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文档简介
1、Chapter 5 Soil Acidity and Alkalinity,第五章 土壤酸碱度,The degree of acidity or alkalinity is a master(显著的,主要的) variable (易变的) that affects nearly all soil propertieschemical,biological, and physical. Commonly expressed as soil pH, this variable largely controls plant nutrient availability and microbial re
2、action in soils.,有1000克土样,分别含H+, Mg2+,Ca2+, Na+,K+和Al3+离子8,5,16,1,1和4 cmol,土样中有机质含量为2%(有机质平均CEC约为350 cmol/kg),粘粒含量是25%,求: 土壤的CEC 土壤盐基饱和度 若土样仅为一种粘粒矿物组成,试推断是何种矿物?,C.E.C.=8+5+16+1+1+4=35 cmol(+)/kg,BSP=(5+16+1+1) 100/35=65.71%,Hu=2%, CEC=2350/100=7 cmol(+)/kg有机质,粘粒矿物CEC=35-7=28 cmol(+)/kg,若为单一矿物,则:,CEC
3、=28100/25=112 cmol(+)/kg蒙脱石,一 土壤酸度的存在形式和相互关系(Forms and their relationship of soil acidities) 1 活性酸度:土壤溶液中游离的H+活度 Active aciditythe activity of hydrogen ion in the aqueous phase of a soil. 2 潜性酸度:土壤胶体上吸附的交换性H+,Al3+所显示的酸度 Potential aciditythe activity displayed by exchangeable H+ and Al3+ that were ab
4、sorbed on soil colloid.,第一节 土壤酸度 Section 1 Soil acidity,3 总酸度(Total acidity):活性酸与潜性酸的总和 活性酸与潜性酸的关系: 处于相互转化的动态平衡 潜性酸远大于活性酸 土壤酸度的根本来源(起源)活性酸,二 土壤酸度产生的原因,(一)活性酸 1 土壤生物活动产生H+ 生物呼吸放出CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- 有机质分解产生有机酸 土壤中的的铵盐和硫化物在特殊微生物(如:硝化细菌,硫化细菌)的作用下转化成酸(HNO3, H2SO4) 2 大气,土壤空气中的CO2 3 吸附态H+ , Al3+通过解离
5、和水解变成活性酸 4 土壤中H2O的解离,(二)潜性酸 1 吸附态,结合态以及官能团上H+的解离和交换 2 吸附态Al3+,吸附态Al3+的产生氢铝转化过程(土壤胶体上吸附态H+减少而Al3+增加的现象),只有Al3+粘土,没有H+粘土,Once the aluminum enter the soil solution it reacts with water to form hydroxy aluminum compounds and free hydrogen ions. Al3+ + H2O Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O Al(OH)2+ + H+ Al(OH
6、)2+ + H2O Al(OH)3 + H+,(2) 吸附态Al3+产生酸的机制,思考: 1 红壤用酸不断淋洗,最后得到什么胶体? 2 南方强酸性土与弱酸性土通过Al3+产生酸度的机理是否相同?为什么?,The main sources of net acid inputs are as follows:,The dissolution of CO2 in the soil water to form carbonic acid which dissociates according to CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- H+ + CO32-,The accumulati
7、on and humification of soil organic matter, producing humic residues with a high density of carboxyl and phenolic groups (羧基和酚基) that dissociate H+ ions.,Inputs of H2SO4, HNO3 and (NH4)2SO4 from the atmosphere or acid rain.,In soils formed on marine muds (海相沉积), or coal-bearing sedimentary rocks (碳基
8、沉积岩), the oxidation of iron pyrites (黄铁矿)FeS2 gives rise to acid sulphate (硫酸盐)soils.,Nitrification of NH4+ions, producing H+ ions, and NO3- which is susceptible (易受影响的) to leaching.,Removal of Ca2+ and Mg2+,Plant and animal residues,ATMOSPHERE,SOIL,Atmospheric inputs Of acidity,Wet and dry depositi
9、on,H+ in solution,Biomass activity-acid production Mineralization and nitrification H+NO3 Respiration H2CO3 Production of organic acids,Acid attack of soil minerals-acid consumption,H+,H+,Solution Al3+,Ca2+,Mg2+,K+,H+,e.g. Al(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2O CaCO3 + 2H+ Ca2+ + H2O + CO2,Root activity-acid pro
10、duction,Cation and anion uptake H+ or OH- release Respiration H2CO3 Exudation e.g. Citric acid,Leaching,Cation exchange- acid storage,Exchangeable Ca2+ Mg2+ K+ Al3+ H+,+-+-,Leaching Into groundwater,Al3+ Ca2+ Mg2+ K+ H+,The process of soil acidification,土壤酸度的表示方法 (Indicative methods of soil acidity)
11、,(一)活性酸度 pH值: 是土壤酸度的强度指标(Intensity index) Active acidity due to the H+ and Al3+ ions in the soil solution. 一般地 pHH2O pHKCl 在pH分级方面,各国的均不一致;我国土壤酸碱反应大致呈“南酸北碱”,确切地说是“东南酸而西北碱”的分布趋势;大体分五级:,(二)交换性酸度 Exchange aciditythe titratable (可滴定) hydrogen and aluminum that can replaced from the adsorption complex by
12、 a neutral salt solution.,性质:容量指标(Capacity index); 单位:cmol/kg 特点: 包括活性酸; (2) 不能将胶体上全部的H+ 、Al3+代换下来,因此,它只是潜性酸的大部分,而非全部。,Salt-replaceable acidity, involving the aluminum and hydrogen that are easily exchangeable by other cations in a simple unbuffered salt solution such as KCl.,Salt-replaceable acidit
13、y,The quantity of salt-replaceable acidity (exchangeable acidity) is much higher, commonly more than 100 times that needed to neutralize the soil solution (active) acidity.,(三)水解性酸度(Hydrolysis acidity) 用弱酸强碱盐类(如NaAc)浸提土壤,将交换性H+ , Al3+置换到土壤溶液中所显示的酸度,性质:容量指标(Capacity index); 单位:cmol/kg 特点: (1)包括活性酸。 (
14、2) 它可以代表土壤总酸度(改良酸性土壤计算石灰施用量的依据)。,Residual acidity (Hydrolysis acidity),Residual acidity, which is associated with the large quantity of Al3+,H+ and Al(OH)x ions that are bound in nonexchangeable forms by organic matter and silicate (硅酸盐) clays.,The residual acidity is far greater than either the act
15、ive or salt-replaceable acidity. It may be 1000 times greater than the soil solution or active acidity in sandy soil and 50,000 or even 100,000 times greater in a clayey soil high in organic matter.,第二节 土壤碱度 Section 2 soil alkalinity,土壤碱度产生的原因 1 土壤中的碱金属和碱土金属盐类的水解(主要是碳酸盐和重碳酸盐) 2 有些土壤中的中性盐(Na2SO4)的水解
16、3 胶体上吸附的 Na, Ca, Mg 离子的水解,Sources of alkalinity: Base-forming cations,Sources of alkalinity,Role of carbonates and bicarbonates,Role of the cations (Na+ versus Ca2+),Influences of salts,Micelle,Na+,+,H2O,Micelle,H+,+,Na+,+,OH-,(soil solid),(soil solution),(soil solid),(soil solution),1 碱化度 土壤胶体上交换性N
17、a+占交换性阳离子的比例 一般地 Na+ 15% 以上,pH 8.5 的土壤为碱土 2 总碱度指标 测定土壤中碱性盐类水解所产生的碱度 即:测碳酸盐和重碳酸盐类 碱性盐类的 cmol/kg CO32-,HCO3- 的重量百分数,土壤碱度的指标 Index of soil alkalinity,土壤碱化度指标及土壤状况,Index of soil alkalinity,Sodium status,Two expressions are used to characterize the sodium states of highly alkaline soils. The exchangeable
18、 sodium percentage (ESP) identifies the degree to which the exchangeable complex is saturated with sodium.,ESP levels of 15 are associated with pH values of 8.5 and above.,Index of soil alkalinity,The sodium adsorption ratio (SAR) is a second more easily measured property that is becoming even more
19、widely use than ESP.The SAR gives information on the comparative concentrations of Na+, Ca2+, and Mg2+ in soil solutions.,Where Na+,Ca2+,and Mg2+ are the concentrations (in mmol/L) of sodium, calcium, and magnesium ions in the soil solution.,碱化作用(Alkalization) 土壤呈碱性时,导致土壤理化性状所发生的各种变化,主要表现:土粒高度分散湿时泥泞
20、不透水气干时坚硬 结果:导致耕性、物理性质、化学性质、生物性状的恶化 产生碱化作用时,碱土中碱金属离子比: Ca:Mg:Na:K=4:1:9:1,(一)酸性 1 气候 (1)水,温(2)生物活性 2 施肥 3 灌溉 4 酸性红壤的浊流水(串灌) 5 母质因素(靠近黄铁矿),影响土壤酸碱性的因素,(二)碱性 1 气候 干旱蒸发量降水量 2 生物因素 3 母质 基性超基性岩 4 地下水,灌溉水,第三节 盐基饱和度,CO2偏压等与土壤pH的关系,盐基饱和度的影响 饱和:中微碱性 H+,Al3+占2040%:酸强酸性,1、极限pH土壤胶体上吸附的离子全为H+、Al3+时的pH。,可表示土壤胶体的最低p
21、H,可反映潜性酸的强度。,pH极限:高岭(4.55.0)蒙脱(3.5) 腐殖质,实质上判断3种胶体CEC的大小,CEC , pH极限,决定因子:净负电荷数量,所以:一般地,南方土壤pH极限北方土壤pH极限,pH极限: 砖红壤(4.95.2)红壤(4.54.6) 黄棕壤(3.94.1),2、半中和点pH土壤胶体上盐基离子饱和度等于 非盐基离子( H+、Al3+ )饱和度时的pH。,3、中和点pH土壤胶体盐基离子饱和度等于100%时的pH。,各种土壤差别不大:8.20.1,pH半中和点=pK,二 土壤空气的CO2偏压对pH的影响,CaCO3CO2H2O 体系(土壤中) CO2 + H2O H2CO
22、3 2H+ + CO32- K=H+ 2CO32-/H2CO3= H+ 2CO32- /CO2H2O,H2O不变,可忽略; CO32-= K CO2/ H+2,CaCO3 Ca2+ + CO32- Ksp=Ca2+CO32-/CaCO3= Ca2+CO32- CO32-=Ksp/ Ca2+,Ksp/ Ca2+= K CO2/ H+2 H+2= Ca2+ CO2 K/Ksp,2pH = K + p Ca2+ + p CO2 (K =-lgK/Ksp) pH = 4.92 0.5lg Ca2+ 0.5lg CO2,公式意义: (1)对石灰性土壤,随Ca2+、CO2的升高,pH下降 (2)测定土壤p
23、H值时,要煮沸蒸馏水,排除CO2,冷却后用 (3)土壤田间pH高低,受CO2多少的影响,pH风干土样 pH田间土样,三 土壤水分状况对pH的影响,测pH 水:土=1:1(中国) 或2.5:1(国际),规定水土比原因: (1)中性-石灰性土壤,增加水土比会导致pH值上升,(2)酸性土,稀释(加水)会使pH值上升,稀释效应?(不祥),各类土壤增加水土比,都会使pH值升高,四 土壤氧化-还原条件,问题:某地红壤,小麦和水稻各种一半,哪一半土壤pH高?,pH水稻pH小麦 ?,(1)有机质嫌气分解产生NH3(NH4+),在嫌气条件下不易变成NO3-,而是与土壤中的CO2生成(NH4)2CO3,(2)还原
24、条件下,出现Mn2+,Fe2+,可生成MnCO3,FeCO3,水解后呈碱性,(3)酸性硫酸盐土(pH 23),淹水后,硫酸盐还原为硫化物(水解呈碱性),对碱性土: pH水稻pH小麦,为什么?,嫌气条件产生有机酸(多) 嫌气条件下微生物释放的CO2向大气扩散慢,结论:淹水使酸性土和碱性土趋于中性,第四节 土壤的缓冲作用 Section 4 soil buffer action,定义(Difinition): 当向土壤中加入酸或碱时,土壤所具有的减缓pH改变的作用,叫,Soil tend to resist changes in the pH of the soil solution. This
25、resistance, called buffering.,原因: 1 土壤胶体的阳离子交换作用,2 土壤溶液中多种弱酸及弱酸盐,CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2CO3,3 土壤中的一些两性胶体物质,4 酸性土壤中的活性Al3+或交换性Al3+对碱的缓冲作用,继续加碱,可以出现多个“-OH-”把Al3+“拉起来”,形成多个 “Al-OH-Al” (P.134),条件:pH 5.5 (5),BUFFER CAPACITY,Buffer capacity is the ability to withstand (抗拒) rapid pH fluctuation (升降) The g
26、reater the buffering capacity, the greater the quantity of acid or base which must be incorporated (混合) with a material to alter the pH Soil types having low buffering capacities include sandy soils containing little clay or organic matter Soils exhibiting a high buffering capacity are usually compo
27、sed of large quantities of mineral clay and organic matter Soils with a high buffering capacity necessitate a greater amount of lime to raise the pH than soils with a low buffering capacity.,Mechanisms of soil buffering,Interactions with aluminum (Al) and iron (Fe) compounds at low pH. Cation exchan
28、ge reactions at intermediate pH levels,and Reactions with carbonates (碳酸盐) and bicarbonates (重碳酸盐) at high pH.,缓冲作用的量度缓冲量(Buffer capacity) 土壤溶液改变一个单位pH值所需的酸或碱的量,测定:,通过滴定得一滴定曲线,由滴定曲线得出: (1)盐基不饱和土壤 (2)缓冲能力不断变化,在pH 45之间,缓冲性强,至pH 5左右失去了缓冲性,(3)交换性酸量:58 cmol/kg 也是缓冲(容)量,四 影响土壤缓冲能力的因素,1 胶体类型和含量 CEC , BC (B
29、uffer Capacity) Clay , BC (Buffer Capacity) , BC:有机胶体蒙脱石伊利石高岭石R2O3 粘土壤土砂土,2 土壤盐基饱和度 CEC相等条件下:,盐基饱和度越大,对酸的缓冲性越强 盐基饱和度越小,对碱的缓冲性越强,第五节 土壤反应与肥力关系,一、对土壤肥力及植物生长影响,1、对养分有效性的影响,总体看,pH67范围内各种元素有效性普遍较高,养分有效性受土壤酸碱性影响较大,(1)由图可见,酸性:N,P,K,S,Ca,Mg,B,Mo有效性降低 Fe,Mn,Zn,Cu,Co易过剩,碱性:Fe,Mn,Cu,Zn,Co有效性降低,pH,Optimal pH va
30、lue: 5 6 Maximal nutrient availability High pH values: Reduced nutrient availability Low pH values: Reduced nutrient availability Toxic levels of Al, Mn,(2)原因: 从微生物活性考虑 从溶度积考虑 从发生化学沉淀考虑 从流失考虑, pH6,细菌、放线菌活性降低(N,S与之吻合),主要影响:Fe,Mn,Cu,Zn(以Fe为例说明) pFe=3pH-4.6 pH=6: pFe=3 64.6=13.4 Fe3+=3.9810-14 M pH=7:
31、pFe=3 74.6=16.4 Fe3+=3.9810-17 M pH=8: pFe=3 84.6=19.4 Fe3+=3.9810-20 M,如:P低pH时, Fe3+,Al3+多,沉淀,Fe(Al)PO4 高pH时,Ca2+多,沉淀Ca3(PO4)2 pH8.5时,Na+多,P溶解性增强,在酸性:K,Ca,Mg易流失,使土壤中减少,2 影响理化性质,3、对植物生长的影响,(1)Al3+的毒害(pH5.5) 界限:0.2 c mol Al3+ /kg; 症状:根系变粗、短,影响养分吸收 pH5.56.3时,大部分Al3+沉淀,Al3+毒消除,过碱:主要是NaOH的腐蚀(不是毒害),(2)根据
32、植物对酸碱的敏感性分为: 敏感植物和不敏感植物 敏感植物指示植物:一些植物对酸碱性有着不同的爱好,它们只能在某一定的酸碱范围内生长,因为这些植物能对土壤酸碱性 起指示作用,故称之为土壤酸碱性的“指示植物”。,耐酸植物:茶树,羽扇豆; 耐碱植物:盐蒿,柽柳,碱蓬,二 土壤酸碱性的调节,(一)酸性土酸性调节 1、调节途径:施用石灰(Ca(OH)2,CaO,CaCO3) 2、调节机理,Lime truck spreading lime on the field,3、影响中和速度的因素,粘粒矿物类型 蒙脱石 Al(OH)2+(在晶层) 土壤和石灰颗粒的粗细 土壤温度、水温,4、石灰用量计算,石灰用量=
33、土壤体积容重阳离子交换量(1-盐基饱和度),(二) 对碱性土的调节,1 施用有机肥 2 施用化学物质 (1)FeSO4 (2)硫磺粉,黄铁矿(FeS) 3 施用生理酸性肥料 如:(NH4)2SO4,KCl 4 对碱化土壤,施用石膏,1 酸性土壤pH对作物的危害主要是( )作用(选:直接, 间接);其主要影响途径是: (1) (2) (3),2 pH 5.5的酸性土,用中性盐BaCl2溶液浸提,被代换出的阳离子,可以被检测出来的可能有( );不会或很少有的为( );因为( ),3 酸性土的旱地和水田,用石灰改良,其增产原因( )(选:相同,不同);因为( ),4 酸性土施用石灰过多会( )(选:
34、增加,减少)钾的有效性,因为( ),作业,Chapter 6 Soil nutrient,The essential elements,There are 16 elements without which green plants cannot grow normally and reproduce. On the basis of their concentration in plants, these essential elements are subdivided into:,The macronutrients C, H, O, N, P, K ,Ca, Mg, S and Cl
35、which occur at concentration 100 mg kg-1 (plant dry matter basis), and The micronutrients Fe, Mn, Zn, Cu, B and Mo which are generally 100 mg kg-1,WHAT DOES A PLANT NEED TO LIVE,For healthy growth, a plant requires: Energy: Light for photosynthesis Water Gases: CO2: basic component of organic matter
36、 O2: basic component and catalytic respiration Nutrients: nitrogen (N) phosphorus (P) potassium (K) calcium (Ca) magnesium (Mg) sulfur (S) micronutrients,?,WHAT DOES A PLANT CONSIST OF ?,Dry matter is composed of: 94% Organic Material: 30% crude fibre 12% protein 47% N-free extracts 4% fat 6% ash,ES
37、SENTIAL NUTRIENTS,16 elements for all plants Criteria: The plant can not complete its life cycle without it No other element can replace it and correct the deficiency Must have some specific metabolic(新陈代谢) function Mere (纯粹的)presence essential,THE LAW OF THE MINIMUM,The element which is in shortest
38、 supply (in this case, K) limits the yield,Justus von Liebig 1840,自然界中的氮,11017 t (98%),3.91015 t (1.9%),2.31013 t,3.5109 t,生物圈,气圈,土圈,水圈,NITROGEN,1.5 % plant dry weight Functions Nucleic acids / nucleotides(核酸/核甘酸) Chlorophyll(叶绿素) Aminoacids / proteins(氨基酸/蛋白质) Coenzymes(辅酵素) Uptake: Nitrate anion N
39、O3- or Ammonium cation NH4+,N,Chapter 6 Soil Nutrient,C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S Fe, Mn, Zn, B, Mo, Cu, Co, Cl,第一节 土壤中的氮,一 土壤中氮含量及存在形态,1、含量(全氮) 范围: 0.020.5%;一般:0.1%左右(1.0g/kg) 耕地表层:0.050.3%(0.53.0g/kg); 底土:0.020.1% 肥土(草原土,森林土)表层:0.50.6%,2、存在形态 (1)有机态:占全氮的95%以上。 按溶解性和水解性分: 水溶性有机氮(占全氮的5%):主为简单氨基酸,酰胺类
40、 水解性有机氮(占全氮的5070%):主为蛋白质,多肽,核酸 非水解性有机氮(占全氮的3050%):主为杂环态氮,*水解态氮:用酸、碱或酶处理能水解为溶性态的氮,(2)无机态氮植物吸收的主要形态,种类:NH4+,NO3-,NO2-,N2 含量:占全氮的12%(表土) 状态:固定态(晶格NH4+),交换态(NH4+),水溶态(NO3-,NH4+),3、特征:腐殖质与全氮呈正相关 无机态氮变化大,4、土壤氮素供应状况评价,全氮供氮潜力 水解氮供氮水平 无机氮供氮强度,土壤中能被植物利用的氮素形态,有机氮 主要的有氨基酸和酰胺 无机氮 铵态氮 硝态氮,植物吸收的主要氮素形态,二 影响土壤含氮量的因素,1 植被:草本木本,豆科非豆科,阔叶林针叶林,2 气候:通过温度、湿度影响,湿度:湿度因素(H)=降雨量/蒸发量 H土壤氮素,N=A(1-e-cH),温度: H一定时,温度,土壤氮素,N=ce-kt,3 质地:粘土中壤土轻壤土砂土,4 地势、地形:通过温度、湿度影响,5 耕地利用:水田旱地,总的来看,影响有机质含量的因素都会影响氮素含量,三 土壤氮素的有效化和无效化过程及其调节,2 无
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