土壤的组成及基本性质.ppt

主讲人：张彬,第四章 土壤的组成与基本性质,第一节 土壤的组成,1.固体物质土粒 土壤矿物质：占重量95%以上，体积38%； 土壤有机质：重量的5%以下，体积12%。 2.液体：溶盐类和简单有机物的水溶液 3.气体：土壤孔隙中的各种气体。,1.继承了岩石和母质的特点： O, Si, Al, Fe 含量在80%以上 2.包含了生物活动的产物，反映地区水热条件所带来的物质迁移、 转化和富集特点 Si（非金属元素）在土壤中相对富集； Al，Fe，Ca，Mg，K，Na（金属元素）倾向淋失； C，N在土壤中含量较岩石高20，10倍。,一、土壤的三相组成,二、土壤的化学组成,三、土壤的矿物组成,在风化过程中没有改变化学组成而遗留在土壤中的一类矿物。,1.原生矿物(primary mineral),石英 (quartz),正长石（orthoclase）,斜长石（plagioclase）,云母（mica）,辉石（pyroxene）,闪石（amphibole）,橄榄石（olivine）,4,硅酸盐粘土（一层硅氧四面体和一层铝氧八面体）,Silicon tetrahedron,Aluminium octahedron,2.次生矿物(secondary mineral) 原生矿物在风化和成土作用下，新形成的矿物.,三、土壤的矿物组成,1) 层状硅酸盐黏粒矿物基本结构,硅氧四面体,铝氧八面体,1）层状硅酸盐黏粒矿物单位晶层结构, 1:1型单位晶层: 由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层，晶层间通过氢键连接。1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面，一个是由具有六角形空穴的氧离子层面，一个是由氢氧构成的层面。,三、土壤的矿物组成,硅氧四面体图示,铝氧八面体图示, 2:1型单位晶层 由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。晶层间通过静电力和范德华力结合。 2:1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。,1）层状硅酸盐黏粒矿物单位晶层结构,三、土壤的矿物组成, 2:1:1型单位晶层 2:1:1型单位晶层是在2:1型单位晶层的基础上多了1个八面体水镁片或水铝片，这样2:1:1型单位晶层就有两个硅片、1个铝片和1个镁片（或铝片）构成。,1）层状硅酸盐黏粒矿物单位晶层结构,三、土壤的矿物组成,指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。,1）层状硅酸盐黏粒矿物同晶置换,三、土壤的矿物组成,The structure of kaolinite（高岭土的结构）,1）层状硅酸盐粘土矿物种类和性质,三、土壤的矿物组成,高岭组矿物（1:1型矿物）包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等,（1）1:1型的晶层结构 单位晶胞的分子式可表示为Ai4Si4O10(OH)8。 （2）无膨胀性 两个晶层的层面间产生了键能较强的氢 键，膨胀系数一般小于5，高岭石层间距约为0.72nm。 （3）电荷数量少，阳离子交换量只有3-15Cmoles(+)Kg-1。 （4）胶体特性较弱 ，较粗（有效直径0.2-2m），颗粒的总表面积相对较小，为10-20103m2kg-1,南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。,高岭类矿物（1:1型矿物）的特点：,1）层状硅酸盐粘土矿物种类和性质,三、土壤的矿物组成,蒙蛭组矿物（2:1型膨胀性矿物）,包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。,vermiculite（蛭石）,Montmorillonite（蒙脱石）,1.4 nm,Si layer,Si layer,Al layer,Si layer,Smectite(蒙皂石),1）层状硅酸盐粘土矿物种类和性质,三、土壤的矿物组成,12,特征： （1）2:1型的晶层结构蒙脱石是其典型代表。单位晶胞的分子式可表示Al4Si8O20(OH)4nH2O。 （2）胀缩性大 蒙脱石晶层间距变化在0.96-2.14nm之间，蛭石的膨胀性比蒙脱石小，其晶层间距变化在0.96-1.45nm之间。 （3）电荷数量大 同晶替代现象普遍。 （4）胶体特性突出 ，较细（有效直径0.01-1m），总表面积为600800103m2kg-1，且80是内表面。蛭石一般为400103m2kg-1。,蒙蛭组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广,蒙蛭组矿物（2:1型膨胀性矿物 ）包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。,The structure of muscovite（白云母）,水化云母组（伊利组）（2:1型非膨胀性矿物）,1）层状硅酸盐粘土矿物种类和性质,三、土壤的矿物组成,（1）2:1型晶层结构伊利石是其主要代表。分子式为K2(AlFeMg)4 (SiAl)8O20(OH)4nH2O。 （2）无膨胀性 在伊利石晶层之间吸附有钾离子，对相邻两晶层产生了很强的键联效果，使晶层不易膨胀，伊利石晶层的间距为1.0nm。 （3）电荷数量较大 阳离子交换量2040Cmoles(+)kg-1。 （4）胶体特性一般 总表面积为70120103m2kg-1，其可塑性、粘结性、粘着性、吸湿性和阳离子交换量都介于高岭石和蒙脱石之间。,水化云母组（2:1型非膨胀性矿物）特征：,伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。,1）层状硅酸盐粘土矿物种类和性质,三、土壤的矿物组成,在2:1粘土矿物的相邻晶片间加入一个八面体水镁片（或水铝片）。由于强烈的静电吸引使其成为非膨胀粘土。,Chlorite group （ 2:1:1 layer clays ） 绿泥石组：以绿泥石为代表，富含镁、铁等,1）层状硅酸盐粘土矿物种类和性质,三、土壤的矿物组成,Properties of Chlorite group 绿泥石组的特性 2:1:1型。化学式为：(MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 非膨胀性粘土矿物 同晶替代现象普遍。 硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代Si4+、铝片中Mg2+代Al3+产生负电荷，水镁片中Al3+ 代Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊利石与高岭石之间。 颗粒较小，胶体性质中等。 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中。 土壤中绿泥石大部分来自母质遗留，沉积物和河流冲积物中较多。,3种主要类型硅酸盐粘粒性质比较,2）非层状硅酸盐粘土矿物-氧化物,三、土壤的矿物组成,针铁矿(goethite)，铁锈,纤铁矿（lepidocrocite），很少,赤铁矿Hematite，含Fe70%以上，很重要,氧化铁,三水铝石（gibbsite）,一水软铝石（Boehmite）,一水硬铝石（Boehmite）,氧化铝土壤中实际为铝的氢氧化物,2）非层状硅酸盐粘土矿物-氧化物,三、土壤的矿物组成,白色、绿色、蓝色、黄色到棕色,水铝英石非晶质含水硅酸盐矿物,鳞石英Tridymite,方石英Tridymite,“树化玉,蛋白石多种宝石,氧化硅,20,中国土壤粘土矿物分布规律 全国分为7个分布区 北方以水云母（伊利石）为主的1、2、3区 秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区(4区) 南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（5区） 南方以高岭石为主的6、7分布区 西北和青藏高原水云母区(1区)，土壤风化程度最低 华南高岭区（7区）土壤风化程度最高,四、土壤的粒级组成,矿质土粒由一系列大小形状不同的物质组成。 根据土粒直径的大小将土粒分成不同的等级。 同一粒级的成分或性质基本一致； 不同粒级的差异较大。 不同国家对土壤粒级的划分不同。,1.土粒分级,22,1、土粒分级,土粒 Soil particle,土壤颗粒土粒，通常指矿物颗粒。,Soi particles are the fundamental of soil structure formation. Function of soil particles is determined by its composition, structure and behavior. 多孔结构的骨架 吸、保、供、调土壤肥力的实体。,按土粒成分分为矿物质土粒和有机质土粒。,土壤矿粒大小不均，形状多样，有的成片成块、有的成粒成尘；有的单个存在，称为单粒；有的相互粘结为聚集体，称为复粒。,23,标准土壤,土粒光滑实心圆球,24,当量粒径 Equivalent grain size of soil particle,当量粒径与其静水沉降速度相同的圆球直径。,原理：Stokes law, 1845 颗粒沉降速度与有效直径有关,影响因子： 重力加速度g 颗粒密度s 液体的密度w 液体的粘度 颗粒半径r,25,共同点：均为四级： gravel砾石、sand 砂粒、silt粉粒和clay粘粒。,分级标准,国际制，1930,美国制，1951,中国制，1987,卡庆斯基制，1957,26,常见土壤粒级制,27,以原生矿物(primary mineral)为主， 最多的是石英(quartz),Sand (砂粒),除原生矿物(primary mineral)外,还有一些风化后形成的次生矿物(secondary mineral),Silt (粉粒),以次生矿物(secondary mineral)为主,Clay (粘粒),2.土壤性质与粒级 矿物组成与粒级,2.土壤性质与粒级 矿物组成与粒级,29, 土粒的化学组成,随粒径由大到小，SiO2含量由多到少。,R2O3(即Fe2O3与Al2O3的总称)与SiO2相 反，随粒径由大到小，R2O3含量由少到多。,CaO、MgO、P2O5、K2O随土粒由大到小,含量增加。,30,土壤各粒级的化学组成,31,各级土粒的物理性质,土粒由大到小,保水能力、最大吸湿量、最大分子持水量、毛管水上升高度增加，但通透性、渗透系数降低。,土壤膨胀性和可塑性增加，对耕作带来不利影响。,32,各级土粒的水分性质和物理性质,33,各级土粒的基本特征 砾石和砂粒（0.02mm） 风化碎屑，矿物成分和母岩基本一致，不能充分反映土壤形成条件； 特性：粒径大，比表面积小，无可塑性和粘结性；养分释放慢，有效养分缺乏；土粒表面吸湿性和吸肥性很小。粒间孔隙大，透水、排水快；胀缩性小；易溶性养分亦随水流失。因此，砾石和砂粒对水热缺乏保存和调节能力；保水性极差，热容量小而保温能力也很差。 功能：构成土体的粗骨架和大孔隙，使土体具有良好通透性，为根系插入与深扎、空气与水进入土体提供方便通道，通过水分入渗传导热量； 砾石和砂粒含量高的土壤易冷易热，易干易湿，容易受到污染。 土壤侵蚀得只剩下砾石和砂粒，是生态环境恶化的重要指标。如山区“石山化”，平原“沙漠化”等。,34,粘粒（0.002mm） 颗粒细小，是矿物化学风化的产物，也可能是土壤溶液中化学反应的生成物；矿物质成分与原来母质有所不同，属于次生矿物。化学成分中二氧化硅含量比砂粒和粉粒要少得多。 功能 粘粒是土壤形成过程中的新生产物，是土壤胶体的主要组成部分，它的类型和性质能反映出土壤形成的条件和作用。 特性 粘粒细，比表面积大，粒间孔隙很小，其中的水分难于移动；1m的细孔，微生物无法进入生存，基本失去孔隙的意义； 表面吸湿性强，有显著毛管作用和强烈的吸水膨胀、失水收缩的特点；有较强的持水性能，透水缓慢，排水困难，透气不畅； 粘粒有很强的粘结性、可塑性等，粘粒相互粘结形成土壤团聚体、土团或土块，干时土块易于龟裂，遇水分散。 微细的粘粒还有胶体特征，能吸附养料； 含粘粒多的土壤保水、保肥力强，有效养分储量较多。,35,粉(砂)粒（0.02-0.002mm） 颗粒大小介于粘粒和砂粒之间;岩石矿物物理风化的极限产物;矿物成分有原生的，也有次生的。 特性 很多性质介于粘粒和砂粒之间，只有微弱的可塑性、胀缩性和毛管力；粘结力在湿时明显，干时微弱。 粉粒很容易进一步风化，是土壤养料的潜在供应力，这与其矿物组成有一定关系。 粉粒含量高的土壤往往是地区性水土流失和干旱威胁的内在原因。 土壤含有适量粉粒，对粘土来说有利于“化块”，促进大土块分裂，形成较小土团；对沙土而言能增加其保水、保肥和保温能力。,36,3. 土壤的机械组成和质地,（1）土壤机械组成,土壤中各级土粒的百分含量，又称土壤颗粒组成。,估算土壤比表面积 确定土壤质地 评价土壤结构性 其它,测定土壤颗粒组成(或机械组成)的方法，称为土壤颗粒分析(或机械分析)。,主要用途,37,测定方法 首先把土壤样品进行前处理，取粒径小于2mm的组分，去掉有机质，充分分散（加分散剂） 过筛和沉降 直径大于0.050.02mm的部分用过筛的方法区分 直径小于0.050.02mm的部分用沉降的方法确定,沉降原理：Stokes law, 1845 颗粒沉降速度与有效直径有关,38,（2）土壤质地,按土壤颗粒组成进行分类，将颗粒组成相近而土壤性质相似的土壤划分为一类并给予一定名称，称为土壤质地(Soil texture)。 质地相同的土壤，颗粒组成基本相似(但不完全相同)，这些土壤常具有类似的一些理化性质和肥力特征。 每种土壤有一个质地名称，它概括反映了土壤内在的某些基本特性。,39,International system（国际制）,粘土(clay)类,根据粘粒(clay)含量将质地分为三类：, 15%,粘壤土(clay loam)类,粘 粒 含 量,砂土(sand)类、壤土(loam)类,15%25%, 25%,凡砂粒含量大于55%的，在质地名称前冠“砂质(sandy)”,根据粉砂粒(silt)含量:,凡粉砂粒含量大于45%的，在质地名称前冠“粉砂质(silty clay)”,根据砂粒(sand)含量:,土壤质地分类系统,40,Clay 0.002mm,Sand 0.05-2mm,Silt 0.002-0.05mm,等边三角形的三个边分别表示砂粒、 粉粒、粘粒的含量。根据土壤中砂粒、粉粒、粘粒的含量，在图中查出其点位再分别对应其底边作平行线， 三条平行线的定点即为该土壤的质地。,美国制 Triangular graph (三角图),41,卡庆斯基制,根据物理性黏粒0.01mm含量 并结合不同土壤类型（灰化土、草原土、红黄壤、碱化 土和碱土）将土壤划分为砂土、壤土、和黏土3类9级。,42,中国制,分为砂土、壤土、粘土3组共12种质地,43,质地的定性确定 凭手接触的感觉，搓条法等 取少量土样，加适量水湿润，然后放在手上，用手来回搓，搓至均匀能检测为度。 沙 土：握时成团，放开松散，不能搓成条。 沙壤土：搓条时只能搓成大于3毫米的短条。 轻壤土：搓成大于3毫米细条，但容易断裂。 中壤土：能搓成完整细条，弯曲时易断裂。 重壤土：土能搓成完整细条，弯曲成圆圈时有裂缝。 粘 土：能搓成完整细条，能弯曲成圆圈。,44,四、不同质地土壤的肥力特征,Sandy soil (砂质土),水,粒间孔隙大，毛管作用弱，透水性强而保水性弱，水气易扩散，易干不易涝,气,大孔隙多，通气性好，一般不会累积还原物质,热,水少气多，温度容易上升，称为热性土，有利于早春作物播种。,养分含量少，保肥力弱，肥效快，肥劲猛，但不持久，易造成作物后期脱肥早衰,肥,松散易耕,耕性,45,Clay soil (粘质土),水,粒间孔隙小，毛管细而曲折，透水性差，易产生地表径流,保水抗旱力强，易涝不易旱,气,小孔隙多，通气性差，容易累积还原性物质,热,水多气少，热容量大，温度不易上升，称冷性土，对早春作物播种不利,养分含量较丰富且保肥力强，肥效缓慢，稳而持久，有利于禾谷类作物生长，籽实饱满。早春低温时，由于肥效缓慢易造成作物苗期缺素,肥,耕性差，粘着难耕,耕性,46,Loamy soil (壤质土),土壤性质兼具粘质土和砂质土的优点，而克服了它们的缺点 。耕性好，宜种广，对水分有回润能力，是较理想的质地类型。,47,优良组合 (choiceness combination),Soil texture profile 土壤质地剖面,土壤剖面中不同质地层次的排列组合。,不良组合 (badness combination),粘盖砂,砂盖粘,medium texture,Coarse texture,fine texture,五、土壤胶体（soil colloid） 土壤胶体:土壤中直径小于0.002mm的微粒。 土壤胶体是土壤中高度分散的部分，是土壤中最活跃的物质. 土壤许多理化现象，如土粒的分散与凝聚、离子吸附与交换、酸碱性、缓冲性、粘结性、可塑性等都与胶体的性质有关。,1.土壤胶体的构造,微粒核（胶核） 微粒核是土壤胶体微粒的核心部分，它是由组成胶体微粒的基本物质的分子群所组成。,扩散双电层 决定电位离子层：吸附在胶粒核表面，决定胶粒电荷正负及大小的一层离子。 补偿离子层：分为非活性补偿离子层、扩散层两个层次。,胶团间溶液,即土壤胶体分散系中的分散介质，也即是土壤溶液。,土粒,土壤溶液,胶体微粒的扩散双电层构造图式,扩散双电层 Diffuse double layer：当静电引力与热扩散相平衡时，土壤带电胶体表面与溶液的界面上形成的由一层固相表面电荷和一层溶液中相反符号离子组成的电荷非均匀分布的空间结构。 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 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而形成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。,土壤胶体表面电位 Surface potential in soil colloids,Double-layer,The diffuse double-layer theory was developed independently by Gouy(1910) and Chapman (1913) for the application on flat surfaces, but it may apply equally well to rounded or spherical surfaces.,扩散层中反离子的不均匀分布可用Boltzmann方程表示：,CxC0exp(-ZFx/RT) Cx距表面x处反号离子浓度；CO本体溶液反号离子浓度； Z反号离子价数； FFaraday 常数 x距表面x处的电位； R气体常数 T绝对温度 双电层中距表面x处的反离子浓度CX是x处电位x的指数函数，呈曲线降低。,扩散层电位随着随着距表面的距离x的增加呈指数关系下降: x0exp（Kx） x 距离表面x处的电位 0 表面电位 K与离子浓度、价数、介电常数和温度有关常数,扩散层中电位变化特征,室温下, K 3107ZC01/2 where Z 离子价数 C0 离子浓度 The value 1/K is usually used as a measure of the thickness of the double layer. As indicated by the formula for K, the thickness of the double layer is suppressed by both Z and C0. (1/K为扩散双电层的厚度，主要受离子价Z和离子浓度C0的影响) K值大，双电层厚度越小。 双电层压缩 :增加离子价数和浓度,有机-无机复合胶体： 土壤有机胶体与矿质胶体通过各种键（桥）力相互结合成有机-无机复合胶体。 在土壤中有机胶体和无机胶体很少单独存在，只要存在这两类胶体，它们的存在状态总是有机-无机复合胶体。,2.土壤胶体的种类和其结构 胶体的种类 土壤胶体按其成分和特性，主要有三种： 土壤矿质胶体：包括次生铝硅酸盐（伊利石、蒙脱石、高岭石等）、铁铝氧化物、二氧化硅等。 有机胶体：腐殖质、有机酸、蛋白质及其衍生物等大分子有机化合物。,含水氧化物 主要包括水化程度不等的铁、铝、硅的氧化物。 （1）含水氧化硅：一种非晶质的凝胶，其化学式为SiO2nH2O或写成H2SiO3。,土壤矿质胶体,（2）含水氧化铁：主要有:褐铁矿 2Fe2O33H2O、针铁矿Fe2O3H2O、多水针铁矿3FeO34H2O和一水赤铁3Fe2O3H2O等。,（3）含水氧化铝：主要有水铝石Ai2O3H2O和三水铝石Al2O33H2O等，也是两性胶体，其电性决定于溶液的酸碱性。,粘土矿物,3. 土壤胶体表面类型 土壤胶体: 无机胶体(粘粒)和有机胶体(腐殖质),多呈有机无机复合胶体。,按表面位置分,内表面：膨胀性粘土矿物的层间表面和腐殖质分子聚集体内的表面，其表面反应为缓慢渗入过程。 蒙脱石、蛭石等。 外表面： 粘粒的外表面和腐殖质、游离铁铝氧化物等包被的表面，表面反应迅速。 高岭石、水铝英石和铁铝氧化物等。,61,按表面的化学结构特点可分为: 硅氧烷型、水合氧化物型和有机物表面 硅氧烷型表面 SiOSi 2:1型粘粒的上、下两面，1:1型粘粒1/2面。 非极性的疏水表面。 电荷来源为同晶置换(Al3+Si4+)，少部分是边角断键，为永久电荷。,硅氧烷型表面 Siloxane surface Si Si O,硅氧烷型表面 Siloxane surface Si Si O,水合氧化物型表面 由金属阳离子和氢氧基组成的表面 MOH 铝醇AlOH，铁醇FeOH，硅烷醇SiOH等。水铝(镁)片，铁、铝氧化物及硅片边角断键。 极性亲水表面。 电荷来源为表面OH与质子的缔合OH2+ 或 离解OHO- + H+。可变电荷。,水合氧化物型表面 Oxy-hydroxide surface MOH,无定形的氧化铁、铝等胶体表面,有机物表面 腐殖物质为主的表面，表面羧基(COOH)、酚羟基(OH)、氨基(NH2)等活性基团。离解H+或缔合H+产生表面电荷。 RCOOHH2O RCOO-+H3O+ RNH2H2O RNH3+OH- 电荷的产生取决于功能团的解离常数和介质的pH, 属可变电荷。 三类胶体表面往往相互交织。,比表面(Specific surface areas)：单位重量(体积)物体的总表面积。 物体颗粒愈细小，表面积愈大。,4. 土壤胶体表面积和比表面,土粒直径（mm） 总表面积（cm2） 比面（cm2/cm3） 10 3.14 6 1 31.42 60 0.05 628.32 1200 0.001 31416 60000,粘土矿物晶核、有机物成分和无机胶膜等对表面积有重要贡献： 粘土矿物的类型不同，表面积大小和表面类型差别很大 膨胀性2:1型粘土矿物总表面积大，以内表面积为主 非膨胀性2:1型和1:1型粘土矿物总表面积小，一般以外表面为主（水化埃洛石例外）。 水铝英石比表面较大，内、外表面各一半。 铁、铝氧化物的比表面与其晶化程度有关，以外表面为主。（专红壤游离氧化铁表观比表面170m2/g) 土壤有机质的比表面大，表观比表面可达700 m2/g,比表面的测定方法 Determination of Specific surface areas 仪器法: 电子显微镜，X射线衍射仪 测定代表性土壤或粘土矿物颗粒的大小和形状，计算理论比表面积。 吸附法： A group of methods based on adsorption of compounds in the vapor or gas phase. 氮气、水蒸气、甘油、乙二醇乙醚(EGME) 比表面=单个分子面积土壤颗粒表面吸附单分子层所需分子数,电荷数量：决定土壤吸附离子的多少 电荷密度：决定离子吸附的牢固程度 影响土壤中离子移动和扩散，有机-无机复合体形成，土壤分散、絮凝和膨胀、收缩等性质,5.土壤颗粒表面电荷和电位,土壤电荷,净电荷：土壤的正电荷和负电荷的代数和；大多数土壤带净负电荷。,永久电荷 Permanent charge 来源: 粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代 特点：不受介质pH值和电解质浓度的影响,土壤电荷种类和来源 Type and origin of charge in soils,Isomorphous substitution（同晶替代） is believed to be a major source of negative charges in 2:1 layer clays.,可变电荷 Variable or pH-dependent charge 来源: 土壤固相表面从介质中吸附离子或向介质中释放离子。 Dissociation of exposed hydroxyl groups. Alkaline medium: -M-OH + OH- -M-O- + H2O Acid medium: -M-OH + H+ -M-OH2+ 特点：电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度，又称pH依变电荷。,腐殖质产生可变电荷 腐殖质具有很多含氧功能团，这些功能团在介质pH值发生变化时，可解离而带电。羟基、酚羟基解离使腐殖质带负电，氨基质子化使腐殖质带正电荷。 层状铝硅酸盐产生可变电荷 1:1型粘土矿物的晶面一面为硅氧烷型表面，另一面则为羟基化表面，后者在介质pH值发生变化时，吸附或释放一个H+，使表面带电。 氧化物带可变电荷 氧化物不带电时的pH值称为电荷零点，简称ZPC。 介质pHZPC时氧化物带负电； pHZPC时氧化物带正电. 氧化物的电荷零点，与金属的价数有关。,土壤电荷数量 Charge quantity in soils,一般用每千克物质吸附离子的厘摩尔数表示（cmol/kg） 阳离子交换量 Cation exchange capacity (CEC)： pH为7时土壤净负电荷的数量。 cmol(+)/kg 阴离子交换量 Anion exchange capacity (AEC)： 一定条件下土壤的正电荷量。 cmol(-)/kg,影响土壤电荷数量的因素 土壤质地 土壤所带电荷数量，80%集中在粒径小于2微米的胶体部分，故粘粒数量愈多的粘质土，带电愈多。 胶体类型及组成成分 有机胶体带负电荷量150-450cmol/kg；无机胶体为5-100 cmol/kg。 2:1型粘土矿物带负电量大于1:1型粘土矿物；2:1型粘土矿物中蒙脱石类粘土矿物带负电量又大于水云母类粘土矿物带负电荷量。 土壤中氧化物类胶体，由于电荷零点较高，因此一般带负电荷很少。甚至带正电荷。 土壤胶体组分间的相互作用 土壤中有机胶体和无机胶体往往结合在一起成为有机无机复合体，其复合胶体带电量不是二者分散存在时带电量的加和而是负电荷减少，存在非加和性。,六、土壤有机质(soil organic compounds),1.组成 生命体：Living organisms 土壤有机质：Soil organic matter 未分解的动植物残体：Unaltered materials - fresh and non-transformed components of older debris. 有机转化物：Transformed products 腐殖质 Humic substances 非腐殖质 Nonhumic substances 碳水化合物 Carbohydrates 脂类 Lipids 含氮化合物 Amino acids,2.土壤生物,1）土壤动物,土壤动物,如蚯蚓、线虫、原生动物、螨类、蚂蚁、蜗牛等 对有机残体撕碎、搅动和搬运促进有机残体与土壤混合，促进微生物的分解； 以植物残体为食使有机残体性质发生变化； 在土壤中活动对土壤物理性质产生影响。,78,2）土壤微生物 土壤微生物土壤中的各种细菌、放线菌、真菌等微生物群，对落到土表的枝叶，及土壤中死亡的根系和各种生物尸体都会迅速加以分解。,微生物在土壤中的作用 有机质的矿质化过程：有机质通过微生物的作用分解为简单化合物，同时释放出养分的过程。 腐殖质过程：有机物在微生物作用形成复杂的腐殖质的过程。,3）土壤生态食物网（food web of soil ecosystem）,未分解物质,3 .土壤未分解或半分解有机物质Unaltered materials,半分解物质, decomposing material,Stable organic matter,腐殖质 非腐殖质物质 碳水化合物：单糖、双糖、多糖 含氮化合物 脂类物质,4 .土壤有机质(soil organic matter),土壤有机质的组成,土壤腐殖质（humus） 除未分解和半分解动、植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。通常占土壤有机质的90%以上。,非腐殖物质(Non-humic substances)(2030%) 腐殖物质(Humic substances)（6080%） 经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。 胡敏素(Humin) 胡敏酸(Humic acid) 富里酸(Fulvic acid),胡敏酸(Humic acids )：不溶于酸，溶于碱，深褐色或黑色。,富里酸(Fulvic acids)：溶于酸又溶于碱，浅黄色到黄褐色。,胡敏素(Humin)：不溶于酸和碱，黑色。,腐殖质的组成及性质,1）有机质在土壤肥力上的作用 （一）提供植物需要的养分 养分较完全 植物生长所需养分N：80 97%，平均95%；P：20 76%；S：38 94%为有机态，由有机质提供。 提高养分有效性 SOM矿质化过程中产生的有机酸，腐殖化过程中产生的腐殖酸，一方面促进土壤矿质养分溶解释放养分；另一方面可以络合金属离子，减少金属离子对P的固定，提高P的有效性。,5.土壤有机质的作用,（二）改善土壤肥力特性 提高土壤保肥性 土壤腐殖质是一种有机胶体，有巨大的表面积和表面能，吸附能力大于矿质胶体，从而大大提高土壤保肥性。 胶体对阳离子吸附能力比较（cmol(+)/kg） 胶体类型 有机胶体 高岭石 蒙脱石 吸附力 150 450（平均350） 3 15 80 120 提高土壤缓冲性 腐殖质含有多种功能团，遇OH时电离出H与之作用生成水对碱緩冲；遇H时则由于带负电荷而吸附H对酸緩冲； 腐殖质胶体带负电荷，可吸附土壤溶液中盐基离子，对肥料起緩冲作用。,促进团粒结构的形成，改善土壤物理性质 粘结力(binding force)：砂有机胶体粘粒 有机质能改变砂粒的分散无结构状态，又能改善粘粒的粘重大块结构，促进土壤良好结构的形成，从而改善土壤的通透性等物理性质。 提高土壤生物活性和酶活性 SOM是土壤微生物活动所需氧分和能量的主要来源； SOM通过刺激生物活动而增加土壤酶活性，直接影响土壤养分转化的生物化学过程； 腐殖酸是一类生理活性物质。,2）有机质在生态环境上的作用 （一）有机质与重金属离子的作用 络合重金属离子，减轻重金属污染。 有机质功能团对金属离子的亲和力： O NH2 N=N N COO O C=O 烯醇基 胺基 偶氮化合物 环氮 羧基 醚基 羰基,土壤有机质与重金属离子的络合作用对土壤和水体中重金属离子的固定和迁移有重要影响。,金属富啡酸复合体稳定常数： Fe3+ Al3+ Cu2+ Ni2+ Co2+ Pb2+ Ca2+ Zn2+ Mn2+ Mg2+,腐殖物质金属离子复合体的稳定常数反映了金属离子与有机配位体之间的亲和力，对重金属环境行为的了解有重要价值。,稳定常数常受pH值得影响，稳定常数在较高pH时稍大。主要是因为羧基等功能基在较高pH条件下有较高的解离度。在低pH时，由于H+与金属离子一起竞争配位体的吸附位，腐殖酸络合的金属离子较少。,重金属离子的存在形态受腐殖酸物质的络合作用和氧化还原作用的影响 腐殖酸对无机矿物有一定的溶解作用,实际上是其对金属离子的络合、吸附和还原作用的综合结果。,胡敏酸作为还原剂可将有毒的Cr6+还原为Cr3+ ， Cr3+能与胡敏酸上的羧基形成稳定的复合体，从而限制了动植物对它的吸收。 腐殖物质能将V5+还原为V4+, Hg2+还原为Hg, Fe3+还原为Fe2+, U6+还原为U4+,（二） 有机质对农药等有机污染物的固定作用 SOM对有机污染物在土壤中的生物活性、残留、生物降解、迁移和蒸发等过程有重要影响。 SOM对农药的固定与腐殖质功能基的数量、类型和空间排列密切相关，也与农药本身的性质有关。 极性有机污染物可以通过离子交换和质子化、氢键、范德华力、配位体交换、阳离子桥和水桥等不同机理与SOM结合； 非极性有机污染物可以通过分隔机理与之结合。,空气中CO2浓度变化,（三） 土壤有机质对全球碳循环的影响,（三） 土壤有机质对全球碳循环的影响 土壤有机质是全球C平衡的重要C库。 全球土壤有机质总碳量： 141017151017g 陆地生物总碳量： 5.61017g 全球每年土壤有机质生物分解释放到大气中的总碳量：681015g 全球每年因焚烧燃料释放到大气中的总碳量： 61015g 土壤有机碳水平的不断下降，对全球气候变化的影响不亚于人类活动向大气排放的影响。,土壤有机质在环境中的迁移路径 Transportation paths of SOM in natural environment,3.土壤胶体的性质（ Properties of colloids）,第二节 土壤的吸附解吸性能,土壤胶体的性质：,颗粒小（Small） 大的表面积（Large surface area） 具有表面电荷（ have a surface charge） 吸附水中的离子（Attract water an ions） 土壤具有吸附性能,一、土壤胶体对阳离子的吸附交换反应Adsorption and exchange of cation by soil colloids,1、离子吸附的概念 Concept about ion adsorption,吸附作用：根据物理化学反应原理，溶质在溶液中呈不均匀的分布状态，固相表面层中离子浓度与本体溶液中不同的现象称为吸附作用。 正吸附 、负吸附 Forces of adsorption Physical forces: 范德华力, 短程偶极作用 Hydrogen bonding: a hydrogen atom acts as the connecting linkage Electrostatic bonding: electrical charge on the colloid surface Co-ordinate covalence bonding: 配位体提供电子给金属离子,Electrostatic bonding is the reason for cation adsorption and exchange reactions on clay surface. Since clay colloids carry negative charges, cations are attracted to the clay particles. They are held electrostatically on the surface of the clay. Most of them are free to distribute themselves through the liquid phase by diffusion. The density of ion population is greatest at or near the surface. These cations are called adsorbed cations. 阳离子吸附：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。 阳离子解吸：土壤胶体表面吸附阳离子转移到土壤溶液中。,2、阳离子静电吸附 Cation adsorption by electrostatic bonding,土壤胶体表面静电引力产生的阳离子吸附的速度、数量和强度决定于胶体表面电位、离子价数和半径等因素。 Orders of adsorption among the cations 土壤胶体表面负电荷愈多，吸附阳离子数量愈多； 电荷密度愈大，阳离子带电荷愈多，离子吸附愈牢。 不同价阳离子与土壤胶体表面亲和力： M3+ M2+ M+ 同价阳离子，水合半径越小，离子吸附强度越大。 Monovalent cations: Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+,（一）阳离子交换作用 土壤溶液中阳离子与土壤胶体表面吸附阳离子互换位置 交换性阳离子：被土壤胶体表面所吸附，能被土壤溶液中的阳离子所交换的阳离子。,3、阳离子交换 Cation exchange,The adsorbed cations can be exchanged by other cations. The process of replacement is called cation exchange.,可逆反应，反应速度很快，溶液中与胶体表面吸附阳离子处于动态平衡。 遵循等价离子交换的原则 符合质量作用定律（Mass action law）,阳离子交换作用的主要特点 Characteristics of cation exchange,平衡常数,阳离子特性，即阳离子与胶体表面之间的亲和力 高价阳离子交换能力大于低价离子 水合半径小的阳离子交换能力大于水合半径大的 （H+例外，半径小，水合度低，运动快，交换能力强） 阳离子的浓度和数量（符合质量作用定律） 实践中可以通过增加有益阳离子浓度的方法调控交换方向，提高肥力和控制污染。,阳离子交换的影响因素 Influenced factors of cation exchange,Fe3+ 、Al3+ H+ Ca2+ Mg2+K+ Na+,CEC of soils is defined as the capacity of soils to adsorb and exchange cations. The unite is cmol(+)/kg. (International System) CEC是土壤所能吸附和交换的阳离子的容量 cmol(+)/kg It is common practice in the deternination of CEC to analyze all exchangeable cations. CEC=cmol(+) exchangeable cations per kg soil,（二）阳离子交换量 (CEC) Cation exchange capacity,土壤CEC实际上是土壤所带负电荷的数量。CEC与土壤胶体的比表面和表面电荷有关。 CEC = specific surface areas surface charge density,阳离子交换量可作为土壤保肥能力和缓冲能力的指标 CEC （cmol(+)/kg） 10 1020 20 保肥力、缓冲力 弱 中等 强,影响土壤CEC的因素 土壤质地: 由砂质向粘质变化，阳离子交换量逐渐增大。 质 地 砂土 砂壤土 壤土 粘土 CEC(c(+)mol/kg) 1-5 7-8 7-18 25-30 有机质含量: 有机胶体所带负电荷量较无 机胶体大得多，因而有机质含量高的土壤阳离子交换量高，保肥力强。 无机胶体类型:一般粘土矿物CEC 2:1型1:1型，1:1型氧化物，2:1型中蒙脱石类水云母类。 土壤酸碱性: 带可变电荷的土壤胶体，酸碱性是影响其电荷数量的重要因素，进而影响土壤CEC和保肥能力。 例如：砖红壤pH值由自然条件下的5左右提高到7左右时，其负电荷量约增加70%。,（三）盐基饱和度(BS) Base saturation percentage BS：盐基离子占吸附阳离子总量(CEC)的百分数。 Base saturation percentage(%)= 100,exchangeable bases cmol(+)/kg,CEC cmol(+)/kg,BSpH A positive correlation exists between base saturation percent and soil pH. Low BS means the presence of a lot of H+ ions. Arid region soils are usually higher in BS than soils in humid regions. BSfertility BS80% BS 5080% BS50% 肥沃土壤 中等肥力土壤 低肥力土壤 BS of soils in China 我国土壤BS大致以北纬33为界。以北BS较高，一般达80%100%；以南BS均较低，只有20%30%，甚至少于10%。 BS高的土壤，交换性阳离子以Ca2+为主，其次是Mg2+，分别占80%和15%。BS低的土壤，交换性阳离子以H+和Al3+为主 。,（四）交换性阳离子的有效度 Availability of exchangeable cations 交换性阳离子对植物都是有效性的，但有效程度不一样。,离子饱和度：土壤吸咐某种交换性阳离子数量占土壤交换性阳离子总量的百分数。离子饱和度愈高，其有效性愈高。,互补离子效应：对某一指定吸附离子，其他并存的离子都是它的互补离子。互补离子效应是由各种阳离子被胶体吸着能力不同所致。一般说来，某离子的互补离子被土壤胶体的吸附力越强，该离子的有效度就越高。,粘土矿物类型：高岭石类有外表面而无内表面，阳离子吸着于外表面上，容易解吸，有效性高；蒙脱石类既有强大的外表面，又有内表面，吸着阳离子的有效性低于高岭石。水云母类由于硅层晶穴对阳离子K+或NH4+产生固定作用，降低其有效性。氧化物类胶体对阳离子产生专性吸收，使阳离子失去有效性。,影响因素,阳离子专性吸附的机理,4、阳离子的专性吸附（specific adsorption),铁、铝、锰等氧化物胶体表面阳离子不饱和而水合(化)，产生可离解的水合基(-OH2)或羟基(OH)，它们与溶液中过渡金属离子(M2+、MOH+)作用而生成稳定性高的表面络合物