第2章 第4节 土壤化学性质及其生态效应 环境土壤学

1、第四节第四节 土壤吸收与溶液特征及土壤吸收与溶液特征及其生态功能其生态功能目录 第一部分、土壤吸收性能第一部分、土壤吸收性能 第二部分、土壤溶液性能第二部分、土壤溶液性能一一、概、概述述（一）土壤机械吸收（一）土壤机械吸收: : 土壤固相部分是一个疏松多孔体，当土壤溶液经过时，对土壤固相部分是一个疏松多孔体，当土壤溶液经过时，对物质进行过滤、阻滞、截流和保持。物质进行过滤、阻滞、截流和保持。如土壤中如土壤中 的粘粒淀积层的发育的粘粒淀积层的发育 与其密切相与其密切相关；关；（二）土壤物理吸收：依靠土壤颗粒表面能和水的存在，静电引力吸附和保持分（二）土壤物理吸收：依靠土壤颗粒表面能和水的存在，静

2、电引力吸附和保持分子态物质，如子态物质，如COCO2 2，NHNH3 3，H H2 2O O，H H2 2，有机酸等，可，有机酸等，可使一些养分物质免于淋失使一些养分物质免于淋失。（三）土壤化学吸收：土壤溶液可溶性物质经化学反应生成难溶性物质而沉淀，（三）土壤化学吸收：土壤溶液可溶性物质经化学反应生成难溶性物质而沉淀，如如H H2 2POPO4 4- -及及HPOHPO4 42-2-与与CaCa2 2+ +，FeFe3 3+ +，AlAl3 3+ +，形成沉淀，导致磷固定。，形成沉淀，导致磷固定。 化学化学吸收可以让养分流失也降低了养分有效性。吸收可以让养分流失也降低了养分有效性。（四）土壤生

3、物吸收：生物有机体对养分选择吸收，并以有机质形式在土壤中积（四）土壤生物吸收：生物有机体对养分选择吸收，并以有机质形式在土壤中积累过程，在通过微生物分解，将养分释放供植物利用。累过程，在通过微生物分解，将养分释放供植物利用。（五）土壤物理化学吸收：土壤胶体对溶液中的离子态物质的吸附作用。对土壤（五）土壤物理化学吸收：土壤胶体对溶液中的离子态物质的吸附作用。对土壤离子态物质迁移，养分供给，土壤缓冲性有重大影响。离子态物质迁移，养分供给，土壤缓冲性有重大影响。土壤吸收性能：土壤具有保持固相、液相和气相物质的能力土壤吸收性能：土壤具有保持固相、液相和气相物质的能力第一部分第一部分 土壤吸收性能土壤吸

4、收性能二、土壤胶体及其性质二、土壤胶体及其性质2.1 土壤胶体及结构土壤胶体及结构 土壤胶体土壤胶体：直径为小于：直径为小于2m（分类制不一样，规定不一样，（分类制不一样，规定不一样，1,2,5m都可以）都可以）土壤黏粒的通称。可以是矿质的，即土壤黏粒的通称。可以是矿质的，即土壤矿质胶土壤矿质胶体体(无机胶体无机胶体)，主要是，主要是次生的黏粒矿物次生的黏粒矿物。也可以是有机的，即。也可以是有机的，即土壤有机胶体土壤有机胶体，主要是，主要是多糖、蛋白质和腐殖质多糖、蛋白质和腐殖质。多数情况下是。多数情况下是有机矿质复合体，即核心部分是黏粒矿物，外面是有机胶膜，有机矿质复合体，即核心部分是黏粒矿

5、物，外面是有机胶膜，被吸附在矿质胶体表面。被吸附在矿质胶体表面。 胶体（英语：Colloid）又称胶状分散体（colloidal dispersion）是一种均匀混合物，在胶体中含有两种不同状态的物质，一种分散，另一种连续。分散的一部分是由微小的粒子或液滴所组成，分散质粒子直径在1nm100nm之间的分散系；胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，这是一种高度分散的多相不均匀体系。(豆浆，牛奶)2.2 土壤胶体的作用： 土壤胶体是土壤中最细小、最活跃的物质，对土壤保肥性、保水性、酸碱性、缓冲性、土粒的分散与凝聚、土体的膨胀与收缩、松紧度与可耕性等影响很大；也是土壤污染物

6、清除所要研究的核心内容。土壤胶体构造图示2.3 胶体结构：胶体结构：胶体核胶体核带有电荷，形成决定电位决定电位离子层离子层，其外围吸附着介质带有异电荷离子，构成了补偿离子层补偿离子层，使胶体具有双电层结构。双电层结构。 胶体微粒胶体微粒 胶核胶核 双电层双电层 决定电位离子层（内决定电位离子层（内） 补偿离子层（外）补偿离子层（外） 非活性离子层非活性离子层扩散层扩散层 2.4 土壤胶体的性质土壤胶体的性质（1）具有较大的比表面积，包括外表面积和内表面积，因此具有表面能，是土）具有较大的比表面积，包括外表面积和内表面积，因此具有表面能，是土壤具有物理吸附性能的动力机制壤具有物理吸附性能的动力机

7、制。我国几种主要土壤的比表面积：砖红壤 6080m2g-1；红壤 100150m2g-1；黄棕壤 200300m2g-1 ，总之：2：1型粘土矿物和有机质的含量越高，土壤的比表面积越大。胶体成分内表面积外表面积总表面积蒙脱石（2:1）高岭石（1:1）700-750015-1505-40700-8505-40（2）土壤胶体带有电荷，主要是带负电荷，分为永久电荷和可变电荷）土壤胶体带有电荷，主要是带负电荷，分为永久电荷和可变电荷2.4 土壤胶体的性质土壤胶体的性质永久电荷永久电荷：同晶置换作用及晶层断键产生的电荷，一旦产生，不会改变。 同晶置换：同晶置换：指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的

8、离子所替代而晶格构造保持不变的现象。同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子,使土壤具有保肥能力。主要发生在2:1和2:1:1型的粘土矿物中，如四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中Al3+被Mg2+替代。 晶层断键：晶层断键：粘土矿物晶格边缘存在断键现象，导致晶体电荷不平衡，在硅氧片，铝氧片中都存在，也是1:1型粘土矿物主要带电方式型粘土矿物主要带电方式，如高岭石同晶置换Al3+晶层断键）基面OH边面断键2 .4 土壤胶体的性质土壤胶体的性质可变电荷：可变电荷：主要是胶核表面分子或原子团电离而产生的电荷，这种电荷的数量和性质随土壤环境的pH值而变化。碱性条

9、件-负电荷， 酸性条件-正电荷A.A. 含水氧化硅的解离B.B. 粘粒矿物的晶面上的OH和H的解离C.C. 腐殖质上某些官能团的解离D.D. 含水氧化和水铝石表面的分子中OH的解离MOHOH2OH-MOHOH+ H2O_H+MOH2OH2+（3）土壤胶体的电位）土壤胶体的电位2 .4 土壤胶体的性质土壤胶体的性质热力电位：决定电子层与溶液介质间的电位差电动电位：非活性补偿离子层与溶液介质间的电位差电动电位决定电动电位决定的胶体的电性的胶体的电性强弱强弱电位又称电势，是指单位电荷在静电场静电场中的某一点所具有的电势能电势能。电位是电能的强度因素，它的大小取决于电势零点的选取，其数值只具有相对的意

10、义。 2. 4 土壤胶体的性质土壤胶体的性质（4）溶胶和凝胶）溶胶和凝胶土壤胶体一般以溶胶和凝胶形态存在，两者一定条件下可以相互转化。凝聚作用分散作用溶溶 胶胶凝凝 胶胶土壤胶体的凝聚和分散堆土壤物质的聚集和淋土壤胶体的凝聚和分散堆土壤物质的聚集和淋溶，土壤结构的形成和破坏以土壤肥力具有重溶，土壤结构的形成和破坏以土壤肥力具有重要作用要作用同电荷排斥作用、颗粒表面水层膜的阻隔作用以及在碱性条件下，促进胶体分散电解质（阳离子）加入、降低pH值，中和胶体负离子而促进凝胶发生。三、土壤的离子交换作用三、土壤的离子交换作用1 土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用土壤胶体上的离子可以与液相介质中带有同种

11、电荷的离子进行交作用。分为阳离子阳离子交换作用和阴离子阴离子交换作用。 被土壤中带有负电荷的胶体吸附的阳离子与土壤溶液其他阳离子进行交换的作用。1 土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用阳离子交换作用的特点：阳离子交换作用的特点：（1）阳离子交换作用是可逆反应。能迅速达到动态平衡，并随溶液中离子的种类和浓度改变而达到新的平衡（2）阳离子交换的平衡关系受质量作用定律的支配。（3）交换是等当量进行的。以离子价进行等价交换，如一个Ca2+可以交换2个Na+离子1 土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用阳离子交换作用的影响因素阳离子交换作用的影响因素（1）阳离子 交换能力 离子价数：价数越大交换能力越强

12、Al 3+Ca 2+Na +原子序数：等价离子间，序数越大交换能力越强，K +Na +Li +运动速度：移动速度交换能力越强，如H+，离子浓度：离子浓度越大，交换能力越强（2）胶体特性胶体种类：无机胶体（粘土矿物）中，蒙脱石伊利石高岭石； 有机胶体无机胶体土壤反应：pH值增大，土壤胶体的负电荷数量增大， 而吸附阳离子能力增大，pH值小，胶体正电荷 增大，吸附阳离子能力减少综合以上因素，常见土壤离子交换能力为：Fe3+Al3+H+Mg2+NH4+K+Na+1 土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用阳离子交换作用的度量指标阳离子交换作用的度量指标（1）阳离子交换量（CEC, Cation Excha

13、nge Capacity ）: 每千克土所含 的全部交换性阳离子的厘摩尔数(c mol.kg-1).阳离子交换量是标志土壤吸附阳离子养分的能力，是评价土壤肥力的一个关键指标 CEC 20保肥能力低中高阳离子交换量的测定： 乙酸铵交换法 土壤胶体所吸附的阳离子包括土壤胶体所吸附的阳离子包括2大类，盐基离子和致酸离子，大类，盐基离子和致酸离子，阳离子交换量为两阳离子交换量为两类阳离子吸收量总和类阳离子吸收量总和）第一类第一类：氢离子（H+）和铝离子（Al3+），它们是致酸离子，与土壤的酸度有密切关系。第二类：第二类：其他的一些阳离子，如Ca2+、Mg2+、K+、NH4+等，称为盐基离子。1 土壤阳

14、离子交换作用土壤阳离子交换作用阳离子交换作用的度量指标阳离子交换作用的度量指标（2）盐基饱和度：是指土壤胶体所吸附的盐基离子占阳离子交换量的百分比阳离子交换量：表达土壤吸附的容量，不能显示吸附种类盐基饱和度：表达吸附的各类阳离子的比例关系 盐基饱和度（盐基饱和度（%）=交换性盐基交换性盐基 100 / 阳离子交换量阳离子交换量 =（阳离子交换量（阳离子交换量-交换性酸量）交换性酸量） 100 / 阳离子交换量阳离子交换量2 土壤阴离子交换作用土壤阴离子交换作用 土壤中带正电荷的胶体所吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子进行的交换作用。土壤常见阴离子：H2PO4-，HPO42-，Cl-, NO3-

15、过程较为复杂，吸附作用常与化学固定作用同时发生, 吸附机理一般包括专性吸附和非转性吸附。非专性吸附：符合常规离子交换法则。专性吸附; 吸附的阴离子进入胶体双电层内部，不是在扩撒层。质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳离子交换量也越大土壤有机质含量多，阳离子交换量大胶体构造： 蒙脱石（2:1）高岭石（1:1）pH值 一般情况下，随着pH的升高（碱性增加），土壤胶体带负电，提高交换量；土壤趋于酸性，胶体带正电，阳离子交换量低。由于土壤胶体来源是次生黏土矿物和有机质，二者受到生物、气候的地由于土壤胶体来源是次生黏土矿物和有机质，二者受到生物、气候的地带性因素影响，所以阳离子交换量具有一定地带性规

16、律。我国土壤阳带性因素影响，所以阳离子交换量具有一定地带性规律。我国土壤阳离子交换量由北向南，由西向东为增多趋势。离子交换量由北向南，由西向东为增多趋势。从北到南，次生矿物由从北到南，次生矿物由1:11:1型过渡到型过渡到2:12:1，有机质相对增多，阳离子交换，有机质相对增多，阳离子交换量增多趋势。内陆（由东到西）有机质含量少，次生黏土矿物少，阳量增多趋势。内陆（由东到西）有机质含量少，次生黏土矿物少，阳离子交换量也减少。离子交换量也减少。3 土壤阳离子交换作用与地理环境关系土壤阳离子交换作用与地理环境关系质地砂土砂壤土壤土粘土CEC157815182530（1）影响阳离子交换量的因素）影响

17、阳离子交换量的因素气候：湿润气候淋溶型盐基饱和度低，致酸离子多（酸性）； 干旱气候非淋溶型盐基饱和度高，致酸离子少（碱性）地形: 地下水位高的低洼地，产生渗出水分，地上部积盐，盐基饱和 度高；母质：母质富集盐分导致现代土壤的盐基饱和度高；植被：草本植物和木本植物富含灰分元素，分解释放养分，导致盐基 饱和度高。3 土壤阳离子交换作用与地理环境关系土壤阳离子交换作用与地理环境关系（2）盐基饱和度的影响因素）盐基饱和度的影响因素第二部分 土壤溶液化学性质一、土壤溶液的形成1 1 土壤溶液的形成土壤溶液的形成土壤溶液是土壤水分及其所含气体、溶质的总称。土壤溶液的溶质主要包括：无机盐类；简单有机物；溶解

18、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互作用。土壤溶液的浓度一般不大，很少超过0.1%，所以土壤溶液是不饱和溶液。一、土壤溶液的形成2 2 土壤溶液与地理环境的关系土壤溶液与地理环境的关系（1）气候因素：降水和蒸发量影响土壤溶液的浓度；（2）生物因素：植物根系分泌物质，同时吸收养分改变 溶液成分和浓 度；微生物活动也是如此。（3）地形和水文：地下水和地表水的运移和分布影响土壤溶液的组分和 浓度；（4）土体内的物质迁移：矿物质、有机质分解转化、固相物质沉淀和溶 解，以及离子交换，气体交换，胶体的分散和凝聚。 影响土壤溶液。（5）人为因素：施肥和灌溉盐类物质：中性盐、酸

19、性盐、碱性盐、苛性碱；酸类物质：碳酸、腐殖酸、有机酸以及含硫、氯矿物形成的硫酸、盐酸离子交换作用：胶体吸附的H+和Al3+通过交换作用进入土壤溶液；生物活动：微生物分泌CO2，植物根系分泌H+，OH-，HCO3-，CO32-人类活动：施肥、工矿废弃的酸碱物质排放，大气酸沉降二、土壤溶液的酸碱反应1 1 土壤溶液的酸碱反应的物质基础土壤溶液的酸碱反应的物质基础二、土壤溶液的酸碱反应2 2 土壤溶液的酸度土壤溶液的酸度（1）活性酸）活性酸(soil active acidity) 土壤活性酸是自由扩散于土壤溶液中的氢离子浓度直接反应出来的酸度。 pH=log（1/H+)=-log H+（2）潜性酸

20、潜性酸 (soil potential acidity)(soil potential acidity)。 土壤潜性酸是由于土壤胶粒上吸附着氢离子和铝离子所造成的显出酸性，所以它是土壤酸的潜在来源，故称为潜性酸。土壤胶体上吸附的氢、铝离子所反映的潜性酸量。可用交换性酸度和水解酸度表示。潜性酸无法直接测定通常采用如下方法测定：二、土壤溶液的酸碱反应 交换性酸度交换性酸度(soil exchangeable acidity)(soil exchangeable acidity) 当用中性盐溶液如1mol KCl或0.06mol BaCl2溶液(pH=7)浸提土壤时,土壤胶体表面吸附的铝离子与氢离子

21、的大部分面吸附的铝离子与氢离子的大部分均被浸提剂的阳离子交换而进入溶液，浸出液中的氢离子及由铝离子水解产生的氢离子，用标准碱液滴定,根据消耗的碱量换算,为交换性氢与交换性铝的总量,即为交换性酸量(包括活性酸)。以厘摩尔（）/千克）为单位，它是土壤酸度的数量指标。 交换性酸量在进行调节土壤酸度，估算石灰用量时，有重要参考价值。二、土壤溶液的酸碱反应 水解性酸度水解性酸度(soil hydrolytic acidity)(soil hydrolytic acidity) 用弱酸强碱的盐类溶液（常用的为pH8.2的 1mol NaAc溶液）浸提, 再以NaOH标准液滴定浸出液,根据所消耗的NaOH的

22、用量换算为土壤酸量。这样测得的潜性酸的量称之为土壤的水解性酸。 结果使:交换程度比之用中性盐类溶液更为完全，土壤吸附性氢、铝离子的绝大部分可被Na+离子交换。水化氧化物表面的羟基和腐殖质的某些功能团（如羟基、羧基）上部分H+解离而进入浸提液。（3 3）活性酸和潜性酸的关系）活性酸和潜性酸的关系 活性酸是土壤酸度的起源，代表土壤酸度的强度；活性酸是土壤酸度的起源，代表土壤酸度的强度； 潜在酸是土壤酸度的主体，代表土壤酸度的容量。潜在酸是土壤酸度的主体，代表土壤酸度的容量。由于土壤溶液中的由于土壤溶液中的H+H+和和Al+Al+和土壤胶体吸附的和土壤胶体吸附的H+H+和和Al+Al+的动态平衡的，

23、的动态平衡的，活性性和潜在酸是相互转化的活性性和潜在酸是相互转化的土壤总酸度活性酸度潜在酸度土壤强酸土酸性土中性土碱性土强碱性土pH8.5适宜植物生长的土壤pH值为5.5-8.5之间根据活性酸度的大小，可以将土壤分类如下表：二、土壤溶液的酸碱反应3 3 土壤溶液的碱度土壤溶液的碱度 取决于土壤中强碱弱酸盐类含量，主要是碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钙的含量以及土壤胶体吸附的交换性钠的含量。（pH值7.5就是碱性土壤）例：Na2CO3+2H2O=2NaOH+H2CO3表达方法（a） 用pH值直接表示 （b）总碱度；土壤溶液的CO32-和HCO3-的浓度之和， 总碱度大于0.05%影响植物生长； （c）碱

24、化度；土壤交换性钠的含量占阳离子交换量的比值， 碱化度15%，就为碱化土壤碱化度交换性钠阳离子交换量100测定方法：二、土壤溶液的酸碱反应4 4 土壤酸碱度对土壤的作用土壤酸碱度对土壤的作用土壤酸碱度影响矿物质分解强度、微生物的活动和有机质的转化、土壤离子交换作用、土壤元素的状态和迁移能力。进而影响植物生长。我国土壤的酸碱性反应，大多数在我国土壤的酸碱性反应，大多数在pH4.5-pH4.5-8.58.5之间。在地理分布上有之间。在地理分布上有“东南酸西北东南酸西北碱碱”的规律性。大致可以长江为界（北纬的规律性。大致可以长江为界（北纬3333 ），长江以南的土壤为酸性或酸性，），长江以南的土壤为

25、酸性或酸性，长江以北的土壤多为中性或碱性。我国土长江以北的土壤多为中性或碱性。我国土壤 的 酸 碱 性 南 北 差 异 很 大 。壤 的 酸 碱 性 南 北 差 异 很 大 。二、土壤溶液的酸碱反应5 5 土壤酸碱改良土壤酸碱改良土壤酸度或者碱度过强，使土壤理化性质很差，影响作物生长，需要改良。改良过酸土壤：改良过酸土壤：施用石灰Ca(OH)2，中和土壤酸度，Ca2+能代换土壤胶体中的H+和Al3+离子，改良潜在酸性。改良过碱土壤：改良过碱土壤：施用石膏CaSO4，中和强碱物质，形成中性盐，结合灌溉洗盐，改良效果好，SO42-也可以作为硫养分供植物吸收。二、土壤溶液的酸碱反应6 6 土壤的酸碱

26、缓冲作用土壤的酸碱缓冲作用土壤对酸碱的缓冲性能土壤对酸碱的缓冲性能是指土壤系统具有的抵抗因外界因子作用引起的酸碱剧烈变化的性能，以保持土壤酸碱稳定的性能。（1）土壤胶体的缓冲作用（2）碳酸及其盐类的缓冲作用 H2CO3 H+ + HCO3- Na2CO3 2Na+ + CO32-（3）Al3+的碱的缓冲作用2Al（H2O）3+6+2OH- Al2（OH）2（H2O)84+ +4H2O土壤的缓冲作用能为植物生长提供比较稳定的生长环境，但有一定容量，当外界干扰作用超出土壤的缓冲容量，土壤的缓冲作用消失。三、土壤溶液的氧化还原反应1 1 土壤氧化还原作用和氧化还原电位土壤氧化还原作用和氧化还原电位 在土壤里普遍存在着各种氧化还原反应，氧化还原