《土壤学》课件第5章 土壤化学性质

1、1第五章 土壤化学性质第一节 土壤胶体第二节 土壤离子吸附与交换第三节 土壤酸碱性第四节 土壤氧化还原性质2本章重点掌握土壤胶体的电荷特性土壤阳离子交换土壤酸性的成因与种类土壤酸碱性对土壤肥力的影响土壤氧化还原状况的调节3一、土壤胶体的概念 1、土壤胶体胶体和其它分散系第一节 土壤胶体4胶体与其它分散系粗分散系胶体分散系分子分散系1000 nm1-1000 nm0.0-1 nm悬浮体胶体真溶液多相态多相态单相态5一、土壤胶体的概念 1、土壤胶体（ soil colloid ）土壤胶体土壤中小于2 m的固相颗粒第一节 土壤胶体6一、土壤胶体的概念 2、土壤胶体的种类无机胶体粘粒矿物有机胶体腐殖质

2、、高分子有机化合物微生物体有机无机复合体第一节 土壤胶体7第一节 土壤胶体1、外表面2、内表面无机胶体晶层间有机胶体蜂窝状二、土壤胶体的表面内表面8第一节 土壤胶体3、总表面总表面=内表面外表面常用比表面（specific surface area）表示m2/g腐殖质蒙脱石蛭石水云母高岭石9土壤胶体的表面积 胶体种类内表面积(m2/g)外表面积(m2/g)总表面积(m2/g)腐殖质_800900蒙脱石70075015150700850蛭石400750150400800水云母059015090150高岭石054054010第一节 土壤胶体 4、土壤胶体的表面类型2:1型粘粒矿物的表面 SiOSi

3、1:1型粘粒矿物的表面SiOSiAlOH11第一节 土壤胶体 硅氧烷型SiOSi不易解离水合氧化物型AlOH，FeOH，SiOH易解离和缔合而产生电荷有机物型COOH，OH，CHO，OCH3, O，NH2, 易解离和缔合而产生电荷二、土壤胶体的表面 4、土壤胶体的表面类型12第一节 土壤胶体三、胶体表面电荷与电位 1、永久电荷同晶置换 （isomorphous substitution）矿物形成时发生低价阳离子置换高价阳离子如：AlMg，SiAl13在矿物结晶过程中可以产生同晶置换Al3+14第一节 土壤胶体三、胶体表面电荷与电位 1、永久电荷一般为负 2:1型矿物带电的主要原因1:1型矿物中

4、较少定义：？15第一节 土壤胶体2、可变电荷（Variable Charge ）定义：pH dependent charge 由环境pH值变化而引起，电荷数量和符号都随pH值而变化起因表面基团：解离、缔合结构断裂：边面断键16腐殖质功能团的解离和质子化产生可变电荷COOH + OH- COO- + H2ONH2 + H+ NH3+17水合氧化物在不同pH下带不同电荷MOHOH2OH-MOHOH+ H2O_H+MOH2OH2+18三水铝石在酸性环境中可以带正电荷OH2 +OH O- 19高岭石的边面断键产生可变电荷20第一节 土壤胶体三、胶体表面电荷与电位2、可变电荷（Variable Char

5、ge）是腐殖质、水合氧化物带电的原因1:1型矿物多数电荷产生的原因2:1型矿物可变电荷很少3 、土壤电荷符号和数量正电荷、负电荷、净电荷净负电荷=CECcmol/kg21第一节 土壤胶体三、胶体表面电荷与电位3 、土壤电荷符号和数量土壤电荷主要在胶体胶体组成、数量、环境决定土壤电荷数量热带土壤负电荷量低，甚至有正电荷胶体间相互作用影响电荷数量22Constant and variable charge on different crystalline and noncrystalline soil colloids Colloid TypeTotal Charge (cmol/kg)Const

6、ant%Variable%Positive Charge(cmol/kg)有机质 20010900蒙脱石1009550高岭石 825752三水铝石 40100523第一节 土壤胶体三、胶体表面电荷与电位4、土壤胶体的表面电位双电层理论固相表面电荷：决定电位离子层溶液中电荷：补偿离子层（外层）非活性补偿离子层扩散层24土壤胶体的双电层模型扩散层中的电位变化25第一节 土壤胶体四、土壤溶液1、土壤溶液的成分无机盐10-3 M：钙、镁、钾、钠、铵低浓度 4）受阳离子交换力大小影响交换力：M3+M2+M+同价的离子：水化半径 小大H+交换力特强：酸性土壤 5）受补偿阳离子和陪伴阴离子影响30阳离子离子

7、交换力顺序离子价数离子半径(nm)交换力顺序未水化水化Na10.0930.7906NH410.1430.5375K10.1330.5324Mg20.0781.3303Ca20.1061.0002H1-131第二节 离子交换二、阳离子交换量（CEC）1、概念定义：pH7，最大阳离子容量单位：cmol (+)/ kg意义：保肥、耐肥、供肥以1525 cmol / kg 为宜20，保肥力高1020，保肥力中等壤土砂土3) 土壤pH值pH可变负电荷CEC 带可变电荷多的胶体的 CEC受 pH影响大南方土壤CEC受 pH影响大35第二节 离子交换三、盐基饱和度1、概念1）盐基离子除H+、Al3+外的各种

8、离子2）致酸离子土壤胶体上吸附的H和Al3+ Al3+ 使溶液呈酸性：3H2O + AlCl3 Al(OH)3 + 3HCl36第二节 离子交换3）盐基饱和度交换性盐基离子占阳离子交换量的百分数37第二节 离子交换三、盐基饱和度2、意义是土壤肥力标志7090，土壤肥沃5070，肥力中等50，低肥力反映土壤致酸离子含量H不是养料元素，Al3+多毒害盐基饱和：中、碱性土壤盐基不饱和：酸性土壤38CEC和盐基饱和度CEC反映土壤保蓄阳离子总量的能力盐基饱和度反映土壤保蓄植物所需主要阳离子的能力阳离子有效性不一样39第二节 离子交换四、交换性阳离子有效度1、离子饱和度某一种阳离子占CEC的百分数意义集

9、中施肥砂土、粘土采取不同的施肥方法土壤CECcmol/kg交换性Ca cmol/kgCa饱和度Ca有效性A8675高B301033低40第二节 离子交换四、交换性阳离子有效度2、陪补离子与某种阳离子同时被吸附的其它阳离子赔补离子交换力强，离子有效度高土壤处理交换性阳离子组成小麦苗干重/g麦苗吸Ca量/mgA40%Ca60%H2.8011.15B40%Ca60%Mg2.797.83C40%Ca60%Na2.344.3641第二节 离子交换四、交换性阳离子有效度3、粘土矿物类型影响离子吸附的位置和有效性对离子有选择性吸附4、pH和离子强度影响可变电荷影响离子价态5、阳离子的专性吸附被专性吸附的离子

10、有效性低42第二节 离子交换五、阳离子专性吸附1、概念过渡金属离子Zn、Cu、Co、Mo、Ni、Ti半径小，易络合，易水合，易吸附金属氧化物及其水合物Fe、Al、Mn表面带羟基专性吸附的离子为非交换态，无效43第二节 离子交换五、阳离子专性吸附2、影响因素pHpH升高利于专性吸附土壤胶体类型不同胶体对不同金属离子专性吸附差异很大非晶形胶体比晶形胶体吸附力大有机配位体有机质配合力强有机配位体类型和浓度吸附存在转折点44第二节 离子交换五、阳离子专性吸附3、意义富集微量金属离子调控金属离子生物有效性和毒性作为重金属的汇45第二节 离子交换六、阴离子吸附与交换1、土壤阴离子以阴离子形式存在的养分：N

11、、P、S、B、Mo和多数土壤胶体带相同符号的电荷2、阴离子的静电吸附胶体表面正电荷铁铝氧化物、高岭石边面、有机质正电荷基团、酸性pH产生正电荷吸附Cl-、NO3-、ClO4-等46第二节 离子交换六、阴离子吸附与交换3、阴离子的负吸附大多数土壤负吸附4、阴离子的专性吸附称配位体交换吸附F-、PO43-、SO42-、MoO42-、AsO43-发生在胶体双电层内层，非交换性共存阴离子竞争主要发生在铁铝氧化物表面阴离子专性吸附与非专性吸附项目专性吸附非专性吸附吸附载体氧化物和氢氧化物层状硅酸盐矿物阴离子所起作用配位离子，电位决定离子反离子发生条件任何pHpHPZC机理配位体交换反应阴离子交换反应结果

12、减少正电荷，增加负电荷不影响表面电荷位置双电层内层扩散层吸附力配位键，共价键静电引力Soils Sustain Life4748第三节 土壤酸碱性一、土壤酸性的形成 1、土壤中H+的来源H2O解离碳酸解离O.M.分解、植物呼吸CO2 H2CO3 H+有机酸解离H+酸雨：SO2，NOx施肥等其它无机酸酸性肥料：过磷酸钙生理酸性肥料：(NH4)2SO4、KCl植物根系FeS2的氧化49第三节 土壤酸碱性2、土壤中铝的活化H+超过一定限度，粘土矿物破坏，Al3活化Al3+ 3H2O Al (OH)3 3H+ Al (OH)2+ H2O Al (OH)2+ H+ Al (OH)2+ H2O Al (O

13、H)3 H+ Al (OH)2+ OH- Al (OH)3 土壤胶体Al3HHCa2KNH4Mg2 H土壤胶体Al3H KCa2KNH4Mg2 K50第三节 土壤酸碱性二、土壤酸的类型活性酸（soil active acidity）土壤溶液中的H潜性酸（soil potential acidity）土壤固相表面吸附态的致酸离子交换性氢离子、铝离子、羟基铝离子被交换进入溶液后所引起的酸强酸性土壤，Al3+是主要致酸离子，H+占很少一部分酸性和弱酸性土壤，羟基铝离子51第三节 土壤酸碱性二、土壤酸的类型活性酸与潜性酸处于动态平衡土壤总酸度=活性酸+潜性酸活性酸是土壤酸度的起源代表土壤酸的强度潜性酸

14、是土壤酸度的主体代表土壤酸的容量52第三节 土壤酸碱性三、土壤酸度指标强度指标pH值pHH2OpHKClpH值酸碱度分级8.5强碱性53我国土壤的pH值54第三节 土壤酸碱性三、土壤酸度指标强度指标石灰位pH-0.5pCa酸度取决于致酸离子与盐基离子（Ca2+）的比例更全面反映土壤酸度和盐基饱和度土壤类型pH石灰位水稻土母质相差水稻土母质相差砖红壤5.235.120.113.402.291.11红壤6.565.151.414.933.021.91棕红壤6.835.711.125.323.911.4155第三节 土壤酸碱性三、土壤酸度指标数量指标交换性酸用中性盐交换Al3+和H+胶粒-H+KCl

15、 胶粒-K + HCl然后用碱滴定单位cmol(+)/kg改良土壤酸性的重要依据水解性酸用强碱弱酸盐（1M NaOAc）浸提滴定要消耗更多碱56第三节 土壤酸碱性四、土壤碱性的形成1、CaCO3水解CaCO3 + H2O = Ca2+ + OH- + HCO3-反应受空气CO2分压控制2、Na2CO3水解Na2CO3 + H2O = 2Na+ + 2OH- + H2CO3强碱性3、交换性Na+水解胶体-2Na+ + 2H2O = 胶体-H+ + 2NaOH57第三节 土壤酸碱性五、土壤碱性指标pH值总碱度碳酸根和重碳酸根总浓度单位：cmol(-)/L碱化度钠离子饱和度510，轻碱化土壤1015

16、，中度1520，强度30，含盐量9，碱土58第三节 土壤酸碱性六、影响土壤酸碱性的因素1、外界环境条件气候：我国土壤 北南，pH逐渐降低母质：盐基含量，石灰岩植被：有机物积累、残落物成分地形：影响盐基淋失生产活动：施肥、灌排、工业废气形成酸雨59第三节 土壤酸碱性六、影响土壤酸碱性的因素2、土壤因素盐基饱和度土壤空气CO2分压石灰性土壤 pH6.88.5土壤含水量测量土壤pH注意水土比土壤氧化还原状况旱改水，pH向中性发展60第三节 土壤酸碱性七、土壤酸碱缓冲性1、土壤缓冲性概念狭义的：抗拒pH值变化广义的：对外界干扰抗拒性变的能力pH、氧化还原、物理、养分、污染物意义积极的稳定土壤环境条件土

17、壤质量指标不利的不良性质的顽固性61第三节 土壤酸碱性七、土壤酸碱缓冲性2、土壤酸碱缓冲体系碳酸盐体系石灰性土壤，缓冲pH8.56.7硅酸盐体系风化释放盐基离子，缓冲酸性交换性阳离子体系CEC愈大，缓冲能力愈强有机酸体系对酸碱都有缓冲能力铝体系强酸性土壤缓冲OH-离子62第三节 土壤酸碱性七、土壤酸碱缓冲性3、影响土壤酸碱缓冲性的因素土壤质地粘土胶体多，CEC大无机胶体种类与数量蒙脱石伊利石高岭石含水氧化铁铝土壤有机质含量两性胶体表土缓冲能力强63第三节 土壤酸碱性七、土壤酸碱缓冲性4、土壤酸碱缓冲容量概念：单位重量土壤改变一个单位pH所需要的酸或碱的数量缓冲曲线：pH变化加入的酸或碱量64第

18、三节 土壤酸碱性八、土壤酸碱性与植物生长和土壤肥力的关系1、植物适宜的土壤pH大多数作物、蔬菜、果树 pH6865植物最适生长的土壤PH范围 最适土壤pH值范围植物种类4.05.0兰花、高灌木越桔、泥炭藓（pH3.55.0）、黑云杉4.55.5杜鹃花、白雪松、石松5.05.5茶、马铃薯、马尾松5.06.0红薯、菠萝、板栗、油桐、草夹竹桃、美洲冬青、冷杉、云杉、铁杉、红松、火炬松5.06.5荞麦、草莓、山毛榉、欧洲落叶松5.07.0黑麦、花生、亚麻、紫云英、柑桔5.07.5燕麦、栎5.56.5萝卜、辣椒5.57.0蚕豆、虹豆、胡萝卜、黄瓜、白三叶、秋海棠、蒲化英、菟丝子5.57.5玉米、小麦、烟

19、草、蕃茄6.07.0大豆、西瓜、甘蓝、芹菜、莴苣、洋葱、苕子、东方百合、非洲紫罗兰、银杏、槐、花旗松6.07.5水稻、大麦、红三叶、结球甘蓝、菠菜、菊花、紫丁香、侧柏、狗尾草6.08.0棉花、油菜、豌豆、甘蔗、甜菜、向日葵、紫苜蓿、花椰菜、南瓜、芦笋、天竺葵、苹果、樱桃、桃、梨、核桃、杏、桑、白杨、洋槐、野芥菜6.08.5高粱66最适土壤pH值范围植物种类4.05.0兰花、高灌木越桔、泥炭藓（pH3.55.0）、黑云杉4.55.5杜鹃花、白雪松、石松5.05.5茶、马铃薯、马尾松5.06.0红薯、菠萝、板栗、油桐、草夹竹桃、美洲冬青、冷杉、云杉、铁杉、红松、火炬松5.06.5荞麦、草莓、山毛榉

20、、欧洲落叶松5.07.0黑麦、花生、亚麻、紫云英、柑桔5.07.5燕麦、栎5.56.5萝卜、辣椒5.57.0蚕豆、虹豆、胡萝卜、黄瓜、白三叶、秋海棠、蒲化英、菟丝子5.57.5玉米、小麦、烟草、蕃茄6.07.0大豆、西瓜、甘蓝、芹菜、莴苣、洋葱、苕子、东方百合、非洲紫罗兰、银杏、槐、花旗松6.07.5水稻、大麦、红三叶、结球甘蓝、菠菜、菊花、紫丁香、侧柏、狗尾草6.08.0棉花、油菜、豌豆、甘蔗、甜菜、向日葵、紫苜蓿、花椰菜、南瓜、芦笋、天竺葵、苹果、樱桃、桃、梨、核桃、杏、桑、白杨、洋槐、野芥菜6.08.5高粱67第三节 土壤酸碱性八、土壤酸碱性与植物生长和土壤肥力的关系1、植物适宜的土壤p

21、H指示植物：对pH要求严格茶、映山红：酸性盐蒿、碱篷细菌、放线菌：中微碱性真菌：偏酸植物病害：调节pH控制病害68第三节 土壤酸碱性八、土壤酸碱性与植物生长和土壤肥力的关系2、影响养分有效性中性：各种养分有效性都高微酸性碱性：N、S、K有效性高微酸性中性：P有效性最高酸性：K、Ca 、Mg常淋失强碱性： Ca 、Mg有效性低极度强酸：Al、Fe、Mn毒害微量养分元素：B中性有效性高；Mo强酸性下有效性低；Cu、Zn酸性下有效性高69土壤pH与养分有效性的关系70第三节 土壤酸碱性八、土壤酸碱性与植物生长和土壤肥力的关系3、影响土壤保肥性pH土壤的带电性CEC保肥性4、影响土壤物理性质酸性土壤H

22、+、Al3+多，Ca2+少，粘重板结，透气不良强碱性土壤Na质土，渍水呈稀泥，干时僵板，通气不良Ca质土较好71第三节 土壤酸碱性九、土壤酸性的改良1、改良的根据中和潜性酸交换性酸、水解性酸2、改良用的材料石灰碱性肥料石膏、磷矿粉、粉煤灰、硝酸盐化肥有机物3、举例72石灰改良酸性土壤某红壤pH=5，耕层土壤干重=2 250 000kg/hm2，重量含水量=20%，CEC=10 cmol(+)/kg，盐基饱和度=60%，准备改良到pH=7.0。问1hm2理论上需要多少生石灰？解：先计算活性酸需要的石灰量耕层土壤活性酸（H+）总量 225000020%10-5=4.5 mol/hm2 pH=7时，

23、土壤含H+总量 225000020%10-7=0.045 mol/hm2需要中和的H+量= 4.5- 0.045=4.455 mol/hm2生石灰理论用量=4.455（562）=124.74 g/hm273石灰改良酸性土壤某红壤pH=5，耕层土壤干重=2 250 000kg/hm2，重量含水量=20%，CEC=10 cmol(+)/kg，盐基饱和度=60%，准备改良到pH=7.0。问1hm2理论上需要多少生石灰？解：再计算潜性酸需要的石灰量耕层土壤潜性酸总量2250000(10100)(1-60%)=90000 mol(H+)/hm2中和潜性酸需要生石灰=90000(562)=2520 kg/

24、hm2生石灰理论总用量=2520 kg/hm274第三节 土壤酸碱性十、土壤碱性的改良1、酸性 或生理酸性肥料2、Ca：石膏、硅酸钙3、S：硫磺、FeS、FeS2、FeSO4、稀硫酸4、有机肥、风化煤5、灌溉洗盐75第四节 土壤氧化还原性质一、土壤中的氧化还原体系1、主要控制体系氧：主要氧化体系极活泼的氧化剂O2 + 4H+ + 4e- 2H2OO2主要来自空气有机物：主要还原体系极强的还原剂CO2+8H+8e CH4+2H2O有机酸来自微生物分解的中间产物76第四节 土壤氧化还原性质一、土壤中的氧化还原体系2、重要缓冲体系铁体系Fe3+ + e- Fe2+ 旱地为高铁，渍水亚铁锰体系MnO2 + 4H+ + 2e- Mn2+2H2O数量较铁少得多硫体系（有机、无机）S2-+2O2 SO42- 77第四节 土壤氧