土壤流体组成及其诊断和治疗特性

1、【知识结构】第四章 土壤形成因素学说第一节 土壤空气及其运动第二节 土壤热量状况第三节 土壤水分及其特性第四节 土壤分散系及其特征【目的要求】1、掌握土壤流体物质组成及其主要诊断特性2、了解土壤空气及其运动、掌握土壤热量状况3、认识土壤水类型、土水势及土壤水分状况4、理解土壤分散系及其中物质转化过程5、掌握土壤肥力与生态环境功能【重点难点】 1、掌握土壤流体物质组成及其主要诊断特性2、了解土壤空气及其运动3、土壤水类型、土水势及土壤水分状况4、土壤分散系及其中物质转化过程5、土壤肥力与生态环境功能 土壤空气是土壤的重要组成成分，它和土壤水分共同存在于土壤孔隙之中，是影响土壤肥力与土壤自净能力的

2、因素之一。土壤空气的组成与大气层中空气的组成有明显的不同。第一节 土壤空气及其运动一、土壤空气来源与组成特点来源：近地大气层组成特点：1.CO2含量高于大气,氧气含量低于大气2.一般水气饱和3.含较多复原性气体二、土壤气体交换过程1、分子扩散 土壤中不断进行的动植物呼吸作用和微生物对有机质物的生物化学分解作用，使得土壤空气中O2不断消耗和CO2逐渐累积，其结果是土壤空气中O2、CO2浓度与近地层大气中O2、CO2浓度之间差异的扩大，必然引起O2、CO2气体分子扩散的发生，亦称土壤的呼吸作用。图3-1 土壤空气与近地大气之间气体扩散过程示意图2、整体交换近地大气层空气的湍流运动引起土壤与大气之间

3、的空气交换过程。第三节土壤水分及其特性一、土壤水分的意义土壤水是土壤的最重要组成局部之一，约占土壤组成的25。重要性主要表达在：1)水分是植物生长发育不可缺少的因子。2)土壤水分是土壤形成、发育的催化剂。3)土壤水分运动是全球水循环的重要环节。全球水分循环示意图 (据Botkin D B, 1998) 土壤水分的来源大气降水灌溉水地下水土壤水分的损耗土壤地面蒸发水分渗漏植物吸收和蒸腾径流损失土壤水分的来源和损耗二、土壤水分类型及特性1、水分类型的划分水分进入土壤后，受到重力、分子力、毛管力等作用，存在不同的形态和运动形式，通常进行如下划分：固态水土壤水气态水束缚水自由水化学结合水 物理束缚水化

4、合水结晶水吸湿水膜状水毛管水重力水毛管上升水毛管悬着水自由重力水支持重力水冰固态水土壤温度在0C以下，以固体状态 存在的水分。分布：高纬度地带和高山地区含永冻层的冰沼土。 中纬度地带含季节性冻层的土壤。有效性：固态水为无效水。青藏高原南极大陆长城站 化合水是指参与矿物晶格组成，并被 矿物牢固所保存的水分；如：伊利石，Fe(OH)3等105C释放结晶水是指和矿物晶格相结合不牢固的水分。如，石膏，105C释放二者为无效水伊利石气态水土粒空气存在于土壤空气之中的水汽。含量少；气态水是无效水；吸附水吸湿水: 由土壤颗粒的外表张力所吸附的水分。水汽土粒水分子和土壤颗粒的吸力大，可1万大气压,又称为紧束缚

5、水；属于无效水分。最大吸湿水量、吸湿系数性质：最大分子持水量：薄膜水的最大含量。膜状水土粒薄膜水膜状水指在吸附水膜外层的水分。水分子和土壤颗粒的吸力较小，在316个大气压,具有活性，又称为松束缚水；局部有效，但不能满足植物需要。调萎系数：植物呈现永久调萎时的土壤含水量。性质：毛管水 是靠土壤中毛管孔隙所产生的毛管引力所保持的水分。引力较小，在61/3大气压，是自由水，是有效水，是毛管水是土壤中最珍贵的水分。 毛管水又可以分为两种类型。毛管悬着水： 土体中与地下水位无联系的毛管水。主要来源：降水、灌溉、溶雪等毛管悬着水的到达最大时，称田间持水量。地下水位毛管上升水：土体中与地下水位有联系的毛管水

6、。地下水位高土 粒重力水当土壤水分含量超过田间持水量，土壤中多余水指充滞非毛管空隙，存在于土壤中的时间短，很快会因为重力作用而渗入或流出。当土壤空隙全部填满水时，称为饱和持水量。2、土壤水的有效性水分形态水分有效性水分常数土壤水吸力10000105度下烘干31156.250.50.08吸湿系数膜 状 水萎焉系数最大分子持水田间持水量毛管持水量饱和持水量毛管悬着水重力水多余水毛 管 上 升 水结晶水化合水一定情况下有效吸附水无效水有效水土壤水分常数(soil moisture constant) 在一定条件下的土壤特征性含水量称土壤水分常数。吸湿系数凋萎系数田间持水量饱和含水量土壤水的有效性(a

7、vailability)最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。图1-21 不同质地土壤的有效水分含量图三、土水势(soil water potential)1、土水势概念 土壤水的能量状态 动能 势能(毛管力、范德华力、压力、溶质力、重力等)土水势是衡量土壤水分能量的指标，说明土壤自由水能与标准的参考状态的水相比的差值。可以理解为：单位水量从一平衡的土水系统移动到与它同温度而处于参比状态的水池时所作的功。国际土壤学会(1963)：把单位质量纯水可逆地等温地以无限小量从标准大气压规定下的水池移至土壤中某一点而成为土壤水所作的有用功。一般规定在一个标准大气压下，与土壤温度相同，以及固定高度的

8、储水池中纯自由水的势能，作为土水势的标准参考状态，并规定其水势为零。基于土水势土壤水运动特点 土壤水一般从高自由能流向低自由能，一般与含水量无关。 如含水量为15%的粘土、10%的砂土。 水分饱和时为正值，水分不饱和为负值。1基质势：土壤水分运动受到土壤颗粒的吸附力、毛管力作用产生的势能。 水分不饱和为负值，饱和为零。2压力势：静水压力作用， 自由水面以下为正值，自有水面的水为零3溶质势：渗透势，土壤溶质离子吸水，为负值。4重力势：重力作用，与选取的基准有关，可为正值或负值。5总水势：2.土水势类型根据受力状况土壤水分状况(soil moisture regimes)不仅影响土壤中物质能量的迁

9、移转化过程，还影响土壤形成发育的方向和性质。根据成土环境及土壤特征，可以将土壤水分状况划分为以下类型：淋溶型与周期淋溶型； 非淋溶型；渗出型；停滞型； 冻结型。 4、土壤水分状况图5-5 全球土壤水分状况季节性变化图第四节 土壤分散系及其特性一、土壤分散系的概念及其分类1、土壤分散系概念 体系：在复杂综合体的科学研究上，选取复杂综合体的一局部作为 研究对象，称之为体系。 相： 体系中物理和化学性质完全相同的任何均匀局部，且同其它局部有一定的界面隔开来的叫做一个相。 根据相的多少体系可以划分为： 均与体系或单项体系 不均匀体系或多项体系 分散体系或分散系:一种物质分散在另一种物质中所形成的体系.

10、 土壤分散系分散质、分散剂2、土壤分散系的类型 根据分散质颗粒大小，可以分为 土壤溶液：小于10-9m 土壤胶体：10-9-10-7m 二、土壤胶体1、土壤胶体及其特性1胶体的根本构造1微粒核2双电层:决定电位离子层补偿离子层：非活性的补偿离子层扩散层胶核决定电位离子层补偿离子层2土壤胶体的类型 土壤胶体可分为三种类型： 1 土壤矿质胶体； 2 有机胶体； 3有机-无机复合胶体。3土壤胶体的特性1巨大的比外表能和外表能2带有电性 (3)凝聚和分散作用凝胶和溶胶两种状态不可逆凝胶： Fe3+、AI3+、Ca2+、Mg2+ 土壤结构的水稳定性强可逆凝胶： NH4+、K+、Na+土壤胶体电荷的起因1

11、同晶置换作用 2晶格外表OH基解离 析出H+，吸收H+3晶格破碎边缘带电 2、土壤胶体的离子交换吸附离子交换/代换：在土壤胶体双电层的扩散层中，补偿离子可以和介质溶液中相同电荷的离子以离子价为依据进行等价交换。离子交换作用的类型：阳离子交换吸附作用和阴离子交换吸附作用 1)土壤胶体的阳离子交换吸附1概念：土壤中带负电荷胶体吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子以离子价为依据进行等价交换。 交换过程反响方程式：胶粒+ Ca2+ + 2Na+NaNa胶粒Ca=阳离子交换作用对土壤中养分的保持和供给起着重要作用。当土壤溶液中阳离子吸附在胶体上时，表示阳离子养分的暂时保蓄，即保肥过程；当胶体上的阳离子解离至

12、土壤溶液中时，表示养分的释放，即供肥过程。2)影响阳离子交换作用的因素阳离子的交换能力a. 离子电荷价 ：阳离子所带的电荷数愈多，其交换能力愈强。 M3+ M 2+ M +M表示阳离子b.离子的半径及水化程度( 原子序数)： 同价离子，离子半径大，水化就半径小，交换能力越强。 离子半径大小与交换力的关系，可由水化作用来解释。 离子半径越大，单位面积上所带的电荷越小，因此，对水分子的吸引力小，即水化程度弱，离子水化半径越小，其与胶粒间距离也愈小，按库仑定律，它和胶粒间的吸引力就愈大，它代换其它离子的能力就愈强。c. 离子运动速度：凡离子运动速度愈大的，其交换力也愈大。例如氢离子就是这样，而且氢离

13、子水化很弱，通常H+只带一个水分子，即以H3O+的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具有特殊位置。阳离子交换能力顺序： Fe3+Al3+H+Sr2+Ba2+Ca2+Mg2+CS+K+NH4+Na+ Li+ 质量作用定律如果溶液中某种离子的浓度较大，那么虽其交换能力较小，同样能把胶体上交换能力较大的其它阳离子代换下来。可控制土壤中阳离子交换作用的方向，定向地改造土壤，提高土壤肥力。土壤阳离子交换量： Cation Exchange Capacity， CEC在一定土壤pH值条件下，土壤能吸附的交换性阳离子的总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。 单位：cmol /

14、 kg土壤阳离子类型胶体上吸附的阳离子分为两类：一类是酸性阳离子如H+ 和Al3+。一类是盐基离子如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等，盐基离子为植物所需的速效养分。3影响土壤阳离子交换量因素(了解内容)胶体类型胶休种类腐殖质蛭石蒙脱石水云母高岭石含水氧化铁、铝CEC（cmol(+)kg-1)150-500100-15060-10020-403-15微量比表面（m2g-1)800-1000700800100-2005-20-质地阳离子交换量（cmol(+)kg-1)砂土1-5砂壤土7-8壤土7-18粘土25-30土壤质地土粒愈细，无机胶体数量愈多，交换量便愈高。土壤pH值土壤介质中P

15、H值降低时胶体微粒所带的负电荷减少，CEC减少。 土壤交换量的大小，根本上代表了土壤的保持养分数量，也就是平常所说的保肥力上下；交换量大，也就是保存养分的能力大，反之那么弱。所以，土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指标。一般地：小于10 cmol/kg，保肥力弱；1020 cmol/kg，中等；大于20 cmol/kg，强。CEC与土壤肥力的关系阳离子交换量和施肥有密切关系：在施肥时不仅要了解作物的需要，同时还要考虑土壤交换量的大小。在生产上的意义例如在砂土上施用化肥，由于土壤交换量小，土壤保肥力差，应该分屡次施肥，每次施量不宜多，以免养分淋失。对于交换量小、保肥力差的土壤，可通过施用河塘泥、

16、厩肥、泥炭或掺粘土，以增加土壤中的无机、有机胶体，以及通过施用石灰调节土壤反响等来提高土壤的阳离子交换量。举例？我国南北方土壤的CEC和BSP比较长江中下游发育在冲积母质上的土壤，粘土矿物以蒙脱石、水云母为主，CEC大约为2030cmol(+)kg-1。BSP在华南西南为红、黄壤地带，无机胶体以高岭石和含水氧化铁、氧化铝为主，土壤酸性大，pH值低，阳离子交换量小，一般每千克土只有十几个厘摩尔，广东的砖红壤的交换量只有5.2 cmol(+)kg-1。BSP在30%以下。长江中下游地区含蒙脱石、水云母较多，土壤反响又多为中性或微碱性，因此，阳离子交换量一般较高。例如东北的黑土、内蒙的栗钙土的交换量

17、在3050 cmol(+)kg-1。北方4土壤盐基饱和度BSP1阳离子分为两类：一类是酸性阳离子，包括H+ 和Al3+一类是盐基离子，包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等2土壤盐基饱和度：指土壤胶体上交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分率。以算式表示为：盐基饱和土壤：土壤胶体吸附的阳离子如绝大多数80%以上为盐基离子。盐基不饱和土壤：盐基饱和度在80%以下，H+、Al3+等离子含量较多。我国南方岩石矿物风化作用强、盐基淋失强，一般为盐基不饱和的土壤酸性土 壤，北方那么相反，土壤的盐基饱和度都在80%以上中性或碱性土壤。土壤盐基饱和度越大，养分有效性越高，因此盐基饱和度是土壤肥力的

18、指标之一。真正反映土壤有效速效养分含量的大小。假设阳离子交换量大，而盐基饱和度偏小，需要采取措施对土壤加以改进，如施肥或用石灰中和。定义：土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中阴离子的相互交换作用。如含水氧化铁、含水氧化铝，在酸性条件下带正电。意义：一些重要的营养元素，和污染物多成阴离子存在。根据机理分类：1非专性吸附类似阳离子交换吸附2专性吸附：土壤对重金属离子和多价含氧酸根等阴离子的非静电引力所引起的吸附。吸附过程：主要发生在土壤中水合氧化物型外表(即羟基化外表)和溶液的界面上，在胶体的电位层中进行而不是在扩散层中进行。被专性吸附的离子都结合得比较牢固。如被专性吸附的金属离子不能被K

19、+，Na+，NH4+，Ca2+，Mg2+等所置换，被专性吸附的阴离子也不能被NO3-和C1-所置换，但可局部地被OH-和C1-所置换 2土壤胶体的阴离子交换吸附土壤吸收作用：土壤中的微团聚体、土壤的细微孔隙和高度分散胶粒外表等，均具有吸收和保持气体、液体、分子、离子或其他胶体微粒等的功能。1机械吸收：是指疏松多孔的土壤对介质中物质颗粒的阻滞截留作用。 现象：淀积层形成、土壤表层的悬浮物。2物理吸收：土壤微颗粒借助外表能从介质中吸收并保持一些分子态物质。 现象： 土壤返潮现象。 作用：3化学吸收：土壤介质中的可溶性化合物转化为难溶性化合物过程， 现象：如P固定。 作用：固定养分、但难以吸收，可能

20、吸收有害物质。4生物吸收：植物根系和叶片选择性的吸收土壤或大气中养分元素。 特点：生物放大功能， 现象：土壤某些元素养分、污染物累积。5代换性吸收：即阳离子代换性吸收和 阴离子代换性吸收3、土壤的其他吸收作用三、土壤溶液土壤溶液(soil solution)是土壤水分及其所含气体、溶质的总称。分析土壤溶液组成、特性及其中化学过程，是土壤地理学、环境科学研究的重要内容。1、土壤溶液的溶质组成无机盐类简单有机物溶解性气体2、土壤溶液的酸碱度1土壤的PH值：土壤酸碱度的化学指标，含义是指土壤水溶液中 H+活度的负对数， 即pH=-logH+。25C纯水电解方程式：H20 H+ OH-电解常数：KwH+ OH- / H2O = 10-14 离子积 由于水的活度H2O1 从纯水的电解式可以看出 H+ OH-107 因此纯水属于中性，其PH值7自然环境中，常见土壤pH在410之间大多数土壤的pH在5.58.5之间土壤H+来源