行系统研究，不仅是完善土壤电化学理论的内在要求，也是阐明“水热条件—胶体（有机/矿物）组成—静电性质”级联机制的关键。基于从中国样带获得的规律，这些规则也可以为预测全球纬度地带性背景下的土壤电化学行为提供科学依据。

土壤静电性质，包括表面电荷、电荷密度和电场强度，对一系列关键的物理和化学过程产生显著影响，例如离子 - 表面反应、土壤颗粒相互作用以及团聚体/孔隙稳定性 (Yu et al., 2017; Zhang et al., 2019; Yu et al., 2020; Yang et al., 2025)。静电性质不是静态的，而是随环境条件变化而变化，特别是 pH 值 (Su et al., 2021)。pH 通过影响胶体表面功能团的质子化和去质子化过程，直接调节可变电荷的数量和符号，从而改变土壤的整体静电性质 (Sposito, 2008; Cao et al., 2024)。明确土壤静电性质的空间变化模式及其对 pH 的响应，可以从根本上揭示不同地区土壤性质和肥力功能差异的内在原因。此外，土壤静电行为表现出显著的霍夫梅斯特效应，这意味着具有相同价态的不同阳离子对胶体双电层结构、电荷屏蔽和静电排斥势产生不同的影响。传统理论将这种效应归因于离子水合半径和极化率的差异 (Li et al., 2026)，而最近的研究表明，这种差异本质上源于离子在土壤电场中外层轨道的不对称杂化 (Liu et al., 2024; Tang et al., 2025; Liu et al., 2026)。霍夫梅斯特效应已被证明广泛存在于土壤胶体絮凝、团聚体稳定和离子交换吸附等关键界面过程中，并深刻影响这些过程的方向、强度和最终结果。进一步研究表明，霍夫梅斯特效应的程度与土壤表面电荷密度和电场强度密切相关；由于矿物组成和电荷特征的差异，这些效应可能在地带性土壤上表现出规律的空间变化。因此，在明确地带性土壤的静电性质及其 pH 响应特征的基础上，进一步调查霍夫梅斯特效应的纬度模式，将有助于从离子 - 界面行为的角度深化我们对“气候—胶体组成—静电性质—霍夫梅斯特效应”级联机制的系统理解，从而为调节不同气候区土壤中的离子活性和促进养分高效利用提供重要的理论支持。

之前的研究人员在土壤静电性质方面积累了丰富的发现。例如，Li 和 Xu (1999) 通过对湖北地区黄棕壤、黄棕壤灰化土和红壤的研究发现，随着纬度降低，土壤中次生矿物的含量增加，而阳离子交换量和基础饱和度呈下降趋势。Wu 等人 (2002) 使用返滴定法研究了七个纬度地带的典型土壤，表明土壤胶体的可变电荷随纬度升高而逐渐增加。Jiang 等人 (2010) 证实，不同气候带红壤中的零盐效应点、零净电荷点和兹塔电位的模式与土壤风化强度高度一致。Jiang 等人 (2012) 使用 Cs+ 吸附法测量表面电荷，发现砖红壤和红壤等低纬度土壤的永久负电荷明显低于黄棕壤等高纬度土壤，且阳离子交换量表现出明显的纬度分化。Lu (2015) 也表明，随着纬度降低，土壤中氧化铁和氧化铝的含量增加，比表面积减小，表面电位相应增加。

综上所述，虽然之前的研究积累了几种纬度地带性土壤静电参数的基本数据，但总体上仍存在三个关键差距，这为本研究提供了直接的理由。首先，级联链条中的“关键环节”尚未得到系统验证。虽然已经提出了“水热条件 → 胶体组成 → 静电性质”的理论框架，但还没有研究使用统一的方法在同一土壤系列中同时测量矿物组成、有机质含量和静电参数（电荷数量、电荷密度和电场强度）。因此，这种级联关系的经验支持仍然不足，难以量化气候驱动因素对土壤电化学性质的整体影响。其次，对电场强度的纬度变化模式缺乏了解。电场强度是决定双电层结构和界面离子行为的关键物理量 (Li et al., 2011; Liu et al., 2022)；然而，之前的研究主要集中在测量阳离子交换量或表面电荷 (Li and Xu, 1999; Wu et al., 2002; Jiang et al., 2012)，几乎没有关注电场强度——这一具有更重要基本物理意义的参数——特别是其沿纬度梯度的变化。第三，离子特异性效应的地带性模式尚未纳入研究框架。目前对霍夫梅斯特效应的理解主要基于单个土壤样本或少量对照样本的实验观察 (Yang et al., 2025; Liu et al., 2022)。鉴于不同纬度地带的土壤在矿物类型和有机质含量上存在显著差异，它们对阳离子（如 Mg2+ 和 Ca2+）静电排斥压力的响应是否表现出系统的纬度分化尚不清楚；然而，目前缺乏相关数据。

这种差距不仅限制了我们理解土壤电化学理论在区域尺度上的适用性，也阻碍了从静电机制的角度解释不同气候区土壤团聚体稳定性、养分保持能力和重金属迁移行为差异的可能性。为此，本研究考察了六种涵盖温带到热带地区的典型地带性土壤类型，在方法论、参数和视角三个层面展示了创新。在方法论上，我们采用了 Li 等人 (2011) 的联合测量方法，并辅以 FIP-DIP 分析仪，在统一的实验平台上直接量化电荷密度和电场强度，从而避免了整合多种方法带来的系统误差；在参数方面，本研究首次系统报告了电场强度的纬度变化模式，并提供了各种参数在连续 pH 梯度下动态变化的高分辨率数据，从而解决了之前研究仅测量单一 pH 值或单一参数的局限性；从概念视角来看，本研究首次将霍夫梅斯特效应的检查纳入地带性土壤序列。通过涉及 Mg2+ 和 Ca2+ 系统的对比实验，它揭示了胶体组成差异如何影响对阳离子类型敏感性的调节机制。最终，本研究旨在建立一个量化的、基于机制的理解链条，将气候驱动因素与电化学响应联系起来，形成“水热条件 → 胶体组成 → 静电性质”的级联框架，从而为不同气候区土壤肥力的精确管理和生态功能评估提供微观电化学理论基础。

章节片段
材料
本研究系统选择了六种代表北半球甚至全球性的纬度地带性土壤（其分布见表 1）。这些土壤构成了一个相对完整的自然梯度；它们的成土过程和特征不仅反映了地带性模式，还系统地说明了全球尺度上由水热条件驱动的地带性模式。其中，Udoll (始成土)、Cryalf (寒沃壤土) 和 Udalf (暗沃壤土) 属于高纬度

土壤比表面积的纬度变化
根据 Li 等人 (2011) 提出的联合测量法，可以使用 FIP-DIP 分析仪确定纬度地带性土壤的比表面积，测量的 pH 环境为 7.0。从高纬度到低纬度的土壤比表面积如下：Udoll (位于 44.1°N) 为 140 m2 g?1，Cryalf (位于 40.3°N) 的比表面积为 103 m2 g?1，Udalf (位于 31.3°N) 为 125 m2 g?1，Udult (位于 29.8°N) 为 78.3 m2 g?1，Ustult (位于 25.8°N) 为 52.8 m2 g?1，

讨论
土壤静电性质的地带性与土壤物质组成的地带性密切相关。因此，为了确定土壤静电性质地带性背后的驱动机制，必须首先澄清土壤胶体组成的地带性模式。

结论
本研究考察了 Udoll (始成土)、Cryalf (寒沃壤土)、Udalf (暗沃壤土)、Udult (红壤)、Ustult (乾红壤) 和 Ustox (乾氧化土)，系统测量了它们的静电性质（比表面积、表面电荷、电荷密度、电场强度和静电排斥压力）及其随 pH (3?11) 的动态变化。结合矿物组成和有机质含量分析，本研究揭示了土壤静电性质的纬度分化模式、其 pH 依赖性以及

CRediT 作者贡献声明
Linqiao Yu：写作 – 初稿，资源，方法论，调查。Shifeng Sun：软件，方法论。Tao Liu：软件，方法论。Hang Li：写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何利益冲突。

致谢
这项工作得到了国家重点研发计划 (2023YFD1900300) 和西南大学研究生科学研究创新项目 (SWUB23051) 的支持。

Linqiao Yu|Shifeng Sun|Tao Liu|Hang Li