土壤学第四章 土壤酸碱性和氧化还原反应

1、第四章 土壤酸碱性和氧化还原第一节 土壤酸碱性一、土壤酸性的形成 1. H+ 的来源：盐基离子被淋溶，H+ 取代原来盐基的位置，pH下降 H2O H+OH- 水的解离 CO2+H2O H2CO3 H+HCO3- 碳酸的解离 有机质分解的中间产物 草酸、柠檬酸、胡敏酸等有机酸的解离 酸性大气化学物质降沉到土壤中(SO2、NyOx) pH5.6 酸雨 H2SO4、HCl等无机酸的解离 2. 土壤酸的类型： 活性酸：土壤溶液中H+ 潜性酸：土壤胶体表面的交换性致酸离子(H+和Al3+)引起的酸度 二者之间的关系：处于同一个体系中的两种酸a. 强酸性土壤： 土壤活性酸的主要来源是Al3+而不是H+ 酸

2、性土壤上交换性H+只占35%，而交换性Al3+占95% b. 弱酸性土壤: Al(OH)2+ Al(OH)2+ Al(OH)2+ + H-OH Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ H-OH Al(OH)3 + H+ 同时交换性H+的解离是H+的第二个来源。c. 中性及碱性土壤： 胶体上吸附的主要是盐基离子3. 土壤酸性的表示强度指标：表示活性酸（实际性酸度）即土壤PH值。 a. 指土壤溶液中H+的浓度 b. PHH2O 我国土壤南酸北碱 8.5 部分碱土：以上，高达数量指标： 胶体上吸附的H+、Al3+即潜性酸。两种表示方法：a. 用交换性酸度表示： 用1MKC 或氯化钡做提取液。

3、特点：可逆，只是潜性酸的一部分4. 影响酸度的因素： 1盐基饱和度 2土壤空气中CO2的分压 2pH=K+PCa+PCO2 3土壤水分含量 4土壤氧化还原状况二、土壤碱性的形成：1. 碱性形成机理：土壤中碱性盐的水解是形成碱性反应的主要机理 Ca Mg Na的CO32-和HCO3-以及吸附交换性Na+CaCO3的水解： 石灰性土壤上交换性Ca2+占优势的土壤 CaCO3、CO2、H2O处于同一平衡体系中 CaCO3+H2O Ca2+HCO3-+OH- H2O+CO2 CO2很重要Na2CO3的水解 来源：a.矿物Na与H2CO3形成 b.矿物风化形成Na2SiO3与H2CO3作用形成 c.水溶

4、性Na盐（NaCl,Na2SO4）与CaCO3共存形成 2NaCl+CaCO3 CaCl2+Na2CO3 交换性Na的水解：碱化土的一个重要指标 Na+H2O H+NaOHH+2.土壤碱性指标 总碱度 a. 指土壤溶液中或灌溉水中碳酸根离子和碳酸氢根离子的厘摩尔浓度（c mol/L） 碱金属（Na+ 、K+ ） 碱土金属（Ca2+ Mg2+）b注意： 如果主要由碱土金属Ca2+ 、Mg2+引起的，由于CaCO3 、MgCO3的溶解度小，土壤的pH值不太高，最高可达8.5，故称这种因石灰引起的土壤的弱碱性（7.58.5）为石灰性反应，此种土壤为石灰性土壤。 此类土壤耕层常受CO2分压控制pH在8

5、.08.5之间，深层pH 而由Na2 CO3 、Na HCO3引起的总碱度很高 c. 总碱度在一定程度上反映土壤和水质的碱化程度，可作为碱化土壤分类的指标之一 碱化度：（钠碱化度） a. 指土壤胶体上吸附的交换性钠离子占阳离子交换量的百分数 b. 当土壤胶体上交换性阳离子中Na+占的比例很高时，PH时，土粒高度分散，物理机械性极差，即土壤的“碱化作用“。 c. 作为碱土分类及碱土改良利用的指标和依据。 碱化层内碱化度30% 510%为轻度碱化土壤 表层含盐量9.0 1520%为强度碱化土壤1015%为中度碱化土壤碱土指标 、影响土壤碱化的因素： 1 气候 碱土分布于干旱、半干旱和 漠境地区.其

6、降雨量远小于蒸发量，特别是在冬春季节，其比值在5:120:1故有明显的积盐和脱盐过程 2 生物 植物的选择性吸收，对K、Na、Ca、Mg等盐基离子有强的富集作用 3 母质 母质是碱性物质的直接来源，基性岩，超基性岩中富含K、Na、Ca、Mg，其他如质地的差异，不同母质在土体中垂直分布等也对此有影响。一.土壤中的氧化还原体系 1、主要的体系：Mn2+ Mn4+ 锰 Fe3+ Fe2+ 铁O-2 O0 氧 S-2 S+6 硫N-3 N+4 N+6 氮H0 H+ 氢 C-4 C+4 （有机）碳第二节 土壤氧化还原反应2、主要的氧化剂和还原剂： 主要的氧化剂是土壤空气中的氧气当土壤中的氧被消耗完后，依

7、次NO-3、Mn4+、Fe3+、SO42-作为电子受体被还原，这种依次被还原的现象叫顺序还原作用. 主要的还原剂是有机质，特别是新鲜的、未分解的有机质3、特点： 1.有机、无机体系并存 。 可逆 、半可逆、 不可逆 2.其本质是化学反应，但由生物参与 NH4+ NO3- 硝化细菌 Fe2+ Fe3+ 铁细菌 3.土壤是一个不均匀的多种体系的共存体。 4.土壤中氧化还原平衡经常变动，不同时间、空间、不同耕作管理都会改变的二. 土壤氧化还原指标一、氧化还原电位： （1）定义： （2）表达式：Eh=E0+(RT/nF)log(氧化态/还原态） (3）Eh的意义：表示土壤的通气状况 Eh750mv 通

8、气状况良好 Eh=200-750mv 通气状况一般 Eh200mv 通气状况差2.电子活度的负对数（Pe）(1) 表示电子浓度的负对数 (2) K=(还原态)/(氧化态)(e-)n Pe=1/nlogK+(1/n)log(氧化态)/(还原态) (3) 与En的关系：Pe (4) a: Pe与PH相对应，反映概念清楚 b: 在氧化体系中 Pe为正值，Pe值越高，则氧化性越强 在还原体系中 Pe为负值，Pe负值越高，还原性越强三.影响土壤氧化还原状况的因素 1、通气状况 2、微生物活动 3、易分解有机质的含量 4、植物根系的代谢作用 5、土壤的PH值：关系复杂，理论上En/PH=-59mv（即pH

9、每升高一个单位，En要下降 59mv） 第三节 土壤缓冲性 一、定义： 土壤具有缓冲外界环境变化的能力，是表征土壤质量及土壤肥力的指标，主要是对营养元素、污染物质、酸碱变化、氧化还原变化的缓冲能力。二.土壤对酸碱的缓冲性能： 1. 对酸碱缓冲的原理： （1）弱酸及其盐的存在： H2CO3、H2SiO3、H3PO4 腐殖酸及多 种有机 酸与它们的盐的共存。 (2）土壤胶体具有阳离子的吸附交换作用： 胶体吸附阳离子后具有了酸胶基的作用 缓冲体系：（1）碳酸盐体系: 主要是在石灰性土壤上起缓冲作用 CaCO3+H2O+CO2=Ca2+2HCO3 其缓冲范围在（2）硅酸盐体系：Mg2SiO4+4H+

10、Mg+H4SiO4 (3)交换性阳离子体系： -盐基离子对酸起缓冲 -致酸离子对碱起作用（4）铝（离子）体系： 酸性土壤中 pH则失去缓冲碱的能力 （5）有机酸体系： 其上的各种官能团对酸碱具有缓冲作用 3缓冲容量： 指单位土壤改变一个单位PH值所需要的酸或碱的量。4.影响土壤对酸碱缓冲的因素： （1）无机胶体的类型。 （2）土壤类型。 （3）土壤有机质含量。 三.土壤对氧化还原的缓冲性 第四节 土壤酸碱性和氧化还原性与生物环境一.生物对土壤酸碱性、氧化还原性的适应 1.对土壤酸碱性的适应： 不同植物对土壤酸碱性的要求不同这是自然选择的结果，大多数植物适于生长在中性至微碱性土壤上，但有些植物：

11、 茶、映山红酸性指示植物， 盐嵩、碱蓬碱性指示植物 2.对氧化还原性的要求： 旱作植物要求 Eh在400700mv（特别注意根际范围的Eh） 水田植物要求Eh在200300mv 3微生物活动与pH值和Eh的关系：细菌、放线菌在中性和微碱性环境中，真菌在强酸性土壤中占优势，Eh越高微生物活动越强。（特别是好气性微生物） 二.养分的生物有效性与土壤酸碱、氧还的关系1.酸碱对养分有效性的影响： 影响养分的释放、固定和迁移。 1各种养分有效度较高的PH范围在 2N. S. K 有效度较高的PH范围在 P有效度较高的PH范围在 Ca. Mg 有效度较高的PH范围在 3 Fe Mn Cu Zn有效度较高的

12、PH范围在6 B有效度较高的PH范围在5.56.0 和.52.氧化还原状况对养分有效性的影响:（1）氧化还原状况影响养分的得失电子数从而影响其元素的生物有效性 Fe3+ Mn4+ Fe2+ Mn2+ （2）影响养分的存在形态 Eh480mv NO-3为主 旱作植物易吸收, 但易淋失 Eh220mv NH4+为主 水稻易吸收,但 易发生硝化作用。 但要注意：在土壤开放系统中，氧化还原、沉淀溶解、吸附解吸等一系列反应，往往同一时间、空间进行。三、土壤酸碱性和氧化还原状况与有毒物质的积累： 1.强酸性土壤中Al3+、Mn2+的胁迫与毒害： Al：PH5.5 Al3+被活化， Al3+0.2 cmol

13、/kg农作物受害，特别是幼苗。 PH5.56.3 可消除Al3+的毒害。 Mn：PH6 锰毒可全部消除。2、氧化还原状况与有毒物质积累： En200mv Fe、Mn从氧化态转化为Fe2+、Mn2+ En-100mv Fe2+Mn2+植物出现铁的毒害。 EnK+Si4+NH+Na+Mg2+Ca2+ 四、土壤酸碱性对土壤其它理化性质的影响： 1.影响粘土矿物的形成。例：白云母 碱性环境下易形成伊利石、 酸性环境下易形成高岭石 2.影响土壤的结构： 当胶体上吸附的Na+过多，土粒分散，结构松散。 当胶体上吸附的H+、Al3+过多，盐基饱和度低，结构易被破坏。 五、土壤酸碱性和氧化还原状况的调节： 1.土壤酸度的调节： 对酸性土壤通常用石灰、石灰石粉 石灰见效快，但后效短 石灰石粉见效慢，后效长 调节机理： 胶粒 +Ca2+2OH- 胶粒=Ca2+ +2H2O胶粒 +3Ca2+ + 6OH-