植物营养的土壤化学(降班)

1、名词解释1.硅氧四面体和铝氧八面体：硅氧四面体：简称四面体，其基本结构是由一个硅离子（Si4+）和四个氧离子（O2-）所构成，排列方式是以三个氧离子构成三角形为底，硅离子位于底部三个氧离子之上的中心低凹处，第四个氧则位于硅离子的顶部，恰恰把硅离子盖在氧离子的下面。像这样的构造单位，若链接相邻的三个氧离子的中心，可构成假想的四个三角形的面，硅离子位于这四个面的中心，所以我们称这种结构单位为硅氧四面体。铝氧八面体：八面体基本的结构是由一个铝离子（Al3+）和六个氧离子（O2-）或氢氧离子所构成。六个氧离子或氢氧离子排列成两层，每层都由三个氧离子或氢氧离子排列成三角形，但上层氧的位置与下层氧交错排列

2、，铝离子位于两层氧的中心空穴内。像这样的构造单位，若连接相邻的三个氧离子的中心，可构成假想的八个三角形的面，铝离子位于这八个面的中心，所以我们称这种单位为铝氧八面体。2.永久电荷和可变电荷：永久电荷：成矿过程中由不同价离子在矿物晶格内相互同晶置换所产生的电荷，不受介质pH值和电解质浓度的影响而被称为永久电荷。（具有这种电荷的表面叫带永久电荷的表面）可变电荷：土壤中的有机质、金属氧化物、水合氧化物和氢氧化物的表面以及层状硅酸盐矿物的断键边面，从介质中吸附离子或向介质中释放质子所产生的，随介质pH和电解质浓度变化而变化的电荷，称为可变电荷。2 / 163.专性吸附（化学吸附）和物理吸附专性吸附（化

3、学吸附）：在含大量浓度的介质离子时（103倍以上），或在吸附自由能中非静电因素的贡献比静电因素贡献大时，土壤对痕量待测离子的吸附作用称为专性吸附。（其特性有：1）专性吸附是依靠化学作用/非静电因素，包括化学键（共价键、配位键）、氢键；2）发生在双电层内层，吸附离子在表面形成化学键，可发生于同电性表面；3）其反应不可逆或不完全可逆，不遵守质量作用定律；4）专性吸附可改变体系pH值和表面电荷，吸附阳离子，代换出H+，使体系的pH值降低，表面正电荷增加，吸附阴离子，代换出OH-,使体系pH值升高，表面负电荷增加；5）主要影响因素有被吸附离子，胶体本性和pH值；6）主要载体：有机质和氧化物，专性吸附是

4、pH值函数，整个曲线为S形；7）代表离子:H2PO4-,Cu2+/Zn2+,Ni2+,Pb2+）物理吸附：这种类型吸附是通过土壤离子间的静电引力和热运动的平衡作用，将离子保持在双电层的外层，即扩散层；具有可逆性，可以等当量互相置换，并遵守质量作用定律。（一般高价离子比低价离子易吸附，同价离子，水合半径小的优先被吸附，非专性吸附的吸附量大小除随本身浓度增加而增加外，主要受电荷和电位决定；在可变电荷表面，电荷受pH值影响，电解质和陪伴离子的类型、共价离子及其浓度、溶剂的价电常数和温度等，都对非专性吸附有不同程度的影响。）4.扩散和质流扩散：当根系截获和质流作用不能向植物提供足够的养分时，根系不断的

5、吸收可使根表有效养分的浓度明显降低，并在根表垂直的方向上出现养分浓度梯度差，从而引起土体养分顺浓度梯度向根表运输，这种养分的迁移方式叫养分的扩散作用。一般来讲，只要出现养分的浓度梯度，就会发生养分从高浓度区向低浓度区的扩散转移，这种迁移一般具有速度慢距离短的特点。质流：植物的蒸腾作用和根系吸水造成根表土壤与土体之间出现明显水势差，土壤溶液中的养分随着水流向根表迁移，称为质流。养分通过质流方式迁移的距离比扩散的距离长，某种养分通过质流到达根部的数量，取决于植物的蒸腾率和土壤溶液中该养分的浓度。5.土壤有机质的矿质化和腐殖质化土壤有机质的矿质化与腐殖质化：土壤有机质的转化包括矿质化和腐殖化两个过程

6、，前者是复杂的有机质分解转化为简单的无机物的过程，后者是分解中间产物合成复杂的胶体状态的高分子聚合物的过程。矿化过程：有机化合物在微生物酶的作用下发生氧化反应，彻底分解而最终释放出二氧化碳、水和能量，所含氮、磷、硫等营养元素在一系列特定反应后，释放成为植物可利用的矿质养料，这一过程称为有机质的矿化过程。腐殖质化：各种有机化合物通过微生物的合成或在原植物组织中的聚合转变为组成和结构比原来有机化合物更为复杂的新的有机化合物，这一过程称为腐殖质化过程。6.硝化和反硝化硝化：指铵态氮转化为硝态氮的氧化过程总称为硝化作用。其过程分为两个阶段进行，第一步由亚硝酸细菌把铵态氮氧化为亚硝态氮；第二步是由硝化细

7、菌把亚硝酸盐氧化为硝酸盐。反硝化：是指通过微生物把硝态氮还原为气态氮的过程。反硝化作用通常在嫌气条件下进行，一般是微生物得不到必须的氧气时，利用硝态氮作为电子受体，而产生还原性氮。反硝化过程首先是把硝态氮还原为亚硝态氮，这是通过硝酸还原酶进行的，然后经过一系列中间产物，最后生成氧化亚氮或氮气。5.吸附和交换：吸附：离子吸附指土壤颗粒与离子之间的相互作用，土壤胶体本身带有负电荷，可以将溶液中的阳离子吸附在自己表面，这种吸附式通过静电引力进行的。交换：离子交换是离子与离子之间的相互作用。土壤胶体吸附的阳离子，在土壤溶液中存在着其他阳离子，溶液中的阳离子可以将胶体中的阳离子代换下来，即溶液中的离子与

8、胶体表面的阳离子互换位置，这种现象称为离子交换。1. 土壤中的层状硅酸盐有哪几类？试以高岭石、伊利石和蒙脱石为例，说明土壤中的常见硅酸盐矿物的性质？答：层状硅酸盐根据其构造特点和性质，分为4个类组：高岭组（1：1型矿物）、蒙蛭组（2：1型膨胀性矿物）、水化云母组（2：1型非膨胀性矿物、或伊利组矿物）、绿泥石组。高岭石：属1：1型矿物，晶层有一层硅片和一层铝片重叠而成，硅片和铝片的比例为1：1，晶层电荷为零，晶层与晶层间没有阳离子，氧和氢氧离子是通过氢键直接连接的，所以高岭石膨胀性非常小。由于晶层内部硅片和铝片中没有或极少同晶替代现象，其负电荷来源主要是晶体外表面断键或是晶体边面IH基在碱性及中

9、性条件下的离解，因此阳离子代换量较低，一般只有3-15cmol（+）/Kg。高岭石胶体性质弱，颗粒胶其它的硅酸盐粘土矿物粗，可塑性、粘结性吸湿性都较弱。高岭石在我国南方热带和亚热带土壤中普遍存在。蒙脱石：属于2：1型晶层矿物，有二层硅片夹一层铝片构成，硅片和铝片的比例为2：1。该组矿物晶层的顶层和底层两个基面都由Si-O面所构成，当两个晶层相互重叠时，晶层相互间只能形成很小的分子引力。晶层间的结合力很弱，故晶层的胀缩性很大。蒙脱石同晶替代现象普遍，主要发生在铝片中，一般是Mg2+代替Al3+，使粘土矿物带有大量的负电荷，其阳离子交换量可高达80-120 cmol（+）/Kg。同时由于蒙脱石颗粒

10、呈片状，其总表面积大，80%为内表面，因此可塑性、粘结性和吸湿性都很显著，对耕作不利，蒙脱石在我国东北、华北和西北地区土壤中分布广泛。伊利石：晶层结构与蒙脱石相似，由两层硅片夹一层铝片组成，硅片和铝片的比例也为2：1。伊利石晶层间吸附有钾离子，钾离子半陷在晶层层面6个氧离子所构成的晶穴内，它同时受相邻两晶层负电荷的吸附，因而对相邻两晶层产生了很强的键联效果，连接力很强，使晶层不易膨胀。伊利石同晶替代较普遍主要发生在硅片上，但部分电荷被K+所中和，阳离子交换量介于高岭石和蒙脱石之间，20-40 cmol（+）/Kg。由于伊利石颗粒大小介于高岭石和蒙脱石之间，因此其可塑性、粘着性和吸湿性都介于高岭

11、石和蒙脱石之间。伊利石广泛分布于我国多种土壤上，尤其在西北、华北干旱地区土壤上含量较高。2什么是土壤胶体电荷零点（PZC）？金属离子价数和土壤离子的专性吸附对PZC有什么影响？电荷零点：在土壤可变电荷中，溶液偏酸或是偏碱都会使粘粒表面电荷发生变化，若在某一个pH值时，粘粒表面既不带正电荷，也不带负电荷，其表面电荷等于零，这时的体系pH值称为电荷零点。电荷零点是具有羟基化可逆表面胶体的一项重要参数。当溶液的pHPZC时，表面-OH失去H+，在氧化物表面上带负电荷。1） 金属离子价数对PZC的影响：PZC首先决定于金属离子（M）对电子亲和力的大小，M价数与PZC有一定关系：一价离子氧化物（M2O）

12、PZC11.5;二价离子氧化物（MO）8.5PZC12.5三价离子氧化物（M2O3）6.5PZC10.5四价离子氧化物（MO2）0PZC7.5其他离子氧化物（M2O5 、MO3）PZC52）土壤中主要粘粒和氧化物的PZC：PZC有一定范围，因为受水化程度的影响。2） 土壤PZC取决于矿物组成。PZC受专性吸附影响：专性吸附阴离子（H2PO4，F-）,PZC降低专性吸附阳离子（Cu2+，Zn2+）,PZC升高3根据土壤磷酸平衡关系，说明酸性土壤和碱性土壤中磷酸根的主要形态；并分析说明为什么土壤溶液中磷酸根的含量通常不会超过1ppm？ 答：1）土壤溶液中以正磷酸盐（H3PO4）为主，其形态也最为稳

13、定。H3PO4是三元酸，可逐步解离，形成3种磷酸根：H3PO4 =（K1） H2PO4- + H+ =(K2) HPO42- + H+ =(K3) PO43- + H+25 oC 时的解离常数分别为：K1= H+ H2PO4-/ H2PO4-=7.5 10-3 (1)K2= H+ HPO42-/ H2PO4-=6.3 10-8 (2)K3= H+ PO43-/ HPO42-=4.4 10-13 (3)从这些式子可看出，解离常数不但决定于各个酸根之间的浓度比，而且还和氢离子的浓度有关，把上式还算为pK值，可得出：可见，解离常数不仅取决于各磷酸根的浓度比，而且与H+浓度有关。取负对数，得：pK1=

14、pH-lg H2PO4-/ H2PO4-=2.16 (4) pK2=pH-lg HPO42-/ H2PO4-=7.20 (5) pK3=pH-lg PO43-/ HPO42-=12.32 (6)可见，各种磷酸根离子在溶液中的浓度比和pH有关。在不同的pH溶液中，各种磷酸根离子的浓度时不相等的。游离酸根只在pH4一下的溶液中存在，在pH3-7范围内，以H2PO4-为主。在pH7-12范围内，以HPO42-为主，一般土壤在pH4-9，因此可以认为，在酸性土壤溶液中以H2PO4-为主，而在碱性土壤中以HPO42-为主。2）磷酸铁、铝是酸性土壤上主要的固相磷酸盐矿物。土壤溶液中的磷酸离子的浓度在很大程

15、度上也决定于磷酸铁、铝矿物的溶解度。土壤中的磷酸铁、铝矿物主要是磷铝石、粉红磷铁矿和其中间产物磷铝铁石，都是溶解度很小的化合物，只有10-3510-29，在pH5左右条件下，与固相平衡的H2PO4-浓度也不会超过10-510-6mol/L（相当于0.3-0.03mg/Kg）,4.试以土壤氮转化-损失的某一途径（硝化、反硝化、氨挥发）为例，论述怎样合理施肥才可有效控制氮的损失？反硝化作用是通过微生物把硝态氮还原为气态氮的过程。这一过程通常导致土壤有效氮的损失。反硝化过程通常在嫌气条件下进行，一般是微生物得不到必需的氧气时，利用硝态氮作为电子接受体，而产生还原性氮。反硝化作用进行的条件包括通气性、

16、酸度和温度，其中通气性是最关键的条件，因此保持良好的排水条件是减少氮肥损失的重要条件。此外pH在酸性条件下，发生较弱，随着pH升高而逐渐增强，pH7.5-8.2时最快，大于8.2时又抑制反硝化作用。温度也是影响反硝化的因素之一，在小于2-3C时，很少有反硝化现象产生，但在10C以上则反硝化随温度上升而加强，直至75C后才开始下降，因此在田间，反硝化作用随温度升高会逐渐加强。因此，在旱地土壤中，加强排水和不断松土，使土壤含水量保持在田间持水量以下，并增加土壤的通气性，能有效地控制反硝化作用。而在水田中，由于经常渍水，还原性较强，由于反硝化作用造成的氮素损失每天多达10mgKg以上，防止氮素损失的

17、主要途径，主要是减少硝态氮的形成，如氮肥深施、耘田破坏氧化层等，对减少反硝化作用有一定效果。5试根据粘粒矿物的结构特点，说明伊利石类矿物层间K有效性较低（属于非交换态）伊利石的构造和蒙脱石很相似，不同之处为：由同晶代换引起的净电荷，伊利石每晶胞为1.3-1.5，蒙脱石大约为0.65，伊利石上剩余电荷的位置多半在四面体片中，与单位晶层的表面接近，把持平衡离子的力量强，平衡离子是钾离子，而钾离子是12配位，正好镶嵌在上、下硅氧片的六角网孔之中，故伊利石构造单位晶层是比较固定的，极性离子不容易进入层间，其平衡的阳离子不能交换，所以不能引起膨胀。蒙脱石的同晶代换作用主要是在八面体片中，即在单位晶层的中央，对平衡离子的吸附能力较弱，故代换性和膨胀性都比伊利石强。 6南方土壤和北方土壤有机硫矿化有什么不同？试从元素态硫氧化的环境因素，分析说明硫磺的合理施用技术。1）南方土壤一般pH较低，同时降雨也较多，不利于有机硫的矿化，有机硫矿化需要较高的pH值，一般在pH7以下，矿化速率和pH值呈直线相关；pH以上，矿化速率更快，因此在南方酸性土壤上施用石灰，有利于有机硫的释放。而北方土壤pH值较南方土壤高，且多为旱作或灌溉农业，土壤通气状况良好，有利于有机硫的矿化。2）元素态S的氧化需要较好的通气条件，土壤通气条件好，有利于元素S氧化，因此施用S肥后要保持土壤通气，减少渍水。其次是温度，S的氧