土壤流体与土壤化学性质.pptx

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1、第一节 土壤水分1 水的生理作用水的生理作用是有机物质的主要成分是植物生活的必须物质是植物吸收养分的介质是微生物必须的生活物质影 响 土 壤 性 质 和 肥 力调节温湿度，改善环境第1页/共168页2 土壤水分的类型及其特性2.1 土壤水分的类型固态水 气态水束缚水自由水化学束缚水物理束缚水化合水结晶水毛管水 重力水毛管上升水毛管悬着水支持重力水自由重力水吸湿水膜状水第2页/共168页2.2 土壤各类水分的特征2.2.1 固态水：存在于0 C以下，中纬度有季节固态水，高纬度地区有永冻层。固态水不能被植物利用2.2.2 气态水：存在于土壤孔隙中，是土壤空气组成之一。不能被根系直接利用，通过分子扩

2、散移动。其重要性表现为：它是干旱下唯一可以自由移动的水分，它影响土壤水分的蒸发速率，它可以生成其它形态的水。第3页/共168页束缚水：是指被土壤颗粒束缚着而不能自由移动的水分。2.2.3.1 化学束缚水：是土壤矿物化学组成的一部分，不能参与土壤中的理化作用，不能被植物利用。（1）化合水：在矿物的结晶格子中被牢固地保持着，只有在数百度高温下，矿物遭破坏时才能释放。（2）结晶水：存在矿物晶格中，但结合不太牢固，在稍低温度可以分离出来。第4页/共168页1.2.3.2 物理束缚水：被土壤颗粒表面分子引力所保持的水分。（1）吸湿水：也叫紧束缚水，因分子引力和静电引力作用，使干燥的土壤颗粒表面从空气吸附

3、的一层气态水膜。作用距离短，受到引力大(31-10000 atm)，近似固态水性质，密度大于1(平均1.5)，热容量低，无溶质溶解能力，常温下不能移动，导电性弱，冰点下降多(-78 C)，丧失热运动，故吸湿时有吸湿热释放。第5页/共168页质地越粘重，吸湿水含量高；空气湿度越大，吸湿水含量越高。当空气湿度达到或接近饱和时，土壤吸湿水达到最大量，此时的土壤含水量称为吸湿系数或最大吸湿量。把去掉吸湿水后的干土称为烘干土，一般要在105-110 C下烘6-8小时。砂土砂土壤土壤土黏土黏土腐质土腐质土0.51020505065120200不同质地土壤的吸湿系数(g/kg)第6页/共168页（2）膜状水

4、：也叫松束缚水，它是指土壤颗粒表面在吸附吸湿水后所剩余引力作用下，与液态水接触时，在吸湿水膜外吸附的一层液态水膜。膜状水所受引力比吸湿水小，在6.25-31 atm，但比地心引力大得多，故不能在重力作用下移动，只能从水膜厚的土粒向水膜薄的土粒运动。可少量溶解溶质，可部分被植物利用(植物平均水吸力约15 atm)。第7页/共168页膜状水移动缓慢(0.2-0.4 mm/h)，只有根毛与之接触的很小范围内才能被利用。膜状水尚未用完之前，植物就会因水分供应不上而发生凋萎。植物发生永久凋萎时的土壤含水量称为凋萎系数。要保持植物正常生长，土壤含水量必需大于调萎系数。膜状水达到最大时的土壤含水量称为最大分

5、子持水量。它包括了吸湿水和膜状水。第8页/共168页2.2.4 自由水：是不被土粒牢固吸附而能够自由移动的液态水。2.2.4.1 毛管水：因毛管力的作用而保持在土壤毛管孔隙中的水。能溶解溶质，可被植物利用，受毛管力作用而能长久保存在土壤中，不会因重力作用而渗漏，是土壤中最宝贵水分。毛管水的运动从毛管力小处向毛管力大处运动，故可以上下左右任何方向运功动。毛管力与张力系数和毛管半径有关(P=2T/R)。第9页/共168页（1）毛管上升水：在地下水埋藏浅的地方，地下水在土壤毛管力作用下，由地下水面沿土壤毛管孔上升而保持在土壤毛管孔隙中的水。当毛管上升水达到最大时的土壤含水量称为毛管持水量。（2）毛管

6、悬着水：由地面进入土壤，因毛管力作用而保持在土壤上部毛管孔隙中与地下水不相连通的水分。第10页/共168页在地下水埋藏深的地方，靠毛管悬着水保水供水。当毛管悬着水达到最大时的土壤含水量称为田间持水量，它是下雨或灌溉后，土壤所能保持的最大含水量。当毛管水被消耗到一定程度时，毛管水之间呈不连续状态，植物吸水就会感到困难，此时的土壤含水量称为毛管联系断裂含水量。第11页/共168页2.2.4.2 重力水：指受重力作用向下移动，能够从土壤中排除的水。（1）自由重力水：在重力作用下能一直进入地下水而不在土壤中存留的水。（2）支持重力水：重力水在下移过程中遇到不透水层而被阻止在不透水层之上的重力水。下移重

7、力水充足时，支持重力水可以形成临时地下水层，称为上层地下水。第12页/共168页当土壤所有孔隙都充满水时，土壤达到了它所能容纳的最大水量，此时的土壤含水量称为饱和含水量或全蓄水量。重力水可以被植物利用，但重力水很快就会被排走，没有利用的机会，而且还会淋失土壤养分，而支持重力水又会妨碍土壤通气，因此重力水不是供给植物的理想水分，是旱地土壤多余的水分，对水田来说是有效水。第13页/共168页烘干土吸湿系数吸湿水最大分子持水量膜 状 水毛管联系断裂含水量田间持水量毛管持水量饱和含水量毛管悬着水毛管上升水重力水水分常数水分形态有效性无 效 水难 效 水 速 效 水 多 余水 有 效 水调萎系数土壤水分

8、常数、形态与有效性关系第14页/共168页3 土壤水分含量的表示方法3.1 重量含水量即质量含水量，单位重量或质量的土壤中水分的重量或质量，用m表示，单位为g/kg(过去用百分数表示即水分的重量或质量占土壤重量或质量的百分数，也称含水率，用w%表示)。计算含水量时一定要用烘干土为基数！第15页/共168页3.2 容积含水量是指单位容积的土壤中，水分容积所占的分数或百分数。v表示，无量纲。它表明土壤中水分占据孔隙的程度，从而可以推算土壤的三相比。第16页/共168页3.3 水层厚度是指一定厚度的土层内有多少mm厚的水层，用水mm表示。如某土壤耕层深20 cm，测得含水量为150 g/kg，土壤容

9、重为1.2 g/cm3，求其水层厚度是多少?水mm200(150/10)36 mm第17页/共168页3.4 水体积指一定厚度的每亩土壤中所含有水的体积，用水方/亩或m3/亩表示。3.5 相对含水量：是指土壤实际含水量或绝对含水量占标准含水量的百分数。一般用田间持水量或者饱和含水量作为标准含水量。第18页/共168页4 土壤水分的能量状态前面介绍的水分形态，是按照土壤受力的类型来划分的。实际上，无论哪种形态水分，各种力都在起作用，只是作用强弱不同而已，它们之间无法截然分开，因此这种划分在理论上尚有缺陷。应用水分在土壤中存在时本身的能量变化来研究水分的保持、运动以及大气、植物和土壤水分的关系问题

10、就是土壤水分研究的能量观点。第19页/共168页运用能量观点可以解决形态观点所遇到的问题（1）土壤水分同时受各种力作用，用受力类型划分水分形态理论根据不足。（2）各类水不一定按力大小依次出现。（3）植物吸水由植物与土壤的水势来决定，不能完全用形态和数量来衡量。（4）水分循环中，土壤、植物、大气相互交换取决于水的能量关系，只有用能量变化才能将土壤-植物-大气之间水分循环视为统一的物理过程，称为土壤-植物-大气连续体，简称SPAC。Soil plant air continuum第20页/共168页4.1 土壤水势土壤水的运动缓慢，故动能可以忽略，因此土壤水分的能量主要是指势能。大量连续存在的水体

11、称为自由水或饱和水，它只受重力、气压和静水压作用。土壤水不是自由水，总是受到各种力的作用，因此其自由能与自由水不同。第21页/共168页土壤水经常处于非饱和状态，孔隙并未完全充满水，存在有空气，土壤水与纯自由水相比，除受重力、气压、静水压作用外，还受土粒表面对它的分子引力、静电引力、表面张力、毛管力等的作用。土壤水分因受各种的力约束，与纯自由水比较，其自由能(主要是势能)要降低。第22页/共168页把土壤水的势能与相同状态下纯自由水的势能之差叫做土壤水势，即土壤水势是指土壤水在各种力的作用下所引起的势能的降低值，简称土水势。规定标准状态下纯自由水的水势为0，故土水势一般为负值。物体总是由自由能

12、高处向低处运动，所以土壤水总是由水势高处向水势地处运动。第23页/共168页4.1.1 基质势m(基模势)因土粒的吸附力、毛管力等所引起的土壤水自由能的降低值。随含水量增加而增加，水分饱和时，基质势为0。4.1.2 溶质势s(渗透势)因水中的溶质离子吸水，使土壤水失去部分自由活动能力而导致的土壤水自由能降低值。随浓度增加而减小，与渗透压数值相等符号相反。第24页/共168页4.1.3 压力势p因土壤水在饱和状态下受到压力作用引起的自由能变化。包括气压势、静水压势和荷载势。气压势是指空气被封闭在土体内产生的势值，可忽略。静水压势是指连续的水层而产生的静压力所引起的水势，是压力势的主要部分。荷载势

13、是指土壤水中所含的悬浮物所产生的水势，可忽略。第25页/共168页4.1.4 重力势g指土壤水所处的位置不同，受重力作用而产生的水势。重力势在任何情况下都存在，重力势的正负由标准参照面确定，在参照面以下为负值，以上为正值。重力势与土壤性质无关，只取决于研究点与参比点的位置。第26页/共168页第27页/共168页土壤水势的单位：土壤水势的单位：常用土壤水势的单位大气压、常用土壤水势的单位大气压、巴、帕、厘米水柱、毫米汞巴、帕、厘米水柱、毫米汞柱等，其关系如下：柱等，其关系如下：1 atm=1033 cm H2O=1.0133 bar=760 mm Hg2O1bar=105Pa=0.9896at

14、m=1020 cmH2第28页/共168页4.2 土壤水吸力土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态。与水势区别在于：（1）土壤水吸力只包括基质吸力和渗透(溶质)吸力，相当于基质势和溶质势，而不包括其他分势，一般只用于非饱和状态，溶质势为零，故通常是指基质势。第29页/共168页（2）概念上虽然不是指土壤对水的吸力，但可以用土壤对水的吸力表示。土壤水吸力为1巴，意思是如果对土壤施加大于1巴的压力，水就从土壤流出来，若小于1巴，土壤就会再吸水。（3）土壤水吸力为正值，可以避免使用土水势负值的麻烦和增减问题上易于弄错的弊病。第30页/共168页（4）对于非饱和土壤来说，土水势与土壤水吸

15、力数值相等，符号相反。（5）土水势低，则吸力高，故土壤水由吸力低处向吸力高处运动。（6）当用cm H2O表示土壤水吸力时，数值大，往往取其常用对数值，称为pF，是指与一定土壤水吸力相当的厘米水柱的常用对数值，pF=lgcmH2O。第31页/共168页4.3 土壤水分特征曲线4.3.1 概念将土壤水的能量指标(土壤水吸力)与数量指标(土壤含水量)做成的相关曲线称为土壤水分特征曲线。用原状土壤测定其在不同土壤基质吸力下的相应含水量即可绘制出水分特征曲线。第32页/共168页土壤容积含水量%2040600基质吸力/cm11060300103104.2105107cmH2O砂土粘土壤土11.82.54

16、.257pF3土壤水分特征曲线第33页/共168页土壤容积含水量%2040600砂土粘土壤土基质吸力/cm11060300103104.2105107cmH2O11.82.54.257pF30土壤水吸力与含水量呈负相关4.3.2 土壤水分特征曲线的意义第34页/共168页土壤容积含水量%2040600砂土粘土壤土基质吸力/cm11060300103104.2105107cmH2O11.82.54.257pF30同一土壤水吸力下，含水量呈粘土壤土砂土第35页/共168页土壤容积含水量%2040600砂土粘土壤土基质吸力/cm11060300103104.2105107cmH2O11.82.54.

17、257pF30同一土壤含水量下，水吸力呈粘土壤土砂土，水分有效性粘土壤土粘土砂土第37页/共168页4.3.3 滞后现象同一土壤由干到湿做成的水分特征曲线与由湿到干作做成水分特征曲线不重合的现象称为滞后现象。从饱和点开始逐渐增加土壤水吸力，减少含水量所得的水分特征曲线称为脱水线。把从干燥点开始不断增加土壤含水量，减小土壤水吸力所得的水分特征曲线称为吸水线。第38页/共168页土壤水吸力土壤含水率脱水线吸水线吸水线与脱水线形成的闭合曲线就是滞后圈第39页/共168页3-2 土壤空气2.1 土壤空气的组成特点2.1.1 土壤空气中CO2高于大气土壤空气中含量为0.15-0.65%，高者可达2。（1

18、）有机质分解产生CO2（2）植物根系和微生物呼吸释放CO2（3）碳酸盐遇酸分解产生CO2第40页/共168页2.1.2 土壤空气O2含量低于大气大气含O2为20.96%，土壤空气为18-20.03%。（1）微生物活动消耗O2（2）根系呼吸消耗O2（3）物质氧化消耗O2（4）种子发芽消耗O22.1.3 土壤空气中水汽含量高于大气 土壤含水量超过吸湿系数，土壤中空气湿度接近饱和，大气只有再下雨时才是饱和的。第41页/共168页土壤空气中含有还原性气体如H2S、CH4、H2、N2O等2.1.5 土壤空气随时间和空间变化大，大气组成相对稳定。随土层加深O2减少，CO2增加。CO2和O2在土壤中互为消长

19、，两者之和维持在19-22。CO2呈冬季春秋夏季，淹水土壤空气急剧下降。土壤CO2有日变化规律。第42页/共168页玉米喇叭期土壤CO2排放的日变化图第43页/共168页2.2 土壤通气性2.2.1 土壤通气性机制（1）水体带入土壤：降雨或者灌溉时，溶解于水中的气体带入土壤。该方式交换量很少。（2）整体交换：因外界因素变化而使土壤空气全部或部分排除土体，大气整体进入土壤的过程称为整体交换。如降雨或灌溉时土壤空气被排除，水分入渗后，空气进入土壤。第44页/共168页（3）气体扩散气体分子由高浓度处向低浓度处运动的现象称为气体扩散。大气O2高CO2低土壤低高把土壤这种像人和动物的呼吸作用一样，不断

20、从大气中吸入O2，而向大气排出CO2的过程称为土壤呼吸。第45页/共168页土壤呼吸是土壤通气的主要机制，是土壤具有生命力和肥力的表现。土壤呼吸也是陆地生态系统碳循环的关键环节，是植物光合作用固定的大气CO2返回大气的主要途径。可以将土壤呼吸分为根系呼吸、微生物对植物来源物质的呼吸、微生物对土壤有机质的呼吸。第46页/共168页第47页/共168页不同植物生长下的土壤呼吸第48页/共168页2.2.2 土壤通气性的意义土壤通气性是土壤空气与大气进行交换以及土体内部允许气体扩散和流通的能力。（1）更新土壤空气（2）排除有毒气体，改善根系和微生物生活条件（3）促进碳素循环土壤排放的CO2可参与光合

21、作用，可以占光合产物的10-90%。第49页/共168页2.2.3 土壤通气性指标（1）土壤呼吸强度：单位时间内单位面积的土壤上扩散出来的CO2数量，单位为mg C m-2h-1。（2）呼吸商(RQ)：也叫呼吸系数，指在一定时间内，一定面积土壤上CO2产生的容积与O2消耗的容积之比。正常值接近1（3）土壤氧扩散率(ODR)：指单位时间内通过单位面积土壤的O2的数量。第50页/共168页用氧扩散仪测定氧扩散率，将铂电极和甘汞电极插入土壤中，在两极加电压，扩散氧在铂电极表面还原的同时产生与氧分压呈正比的电流，通过电流值计算出氧扩散率。ODR小于2010-8 g min-1cm-2时，多数植株停止生

22、长。第51页/共168页（4）土壤通气量：指在单位时间内、单位压力下，进入单位体积的土壤中的气体总量。（5）通气孔度：也叫土壤容气量，指土壤空气的容积占土壤容积的百分数，等于孔隙度减去容积含水量。一般以10为临界值。（6）Eh值：指土壤氧化还原电位，旱地一般要求土壤Eh值在200-700 mv范围内为适度。第52页/共168页2.2.4 土壤通气性与植物生长土壤空气对植物生长的影响表现在：（1）影响根系发育：土壤空气中O2低于9-10时根系发育受阻。（2）影响种子萌发：如土壤空气O2百分数为、时，小麦发芽率分别为100、87、50、。（3）影响作物抗病性：通气不良造成还原物质毒害，抗病性降低。

23、（4）影响土壤微生物活动和养分状况第53页/共168页2.3 土壤温室气体概念把大气层能吸收部分地球表面红外辐射能量从而阻挡热量向宇宙扩散的现象称作温室效应。想象一辆在阳光下关着窗户的汽车，玻璃窗能通过太阳能，却阻挡座位和表盘反射的辐射能，从而汽车内变得非常闷热，大气层的作用与此相似。具有温室效应的气体称为温室气体。第54页/共168页土壤温室气体主要有CO2、N2O、CH4气气体体丰度丰度年增加年增加速率速率*年排放年排放量量*增温贡增温贡献献%1998199817501750COCO2 23653652802801.5ppm1.5ppm6.3Pg6.3Pg60.160.1CHCH4 41.

24、7451.7450.7000.7007.0ppb7.0ppb600Tg600Tg19.819.8N N2 2O O0.3140.3140.2700.2700.8ppb0.8ppb16.4Tg16.4Tg6.26.2大气温室气体现状第55页/共168页第56页/共168页收获地上部分对大豆土壤排放N2O的影响06001200180024000102030405060708090100110120出苗天数(d)通量(ug N m-2h-1)CKPFPPPG第57页/共168页2-3 土壤热量状况1 土壤热量来源太阳辐射太阳辐射是地球热量的主要来源。太阳表面6000，中心达2107。能到达地球表面辐

25、射占20亿分之一。太阳直射地面时的强度称为太阳常数，为卡cm-2 min-1。由于大气吸收与散射、云、地面反射等，实际辐射为卡cm-2 min-1。第58页/共168页1.2 生物热微生物分解有机质释放的热量大部分用于提高土温。1.3 地球内热地球内部温度约为3000-4000。地壳导热能力弱，地表获得的内热约为54kal cm-2a-1。在地热异常区如温泉、火山周围，地球内热不可忽视。在地表15-20m以下，地球内热才超过太阳辐射，从20m开始，每深入33m，温度增加1。第59页/共168页2 土壤热量性质2.1 土壤吸热性用反射率表示反射率是指土壤表面反射的辐射能量与照射于土壤表面的辐射能

26、量的比值。反射率大，吸热性弱。干黑土干黑土湿润黑土湿润黑土 干灰砂土干灰砂土 湿灰砂土湿灰砂土0.140.080.180.09绿草地面绿草地面 干草地面干草地面 新雪新雪陈雪陈雪0.260.31-0.330.810.695第60页/共168页2.2 土壤热容量单位数量的土壤每升高或下降1时所吸收或释放的热量。C(重量)=Cv(容积)(容重)。物质物质石英砂石英砂石灰石灰粘粒粘粒泥炭泥炭C0.1960.2140.2330.477Cv0.5170.5820.5760.601物质物质水分水分空气空气有机质有机质 矿物质矿物质C10.240.460.174Cv10.0003 0.600.460第61页

27、/共168页土壤土壤含水量占全蓄水量的百分数含水量占全蓄水量的百分数0205080100砂土砂土0.350.400.480.580.63粘土粘土0.260.300.530.720.90泥炭泥炭0.200.320.560.790.94水分对土壤热容量的影响 土壤质地、有机质含量、和水分影响土壤热容量。水分是土壤中最容易变化的因素，土壤热容量随水分增加而增加。热容量大，土壤吸热散热慢，土温变化小。第62页/共168页土壤导热性是指把土壤吸收热量后，能将一部分热量传向邻近土层的性质。导热率()衡量导热性，是指在单位厚度的土层内有单位温差时，单位时间内经过单位面积的热量。物质物质石英石英石灰石石灰石泥

28、炭泥炭(10-3）5.84.02.0水水空气空气矿质土粒矿质土粒有机质有机质1.20.054-52-3不同物质的导热率(cal cm-1 s-1-1)第63页/共168页导热率受含水量和松紧度影响，随含水量和土壤容重而增加，随空气含量增加而减小。因此有：湿土导热性比干土强、孔隙度小的土壤比孔隙度大导热性强、粘土比砂土强。导热性强，就可以将热量传走，所以温度就不容易变化，相当于保温性强。第64页/共168页2.4 土壤导温性把土壤吸收热量后能够将温度变化传向邻近土层的性能称为土壤导温性。用导温率(K)表示土壤导温性的强弱。导温率与导热率成正比，与热容量成反比。导温率越大，导温性性越强，土壤温度越

29、容易变化，也相当于土壤保温性越差。第65页/共168页物质物质水分水分空气空气土粒土粒K(cm2s-2)0.00130.16-0.2 0.005-0.1干土K大，土温变化快；通气孔度大的土壤K大，土温变化快，故砂土昼夜温差大。水分增加，增加，K增加，而Cv的增加会却使K减小，故湿度大的土壤K小，温度变化慢。第66页/共168页3 影响土壤温度的因素影响土壤温度的因素地理因素土壤因素地面因素位置海拔坡向颜色、质地、有机质、水分、松紧度覆盖起伏随维度增加降低随海拔增加降低南坡多高于北坡覆盖有利保温凹凸有利增温第67页/共168页第68页/共168页3-4 土壤溶液1土壤溶液的组成土壤溶液概念土壤溶

30、液是指土壤水分及其所含溶质、悬浮物与可溶性气体的总称。土壤溶液是一个极为复杂的体系，既有分子，又有离子与胶体；既有无机物，又有有机物。土壤的很多性质都是通过土壤溶液表现出来的。第69页/共168页土壤溶液的组成（1）无机胶体：铁铝氧化物、氢氧化物等可形成无机胶体（2）无机盐类：是溶质的主要来源。（3）有机化合物：腐殖质、有机酸、碳水化合物、蛋白质等（4）络合物：无机离子与有机物形成络合物。（5）溶解性气体：O2、CO2、N2、NH3。第70页/共168页2土壤溶液的浓度2.1 土壤溶液浓度的特点土壤溶液浓度的特点是不均一性。（1）土壤胶体的离子代换土壤胶体表面不断进行着离子的吸附与释放，使土壤

31、溶液浓度处于变化之中。（2）土壤中根系与微生物分布不均根系和微生物吸收矿物养分，增加了浓度的不均一性。第71页/共168页（3）温度的变化温度变化引起物质溶解度的变化。温度温度010502850KNO3138209855Ca(H2PO4)2154170.5温度温度02030020CaCl25957451020Ca(HCO3)2161166（4）湿度的变化：硝酸盐、氯化物等随水分增加，浓度降低。磷酸盐变化不明显，一价阳离子降低比钙离子明显。不同温度(OC)下的溶解度(g/100g)第72页/共168页（5）溶液中各成分之间的相互作用碱土金属与CO32-、SO42-、PO4-发生沉淀，硫酸钠可以降

32、低磷酸钙的溶解度。（6）生物活动对养分吸收的不平衡生物选择性吸收矿质养，生长阶段不同，植物对养分吸收也不同。（7）外界环境因素的影响降雨、灌溉、干旱、施肥、耕作等土壤溶液浓度的不均一，才导致了养分的迁移运动，有利于吸收。第73页/共168页土壤溶液浓度范围土壤溶液浓度一般在0.5-1.0 g/kg，但是不同气候条件下不同，干旱地区可在1.0-3.0 g/kg，盐土有时可达6.0 g/kg。大于2.0 g/kg时植物吸收水分受到影响。由于土壤溶液浓度过高，使植物不能吸收水分而导致的植物萎蔫或枯死的现象称之为烧苗。第74页/共168页3土壤溶液中离子存在形态离子存在形态（1）自由离子：以单个离子存

33、在。（2）水 合 离 子：离 子 与 不 同 数 目 的 水 分 子 结 合 成 水 合 物。如H3O+（3）离子对：带相反电荷的离子由于库仑力的作用而松弛地结合在一起。（4）络离子：有有机络离子和无机络离子，络离子是配位键结合。第75页/共168页养分离子的有效性（1）离子活度：溶液中有效离子数并不等于浓度，主要是离子间的相互作用引起的。把实际有效离子的浓度称为活度(a)，活度与浓度的比值称为活度系数(f=a/c)。f总是5时就发生这种解离而带负电，一个高岭石有数千个OH基，这是1:1型粘土矿物带电的主要原因。第87页/共168页（2）含水铁铝氧化物的解离如三水铝石pH0为，土壤时解离出OH

34、-而带正电，时解离出H+而带负电。pHpH0：Al2O33H2O2Al(OH)2O-+2H+第88页/共168页（3）腐殖质分子上某些基团的解离在高pH下，腐殖质的羧基、酚基解离出H+而带负电，低pH下，氨基吸附H+带正电。（4）含水氧化硅的解离SiO2H2O(H2SiO3)的 pH0为2，pH越高，带负电越多。第89页/共168页3.2.3 胶体表面从介质吸附离子如高岭石在局部强酸性下吸附H+带正电，腐殖质分子上的氨基可以吸附H+带正电。氧化物在低于等电点时，也会吸附H+带正电。断键：粘土矿物破碎时，其边面因断键而产生部分电荷。第90页/共168页3-6 土壤吸收性能1概述概念土壤吸收性能是

35、指土壤能吸收和保留土壤溶液中的分子和离子、悬液中的悬浮颗粒、气体以及微生物的能力。土壤吸收性能决定土壤保肥能力的大小和供肥程度的难易，土壤吸收性能也称为土壤吸收保肥性能。第91页/共168页1.2 土壤吸收性能的作用（1）决定土壤的保肥供肥能力：施入到土壤中肥料，靠土壤吸收能力才能比较长久地保留在土壤中，并可以随时释放供植物利用。（2）影响土壤酸碱性、缓冲性等化学性质（3）土壤结构性、物理机械性、水热状况等都直接或间接与土壤吸收性能有关。（4）是土壤净化环境的主要途径。第92页/共168页土壤吸收性能的类型土壤吸收性能的类型机械吸收性能物理吸收性能化学吸收性能物理化学吸收性能生物吸收性能第93

36、页/共168页是指土壤对外来物质的机械阻留作用。土壤机械吸收能力主要决定于土壤孔隙状况，孔隙过粗，阻留物质少，过细则下渗困难，产生地面径流和冲刷土壤。质地、结构和松紧度影响机械吸收性。第94页/共168页是指土壤对分子态物质的保存能力。土壤细粒具有巨大的表面能，吸附一些分子态物质在其表面而不起任何化学反应，也叫分子吸附作用。按照表面自由能减小，分散体系才能达到稳定的规律，土壤也是在可能的范围内，力求能达到表面自由能最小程度。第95页/共168页是指易溶性盐在土壤中转变为难溶性盐而沉淀保存在土壤中的过程。该吸收作用是以纯化学作用为基础，虽可避免了淋失，但也使养分失去了对植物的有效性。如可溶性磷酸

37、盐与铁、铝、钙离子反应生成难溶性磷酸铁、铝、钙。在嫌气条件下，硫化氢与亚铁生成硫化亚铁沉淀可以防止硫化氢毒害，这是益处。第96页/共168页是指土壤对可溶性物质中的离子态养分的保存能力。土壤胶体带有电荷，能吸附溶液中带相反电荷的离子，被吸附的离子又可与土壤溶液中的同号离子交换而达成动态平衡。这种作用是以物理吸附为基础，而又呈现出与化学反应相似的特性，故称为物理化学吸附或者离子交换作用，是土壤最重要的吸收性能。第97页/共168页是指植物和微生物对土壤养分进行选择性吸收，并以有机质的形式在土壤中积累的过程。生物吸收性的特点有：具有选择性、富积深层养分、固定空气中的养分、进行物质循环。其它吸收性都

38、不能吸收硝酸盐，只有生物吸收性才能吸收硝酸盐，这种作用对于提高土壤肥力具有重要意义。第98页/共168页2 土壤阳离子交换作用概念土壤胶体上扩散层中的阳离子与土壤溶液中的阳离子相互交换的现象称为土壤阳离子交换作用。土壤胶体上能够被交换下来的阳离子称为交换性阳离子。+4 NH4+土壤胶体K+H+Na+K+土壤胶体NH4+NH4+NH4+NH4+2K+Na+H+第99页/共168页土壤阳离子交换作用的特征（1）土壤阳离子交换作用一般迅速进行，是可逆反应（2）是土壤胶体与溶液之间的同号离子的等当量或等价交换（3）受质量作用定律支配：在一定条件下，化学反应的速度与反应物浓度的乘积成正比。（4）没有选择

39、性（5）速度受交换点的位置和温度影响第100页/共168页2.3 影响阳离子交换能力的因素影响阳离子交换能力的因素电荷数量离子半径离子浓度即离子价数，价数高，电荷多，交换能力强。F3+Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+。离子半径越大，水化半径越小，交换能力越强，半径小的交换能力弱。离子浓度越高，离子数越多，电荷密度就大，交换能力就越强。第101页/共168页土壤阳离子交换量概念在一定的pH下，单位质量的土壤所能保持的交换性阳离子总量称为阳离子交换量(cation exchange capacity)，用CEC表示，单位为cmol(+)kg-1。CEC2010-2080%的土壤就看作

40、盐基饱和土壤。BSP是改良土壤的重要依据，若CEC大，而BSP小，说明土壤保存养分潜力大，但速效养分少，酸性较强，需要改良酸性。我国由南向北，BSP增加；pH增加，BSP增加；气候、母质、耕作施肥也影响BSP。第110页/共168页3 土壤阴离子吸附土壤胶体一般带负电，但在特殊情况下可带正电，因此会存在阴离子吸附。带负电的胶体有时也可吸附阴离子。3.1 土壤吸附阴离子的原因（1）pH低于两性胶体的等电点时，胶体带正电，可以吸附阴离子胶体胶体蒙脱石蒙脱石高岭石高岭石赤铁矿赤铁矿三水铝石三水铝石针铁矿针铁矿 等电点等电点C2O4-H2PO4-SiO32-HCO3-H2BO3-AC-SO42-Cl-

41、NO3-第113页/共168页3.3 阴离子吸附的类型非专性吸附带正电的胶体因静电引力的作用吸附阴离子于扩散层中作为平衡离子的现象。铁、铝氧化物及其水合物的等电点较高，酸性土壤中，pH低于等电点而带正电。高岭石在局部强酸性下也会产生正电荷。腐殖质局部位置可质子化产生正电。第114页/共168页（1）非专性吸附的阴离子与胶体间结合力弱，可被其它阴离子交换，其特征与阳离子交换作用相同。（2）进行非专性吸附的阴离子主要是NO3-和Cl-，其次是SO42-，吸附结果使胶体电性中和，抵消表面正电荷，并不产生或增加胶体表面负电荷。（3）胶体类型、pH值、阴离子浓度是影响非专性吸附的主要因素。pH越低，非专

42、性吸附越强，阴离子浓度越高，吸附量增加。第115页/共168页3.3.2 阴离子的专性吸附把阴离子进入胶体双电层内层，置换与金属离子配位的配位基，并与金属离子以化学键相结合的现象称为阴离子的专性吸附，也叫配为体交换。（1）土壤中产生专性吸附的胶体主要是氧化铁、铝的水合物。如针铁矿、三水铝石、水铝英石、无定形的水合氧化铁、铝。第116页/共168页（2）被交换的配位基主要是羟基(-OH)和水基(-OH2)。（3）阴离子进入双电内层，以化学键牢固结合，不能被非专性吸附的阴离子交换，可被其它专性吸附的阴离子交换，其交换反应不完全可逆。（4）专性吸附的胶体表面不一定带正电，电中性、甚至带负电的胶体也能

43、发生。第117页/共168页（5）专性吸附的结果往往是增加胶体表面负电荷，并产生电性中和与水。（6）发生专性吸附的阴离子主要有F-和含氧酸阴离子，如H2PO42-、H2SiO42-、钼酸根HMoO4-。第118页/共168页专性吸附与非专性吸附的区别特点特点非专性吸附非专性吸附专性吸附专性吸附表面电荷表面电荷+、0、-阴离子的作用阴离子的作用反离子反离子配位离子、定位离子配位离子、定位离子吸附机理吸附机理静电吸附静电吸附配位体交换配位体交换结合力结合力静电引力，弱静电引力，弱化学键，强化学键，强体系体系pHZPCZPC发生位置发生位置扩散层扩散层双电内层双电内层对表面影响对表面影响无无正电减少

44、，负电增加正电减少，负电增加第119页/共168页3-7 土壤酸碱性1土壤酸性1.1 土壤酸性的形成1.1.1 H+的作用：当溶液或体系的氢离子浓度大于氢氧根离子浓度时，体系就表现出酸性。第120页/共168页1.1.2 铝离子的作用表面H+超过一定限度胶体结构破坏八面体解体活性Al3+被胶体吸附交换性Al3+水解聚合H+新制备氢质粘土交换性Al3+占交换酸比例(%)放置0.5 h52-58放置6 h72-98第121页/共168页1.2 土壤酸度的类型土壤酸度类型活性酸潜性酸水解酸交换酸土壤溶液中的H+直接表现出的酸度，用pH表示吸附在土壤胶体上的交换性致酸离子，只有被交换到溶液中后才会表现

45、出酸性，这种酸称为潜性酸用过量中性盐溶液（1M KCl）浸提土壤所测得的酸度用弱酸强碱盐溶液做浸提剂与土壤作用后所测得的酸度第122页/共168页几种土壤的交换酸与水解量(c mol(H+)kg-1）土壤土壤地方地方交换酸交换酸水解酸水解酸黄壤黄壤广西广西3.626.81黄壤黄壤四川四川2.062.94黄棕壤黄棕壤安徽安徽0.201.97黄棕壤黄棕壤湖北湖北0.010.44红壤红壤广西广西1.489.14第123页/共168页1.3 土壤酸度的强度指标土壤pH值：表示与土壤固相处于平衡时的溶液中的H+活度的负对数值。酸性土有 和pHKCl两种表示方法，一般 pHKCl。我国土壤水溶液pH在4-

46、9范围内。pH8.5级别级别 强酸性强酸性 酸性酸性中性中性碱性碱性强碱性强碱性中国土壤pH的分级第124页/共168页2 土壤碱性2.1 土壤碱性的产生当土壤中的OH-H+时，体系就呈碱性反应。土壤碱性反应和碱性土壤的形成是自然成土条件和土壤内在因素综合作用的结果。形成碱性反应的主要机理是土壤碱性物质的水解反应。第125页/共168页2.1.1 碳酸钙的水解CaCO3+H2OCa2+HCO3-+OH-CaCO3与土壤空气中的CO2、土壤水处于同一平衡体系，而HCO3-与CO2有关系：CO2+H2O HCO3-+H+。因此石灰性土壤的pH受CO2分压控制，两者之间关系为：pH=6.03-(2/

47、3)lgpCO2。第126页/共168页土壤空气中二氧化碳含量比大气高，大气二氧化碳浓度大约为0.03%。土壤中CO2含量大于0.03%，但也不会超过10，故富含CaCO3、MgCO3的石灰性土壤pH不会超过，碱性不会太强。但也不会低于。第127页/共168页2.1.2 碳酸钠的水解Na2CO3+H2O NaOH+H2CO3，产生的NaOH是强碱，碳酸是弱酸，可使土壤呈强碱性。碳酸钠还可以使土壤发生盐渍化。2.1.3 交换性钠的水解：交换性钠水解呈碱强性，是碱化土的重要特征。碱化土形成的条件：(1)有足够数量的Na+与土壤胶体表面的Ca2、Mg2+交换，(2)土壤胶体上交换性钠解吸并产生苏打盐

48、类。第128页/共168页土壤碱性的指标（1）pH值（2）总 碱 度：指 土 壤 溶 液 中 碳 酸 根、重 碳 酸 根 的 总 量。总 碱 度=CO32-+HCO3-，单位：cmol/L。（3）碱化度(ESP，就是钠离子的饱和度)：我国规定ESP30%，表土含盐量0.5%，为碱土；ESP在15-20%为强碱化土壤；10-15%为中度碱化土壤；5-10%为轻度碱化土壤，5为非碱化土。第129页/共168页3 影响土壤酸碱性的因素3.1 气候因素：湿润地区淋溶强，土壤向酸性发展，故我国土壤呈南酸北碱的规律。3.2 盐基饱和度(PBS)：一定范围内pH随PBS增加而升高。PBS(%)3030-60

49、60-8080-100pH5.05.0-5.55.5-6.06.0-7.0第130页/共168页3.3 土壤空气中CO2分压在 石 灰 性 及 Ca2+占 优 势 的 土 壤 中，CO2增 加，pH降 低。土 壤 CO2在0.03-10%，土壤pH在。CO2含量含量(容积容积%)CaCO3溶解度溶解度(g/L)pH0.000.013110.230.030.06238.480.300.1387.811.000.2117.4710.000.4696.80第131页/共168页3.4 土壤水分水分影响离子在固液相之间的分配、盐类的溶解、胶体上离子的解吸，从而影响pH。随水分增加酸性土pH升高，碱性土

50、pH降低。3.5 土壤氧化还原状况：一般土壤氧化还原地位降低，导致土壤pH升高。3.6 植物生长：植物通过对离子选择性吸收和分泌有机物质影响土壤pH。第132页/共168页人为因素施肥、灌溉、种植等都会影响土壤pH，过酸过碱的土壤还可以人为改良。CK无肥无肥无植物无植物土体土体根际根际NH4+NO3-NH4+NO3-5.24.985.434.716.606.35.907.005.607.056.76.647.016.257.19硫酸铵和硝酸钙对大豆根际及土体pH的影响第133页/共168页4土壤酸碱性的改良4.1 土壤酸性的改良土壤酸性的改良4.1.1 石石灰灰的的施施用用：主主要要是是中中和