14土壤物质之间的相互关系

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1、第四节第四节 土壤组成物质之间的相互关系土壤组成物质之间的相互关系一、土壤机械组成一、土壤机械组成1、土壤机械组成概念、土壤机械组成概念 土壤由大小不同的土粒按不同的比例组合而成，土壤由大小不同的土粒按不同的比例组合而成，这些不同的粒级混合在一起表现出来的土壤粗细状况。这些不同的粒级混合在一起表现出来的土壤粗细状况。2、土壤粒级的划分、土壤粒级的划分 石砾、砂粒、粉粒、粘粒石砾、砂粒、粉粒、粘粒3、土壤质地的分类、土壤质地的分类 依据：土壤中各粒级含量的相对百分比作为标准。依据：土壤中各粒级含量的相对百分比作为标准。4、土壤质地对土壤性质的影响、土壤质地对土壤性质的影响砂土、壤土、粘土表表1

2、土壤质地分类对照土壤质地分类对照返回返回 土壤胶体对土壤养分元素、污染物的迁移转化有重要作用，这种作用与土壤胶体对土壤养分元素、污染物的迁移转化有重要作用，这种作用与土壤胶体类型及其性质密切相关，土壤胶体均具有双电层结构。土壤胶体类型及其性质密切相关，土壤胶体均具有双电层结构。1 1、土壤胶体的概念、土壤胶体的概念 土壤中高度分散粒径在土壤中高度分散粒径在11001100毫微米之间物质。毫微米之间物质。2 2、土壤胶体类型：土壤胶体类型：土壤矿质胶体；土壤矿质胶体；（次生硅酸盐、简单铁铝氧化物、二氧化硅）（次生硅酸盐、简单铁铝氧化物、二氧化硅）有机胶体；有机胶体；（腐殖质、有机酸、蛋白质等）（

3、腐殖质、有机酸、蛋白质等）有机有机-无机复合胶体。无机复合胶体。二、土壤胶体二、土壤胶体图图1 1 土壤胶体结构示意图土壤胶体结构示意图3、胶体的结构、胶体的结构扩散双电层扩散双电层：土壤带电胶体与溶液界面的双电层土壤带电胶体与溶液界面的双电层胶体表面的（负）电荷层紧靠表面溶液的反离子或补胶体表面的（负）电荷层紧靠表面溶液的反离子或补偿（阳）离子层。偿（阳）离子层。两者电荷数相等，符号相反，维持体系的电中性。两者电荷数相等，符号相反，维持体系的电中性。静电引力使反离子靠近表面，热运动又使其脱离表面静电引力使反离子靠近表面，热运动又使其脱离表面而形成具有扩散特征的反离子层，又称扩散层。其中而形成

4、具有扩散特征的反离子层，又称扩散层。其中反离子呈不均匀分布，如同地球的大气层。反离子呈不均匀分布，如同地球的大气层。扩散层反离子分布和表面电位变化特征。扩散层反离子分布和表面电位变化特征。4、土壤胶体性质、土壤胶体性质巨大的比表面和表面能巨大的比表面和表面能带电性带电性分散和凝聚性分散和凝聚性土壤比表面面积土壤比表面面积是指单位质量土壤颗粒所有表面积的总和。是指单位质量土壤颗粒所有表面积的总和。土壤表面能土壤表面能 土壤胶体颗粒表面的分子与其内部的分子所处的条件是不相同的土壤胶体颗粒表面的分子与其内部的分子所处的条件是不相同的胶体内部的分子在各方向上都与他相同分子接触，受到的吸引力胶体内部的分

5、子在各方向上都与他相同分子接触，受到的吸引力各方向相等；而处于土壤胶体表面的分子所受到的内部相同的分子各方向相等；而处于土壤胶体表面的分子所受到的内部相同的分子的引力，与其受到介质（分散剂）分子的引力不同，的引力，与其受到介质（分散剂）分子的引力不同，从而使胶体表面分子具有一定的自由能即表面能。从而使胶体表面分子具有一定的自由能即表面能。返回返回A、电荷种类和来源、电荷种类和来源 I 永久电荷永久电荷 来源于来源于粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代。粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代。不受不受介质介质pHpH值值的影响，也不受的影响，也不受电解质浓度电解质浓度的影响的影响II 可变电荷可变电荷 在

6、介质酸碱度影响下产生的，其电荷类型和电荷数在介质酸碱度影响下产生的，其电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度，又称量均决定于介质酸碱度，又称pH依变电荷。依变电荷。腐殖质产生可变电荷腐殖质产生可变电荷 层状铝硅酸盐产生可变电荷层状铝硅酸盐产生可变电荷 氧化物带可变电荷氧化物带可变电荷 5、土壤的离子交换、土壤的离子交换（1）阳离子交换）阳离子交换 几个概念几个概念 阳离子交换作用：阳离子交换作用：土壤溶液中的阳离子与土壤土壤溶液中的阳离子与土壤胶体表面吸附的阳离子互换位置。胶体表面吸附的阳离子互换位置。交换性阳离子：交换性阳离子：被土壤胶体表面所吸附，能被被土壤胶体表面所吸附，能被土壤溶液中的阳

7、离子所交换的阳离子。土壤溶液中的阳离子所交换的阳离子。阳离子吸附：阳离子吸附：土壤溶液中的阳离子转移到土壤土壤溶液中的阳离子转移到土壤胶体表面，为土壤胶体所吸附。胶体表面，为土壤胶体所吸附。阳离子解吸：阳离子解吸：土壤胶体表面吸附的阳离子转移土壤胶体表面吸附的阳离子转移到土壤溶液中。到土壤溶液中。阳离子交换作用的主要特征阳离子交换作用的主要特征 A、可逆反应、可逆反应 阳离子交换作用是一种可逆反应。这种交换作阳离子交换作用是一种可逆反应。这种交换作 用是动态平衡，反应速度很快。用是动态平衡，反应速度很快。B、以离子价为基础的等价交换、以离子价为基础的等价交换 二个一价铵离子，交换一个二价钙离子

8、，即二个一价铵离子，交换一个二价钙离子，即36克克铵可交换铵可交换40克钙；一个一价铵离子可交换一个一价克钙；一个一价铵离子可交换一个一价钠离子，即钠离子，即18克铵可交换克铵可交换23克钠。克钠。C、受质量作用定律支配、受质量作用定律支配 溶液中某种离子浓度高时，其交换能力增大，可溶液中某种离子浓度高时，其交换能力增大，可将交换能力弱的离子交换出来，也可将交换能力强将交换能力弱的离子交换出来，也可将交换能力强的离子交换出来。的离子交换出来。土壤中常见阳离子交换能力：土壤中常见阳离子交换能力：Fe3+、Al3+H+Ca2+Mg2+K+Na+H+例外，半径小，水合度低，运动快，交换能力强。例外，

9、半径小，水合度低，运动快，交换能力强。、土壤中的阴离子交换、土壤中的阴离子交换 带正电荷的胶粒吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离带正电荷的胶粒吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子相互交换的作用。子相互交换的作用。土壤溶液土壤溶液(soil solution)是土壤水分及其是土壤水分及其所含气体、溶质的总称。分析土壤溶液组所含气体、溶质的总称。分析土壤溶液组成、特性及其中化学过程，是土壤地理学、成、特性及其中化学过程，是土壤地理学、环境科学研究的重要内容。土壤溶液的溶环境科学研究的重要内容。土壤溶液的溶质主要包括：质主要包括：无机盐类；无机盐类；简单有机物；简单有机物；溶解性气体。土壤溶液中溶质成分具有

10、溶解性气体。土壤溶液中溶质成分具有巨大的时空差异性，它与许多因素存在相巨大的时空差异性，它与许多因素存在相互作用，如图互作用，如图2所示。所示。三、土壤溶液三、土壤溶液图2 土壤溶液及其影响因素作用模式1、土壤的酸碱反应、土壤的酸碱反应 土壤酸碱反应的概念土壤酸碱反应的概念 土壤酸度类型土壤酸度类型 A、活性酸度、活性酸度 由溶液中氢离子浓度引起的由溶液中氢离子浓度引起的 B、土壤潜性酸、土壤潜性酸 潜性酸潜性酸土壤胶体吸附的土壤胶体吸附的H+、Al3+离子，在被其它阳离子，在被其它阳离子交换进入溶液后，才显示酸性。离子交换进入溶液后，才显示酸性。土壤活性酸与潜性酸处于动态平衡：土壤活性酸与潜

11、性酸处于动态平衡：潜性酸潜性酸 活性酸活性酸 解解 吸吸吸附吸附图3 土壤酸碱状况、形成及其对植物的影响示意图图4 土壤系统中氢离子收支平衡图式表表2 按按pH值划分土壤类型值划分土壤类型氧化还原过程对土壤形成发育有重要作用，土壤氧化还原过程对土壤形成发育有重要作用，土壤之中存在有多种氧化之中存在有多种氧化-还原体系，如表还原体系，如表6所示。所示。2、土壤的氧化还原作用、土壤的氧化还原作用氧化剂氧化剂m+n电子电子 还原剂还原剂m-n图图 6 土壤中主要的氧化还原体系土壤中主要的氧化还原体系（1）土壤空气中土壤空气中是主要氧化剂是主要氧化剂 在通气良好的土壤中，氧体系控制氧化还原反应，在通气

12、良好的土壤中，氧体系控制氧化还原反应，使多种物质呈氧化态，如使多种物质呈氧化态，如NO3-、Fe3+、Mn4+、SO42-等。等。（2）、土壤有机质特别是新鲜有机物是还原剂，在土）、土壤有机质特别是新鲜有机物是还原剂，在土壤缺壤缺条件下，将氧化物转化为还原态。条件下，将氧化物转化为还原态。（3）、土壤中氧化还原体系可分为无机体系和有机体）、土壤中氧化还原体系可分为无机体系和有机体系。系。无机体系的反应一般是可逆的，有机体系和微生无机体系的反应一般是可逆的，有机体系和微生物参与条件下的反应是半可逆或不可逆的。物参与条件下的反应是半可逆或不可逆的。（4）、土壤氧化还原反应不完全是纯化学反应，很大）

13、、土壤氧化还原反应不完全是纯化学反应，很大程度上有微生物参与。程度上有微生物参与。如如:NH4+NO2-NO3-分别在亚硝酸细菌和硝酸细菌作用下完成。分别在亚硝酸细菌和硝酸细菌作用下完成。（5）、土壤是不均匀的多相体系，不同土壤和同一土）、土壤是不均匀的多相体系，不同土壤和同一土层不同部位，氧化还原状况会有不同差异。层不同部位，氧化还原状况会有不同差异。（6）、土壤氧化还原状况随栽培管理措施特别是灌水）、土壤氧化还原状况随栽培管理措施特别是灌水、排水而变化。、排水而变化。（1）、土壤缓冲性概念）、土壤缓冲性概念 土壤中加入酸性或碱性物质后，土壤具有抵抗变酸和土壤中加入酸性或碱性物质后，土壤具有

14、抵抗变酸和变碱而保持变碱而保持pH稳定的能力，称土壤缓冲作用，或缓冲性稳定的能力，称土壤缓冲作用，或缓冲性能。能。（2）、土壤酸碱缓冲性）、土壤酸碱缓冲性 、土壤酸、碱缓冲原理、土壤酸、碱缓冲原理 土壤中有许多弱酸土壤中有许多弱酸碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸等，当这些弱酸与其盐类共存，就成为对酸、碱物质具有等，当这些弱酸与其盐类共存，就成为对酸、碱物质具有缓冲作用的体系。缓冲作用的体系。3、土壤的缓冲性、土壤的缓冲性如如 Hac+NaAc体系体系当加入当加入HCl：NaAc+HCl Hac+NaCl 当加入当加入NaOH:Hac+NaOH NaAc+H2O土壤胶体交换性阳离

15、子对酸碱的缓冲作用更大土壤胶体交换性阳离子对酸碱的缓冲作用更大 胶体胶体交换性交换性H+、Al3+弱酸，缓冲碱性物质弱酸，缓冲碱性物质 胶体胶体交换性盐基交换性盐基 弱酸盐，缓冲酸性物质弱酸盐，缓冲酸性物质 根据弱酸平衡原理，弱酸用碱中和形成盐，根据弱酸平衡原理，弱酸用碱中和形成盐，pH与中和程度之间的关系如下：与中和程度之间的关系如下：pHpKa+lg盐盐酸酸 pHpKa+lg盐基盐基H+、Al3+土壤土壤BS50%时，对酸碱的缓冲能力最大。时，对酸碱的缓冲能力最大。缓冲能力随弱酸及盐的总浓度或土壤缓冲能力随弱酸及盐的总浓度或土壤CEC增加而增加而增大。增大。、土壤酸碱缓冲体系、土壤酸碱缓冲

16、体系 碳酸盐体系碳酸盐体系:石灰性土壤的缓冲作用主要决定于石灰性土壤的缓冲作用主要决定于 CaCO3-H2O-CO2体系体系 pH6.03-2/3LogPco2 硅酸盐体系：对酸性物质的缓冲作用。硅酸盐体系：对酸性物质的缓冲作用。交换性阳离子体系：对酸、碱物质的缓冲作用交换性阳离子体系：对酸、碱物质的缓冲作用 铝体系：对碱性物质缓冲作用铝体系：对碱性物质缓冲作用(pH5.0)有机酸体系：有机酸及其盐对酸碱物质缓冲作用有机酸体系：有机酸及其盐对酸碱物质缓冲作用、土壤酸碱缓冲容量和滴定曲线、土壤酸碱缓冲容量和滴定曲线 缓冲容量缓冲容量(Buffering Capacity)使单位使单位(质量质量或

17、容积或容积)土壤改变土壤改变1个个pH单位所需的酸或碱量。用单位所需的酸或碱量。用酸碱滴定获得绘制滴定曲线，称缓冲曲线。酸碱滴定获得绘制滴定曲线，称缓冲曲线。施用石灰施用石灰CaO、Ca(OH)2、CaCO3 石灰需要量计算：石灰需要量计算：可用土壤交换性酸为基础进行计算可用土壤交换性酸为基础进行计算 根据酸性土的缓冲滴定曲线计算根据酸性土的缓冲滴定曲线计算 石灰物质换算系数石灰物质换算系数:Ca(OH)2/CaO=74/56=1.32 CaCO3/CaO=100/56=1.79 在施用在施用CaO或或Ca(OH)2时，不易与土壤混合均匀，使时，不易与土壤混合均匀，使局部土壤局部土壤pH上升过

18、高，影响植物生长，应乘以经验数值上升过高，影响植物生长，应乘以经验数值0.5得出实际施用量。若用得出实际施用量。若用CaCO3(石灰石粉石灰石粉)，作用缓和，作用缓和，经验数值一般为经验数值一般为1.3。2、碱性土的改良、碱性土的改良改良改良pH8.5的碱性土的碱性土 四、土壤酸碱性的调节四、土壤酸碱性的调节 1、酸性土的改良、酸性土的改良 施用石膏施用石膏(CaSO4 2H2O)、硅酸钙等。、硅酸钙等。施用硫磺粉和施用硫磺粉和FeS2粉粉(同时补铁同时补铁)施用有机肥，产生施用有机肥，产生CO2提高土壤空气提高土壤空气CO2浓度浓度五、土壤五、土壤氧化还原状况的调节氧化还原状况的调节 重点在水田土壤，核心是水、气关系。重点在水田土壤，核心是水、气关系。(1)水分过多的下湿田、深脚烂泥田，排水不畅，渗漏量过水分过多的下湿田、深脚烂泥田，排水不畅，渗漏量过小，还原性强，小，还原性强，Eh为负值，还原性物质大量积累，导致作物低为负值，还原性物质大量积累，导致作物低产。加强以排水、降低地下水为主的水浆管理，改善土壤通气产。加强以排水、降低地下水为主的水浆管理，改善土壤通气条件。条件。(2)缺水、漏水的水稻田，氧化性过强，对水稻生长不利，缺水、漏水的水稻田，氧化性过强，对水稻生长不利，应蓄水保水和增施有机肥，促进土壤适度还原。应蓄水保水和增施有机肥，促进土壤适度还原。