土壤化学性质和环境意义市公开课获奖课件

1、第四章 土壤化学性质及其环境意义1第1页第1页第一节 土壤酸碱性第二节 土壤氧化还原性 第三节 土壤胶体2第2页第2页第一节 土壤酸碱性3第3页第3页酸性土壤上茶园4第4页第4页土壤酸碱性盐基饱和度复盐基化过程淋溶过程人为活动气候母质生物5第5页第5页一、土壤酸性形成 土壤酸化过程 土壤酸化过程始于土壤溶液中活性H+离子。土壤胶体上吸附盐基离子被溶液中活性H互换进入土壤溶液，然后遭雨水淋失，土壤胶体上互换性H不断增长，土壤盐基饱和度下降、氢饱和度增长，并出现互换性铝，这样使得土壤酸化，形成酸性土壤。 Soil colloid MM+2H+Soil colloid HH2M+6第6页第6页土壤中

2、H+起源水解离碳酸解离有机酸解离酸雨 我国每年排放SO2约1.71067吨其它无机酸 生理酸性肥料(KCl、NH4Cl等)施用等大气酸沉降（pH5.6酸性大气化学物质：SO2、NOx等）干沉降：通过气体扩散，固体物降落到地面湿沉降：降水携带大气酸性物质到达地面7第7页第7页 土壤中铝活化 土壤胶体上互换性H+饱和度达到一定程度，就会破坏硅酸盐粘粒晶体结构，水铝片（八面体片）中Al就脱离晶格束缚，转化为活性Al3+，进而取代互换性H而成为互换性Al3+。互换性Al3+水解就产生H+: Soil clay Al+3H2OSoil clay HHAl(OH)3+HH+Soil clay Al+Al3

3、+3H+Soil clay HHH8第8页第8页铝离子作用表面H+超出一定程度胶体结构破坏八面体解体活性Al3+被胶体吸附互换性Al3+水解聚合H+新制备氢质粘土互换性Al3+占互换酸百分比(%)放置0.5 h52-58%放置6 h72-98%9第9页第9页土壤酸类型土壤活性酸 与土壤固相处于平衡状态土壤溶液中H+所反应出来酸度。土壤潜性酸 吸附在土壤胶体表面互换性致酸离子（H+和Al3+)所反应出来酸度。互换性H+和Al3+只有转移到溶液中，转变成溶液中氢离子，才会显示酸性。通过滴定拟定其大小。 土壤活性酸和潜性酸属于一个体系中两种酸，始终处于动态平衡。土壤潜性酸是活性酸主要起源和后备。活性

4、酸潜性酸解 吸吸附10第10页第10页1.2 土壤酸度类型土壤酸度类型活性酸潜性酸水解酸互换酸土壤溶液中H+直接表现出酸度，用pH表示吸附在土壤胶体上互换性致酸离子，只有被互换到溶液中后才会表现出酸性，这种酸称为潜性酸用过量中性盐溶液（1M KCl）浸提土壤所测得酸度用弱酸强碱盐溶液做浸提剂与土壤作用后所测得酸度11第11页第11页几种土壤互换酸与水解量(c mol(H+) kg-1）土壤地方互换酸水解酸黄壤广西3.626.81黄壤四川2.062.94黄棕壤安徽0.201.97黄棕壤湖北0.010.44红壤广西1.489.1412第12页第12页 酸性土成因1、气候原因2、生物原因 生命活动

5、生物残体分解 专一性微生物存在3、人为原因4、酸雨13第13页第13页土壤碱性产生碳酸钙水解碳酸钠水解互换性钠水解二、土壤碱性形成14第14页第14页形成机理 土壤中碱性物质水解反应。 土壤中碱性物质主要是Ca、Mg、Na、K碳酸盐及重碳酸盐，以及胶体表面互换性Na+。 碳酸钙水解（CaCO3CO2H2O体系） CaCO3 + H2O Ca2+ + HCO3 - + OH- CO2 + H2O HCO3- + H+ 石灰性土壤pH主要受土壤空气中CO2分压控制。二、土壤碱性形成15第15页第15页 碳酸钠水解 （盐土特性） Na2CO3+H2O 2Na+HCO3 - +OH- 碳酸钠起源： 土

6、壤矿物质中钠碳酸化 矿物中Na NaHCO3 Na2CO3 风化产物硅酸钠与碳酸作用(析出SiO2) Na2SIO3 + H2CO3 Na2CO3 + SiO2 + H2O 盐渍土水溶性钠盐与碳酸钙共存时，形成碳酸钠 CaCO3+2NaCl CaCl2+Na2CO3 CaCO3+Na2SO4 CaSO4+Na2CO3土壤呈强碱性反应16第16页第16页 互换性钠水解 （碱土特性） 当土壤胶体互换性Na+积累到一定数量，土壤溶液盐浓度较低时，Na+离解进入溶液，水解产生NaOH，并进一步形成碳酸盐Na2CO3、NaHCO3。碱土形成条件： 足够数量钠离子与钙、镁离子产生互换 互换性钠解吸并水解产

7、生NaOHSoil colloid Ca2+Ca2+Mg2+4Na+Soil colloid 2Na+2Na+Mg2+Soil colloid xNa+yH2O + CO2Soil colloid (x-y)Na+yH+yNaOH+2NaOH + H2CO3 Na2CO3 + 2H2ONaOH + CO2 NaHCO317第17页第17页 影响土壤碱化因素 气候因素 碱性土分布在干旱、半干旱地区。干旱、半干旱条件下，蒸发量不小于降雨量，土壤中盐基物质，随着蒸发而表聚，使土壤碱化。生物因素 Na、K 、Ca、Mg等盐基生物积累。一些植物适应在干旱条件下生长，有富集碱性物质作用。如:海蓬子含Na2

8、CO3 3.75%，碱蒿含2.76%，盐蒿含2.14%，芦苇含0.49%。母质 1. 碱性物质基本来源。基性岩、超基性岩富含碱性物质，含盐基物质多，形成土壤为碱性。 2.沿海滩涂淤泥 3. 中性硫酸盐母质：Na2SO4转化为Na2S18第18页第18页 影响土壤碱化原因 地形原因高中洼和洼中高地形盐随水来，盐随水去，水去气散，气散盐存施肥和浇灌 施用碱性肥料或用碱性水浇灌会使土壤碱化。19第19页第19页 依据我国土壤反应实际差别情况及其与肥力关系，可把土壤反应分为下列7级： 土壤酸碱性分级 强酸性 酸性微酸性 中性微碱性碱性强碱性pH值4.5pH值4.55.5 pH值5.66.5pH值 6.

9、67.4pH值7.58.0pH值8.19.0pH值9020第20页第20页pH=721第21页第21页四、影响土壤pH原因 土壤形成影响原因（气候、生物、母质）及人为活动都会影响土壤酸度。 土壤酸度也受其它土壤原因强烈影响： 盐基饱和度（BS）：一定范围内pH随BS增长而增高。 土壤pH 5.0 5.05.5 5.56.0 6.07.0 BS(%) 30 3060 6080 80100土壤空气CO2分压 CaCO3CO2H2O体系KaKs2pH=K+pCa+pCO2 K=p(Ka/Ks)石灰性土壤pH随pCO2 增大而增大，改变于6.88.5之间(田间)。22第22页第22页土壤水分含量 含水

10、量影响离子在固液相间分派、盐类溶解和解离以及互换性离子解离度，从而影响pH。普通地，pH随含水量增长有升高趋势（稀释效应）。土壤pH测定期应控制土水比(1:2.5)。土壤氧化还原条件 土壤淹水还原, pH向中性点趋近(酸性土pH升高，碱性土减少)。 酸性土还原pH升高，由于Fe2O3、MnO2还原溶解度增大，显示碱性，有机质加快还原过程。 碱性土还原pH下降，主要由于在嫌气条件下有机酸和CO2积累过程及其综合作用。 23第23页第23页第二节 土壤氧化还原性土壤剖面分异和物质移动养分生物有效性污染物质缓冲性.24第24页第24页一、土壤氧化还原体系 土壤中同一物质可分为氧化态(剂)和还原态(剂

11、)，构成相应氧化还原体系 。25第25页第25页土壤氧化还原体系土壤中主要氧化剂是空气中O2，另一方面是NO3-、Fe3+、Mn4+、SO42-。土壤中主要还原剂是有机质，尤其是新鲜未分解有机质。将土壤中氧化还原体系分为：（1）无机体系：氧体系、铁体系、锰体系、氮体系、硫体系、氢体系。（2）有机体系：各种有机物质。第26页第26页土壤氧化还原体系特点 是主要氧化剂: 在通气良好土壤中，氧体系控制氧化还原反应，使各种物质呈氧化态，如NO3-、Fe3+、Mn4+、SO42-等。 SOM(尤其是新鲜有机物)是还原剂: 土壤缺条件下，将氧化物转化为还原态。 土壤氧化还原体系可分为无机体系和有机体系:

12、无机体系反应普通是可逆，有机体系和微生物参与条件下反应是半可逆或不可逆。 27第27页第27页 氧化还原反应不完全是纯化学反应，很大程度上有微生物参加如:NH4+NO2-NO3-(分别在亚硝酸细菌和硝酸细菌作用下完成) 土壤是不均匀多相体系，不同土壤和同一土层不同部位，氧化还原情况会有不同差异。 土壤氧化还原情况随栽培管理办法尤其是灌水、排水而改变。 土壤中氧化还原平衡经常变动，不同时间、空间，不同耕作 管理办法等都会改变Eh值。严格地说，土壤氧化还原永远不可能达到真正平衡。土壤氧化还原体系特点 28第28页第28页强度指标氧化还原电位 (Eh)土壤溶液中氧化态物质和还原态物质浓度关系改变而产

13、生电位。单位为伏(V)或毫伏(mV) Oxidized state + ne reduced state电子活度负对数（pe)二、土壤氧化还原指标29第29页第29页数量指标 土壤中氧化、还原性物质数量。 Eh与pH 关系 土壤氧化还原反应总有H+参与，H+活度对氧化还原平衡有直接影响。 Oxidized state + ne + mH+ reduced state + xH2O Eh随pH升高而减少，每单位pH引起Eh改变为59mV(25）。同一氧化还原反应在碱性溶液中比在酸性溶液中容易进行。30第30页第30页三、影响土壤氧化还原原因1、土壤通气性：通气性好，O2浓度高，Eh值高，氧化性强

14、。2、微生物活动：微生物活动消耗O2多，Eh值减少。3、易分解有机质含量有机质分解主要是耗氧过程，在一定通气条件下，土壤中易分解有机愈多，耗氧也愈多，其氧化还原电位就较低。31第31页第31页4、 植物根系代谢作用根系消耗O2，根系分泌物能增长根际微生物和直接参与氧化还原反应，故根际土壤Eh值低于根外土壤。但是水生植物，含有分泌O2和通气组织，根际土Eh值高于根外土壤。植物与根距离(mm)两端差123410小麦440458467488514-74大豆554561566567568-14水稻27626425924122155第32页第32页5. 土壤pH土壤氧化还原反应总有H+参与，因此土壤pH

15、对Eh值有明显影响。在原则情况下有下列关系：总来普通土壤Eh值随pH上升而下降。第33页第33页第三节 土壤胶体一、土壤胶体概念 土壤中固相、液相和气相呈互相分散胶体状态，其固体颗粒直径小1m，土壤胶体常指这些固相颗粒。即土壤学中所指土壤胶体是指土壤颗粒直径小于2m或者小于1m土壤微粒。 34第34页第34页二、土壤胶体结构1、微粒核（胶核） 微粒核是土壤胶体微粒关键部分，它是由构成胶体微粒基本物质分子群所构成。35第35页第35页2、扩散双电层 扩散双电层是胶体表面电荷吸引反号电荷离子，在固相界面正负电荷分别排成两层，在电解质溶液中部分反号离子呈扩散状态分布。扩散双电层分下列两层。36第36

16、页第36页（1）决定电位离子层 是吸附在胶粒核表面，决定胶粒电荷正负及大小一层离子。 （2）补偿离子层 分为两个层次。 非活性补偿离子层。扩散层。37第37页第37页3、胶团间溶液： 胶体分散体系中分散介质，胶粒之间土壤溶液。38第38页第38页胶体微粒扩散双电层结构图式39第39页第39页胶团双电层胶核补偿层（双电外层）定位离子层（双电内层）不活动层扩散层胶核微粒团胶粒第40页第40页 单位质量或体积物体总表面积称为比表面积或比面（cm2/g,cm2/cm3）。 在物体表面，由于表面分子四周不都是相同分子，受到力就不均衡，使表面分子对外表既有剩余能量，这种能量是由于表面存在而产生，因此叫做表

17、面能。 三、土壤胶体性质（一）巨大比表面积和表面能41第41页第41页（二）带电性 土壤胶体微粒都带有一定电荷，在多数情况下带负电荷，但也有带正电荷，还有因环境条件不同而带不同电荷两性胶体。土壤胶体微粒带电主要原因是因为微粒表面分子本身解离所致。42第42页第42页2. 腐殖质胶体带电COOH COOHOH OH 由于腐殖质分子量大、官能团多，解离后带电量大，对土壤保肥供肥性有主要影响。 1. 含水二氧化硅（H2SiO3） H2SiO3 SiO322H43第43页第43页（1）同晶置换作用 粘土矿物晶质中一个离子被另一个离子取代过程。在这个过程中，只改变了矿物质化学成份，而矿物结晶结构不变，故

18、叫做同晶置换作用。3粘土矿物胶体带电 土壤中粘土矿物胶体普通都带负电荷，其电荷起源有下列几种方面。44第44页第44页 永久电荷：在岩石化学风化过程中，因粘土矿物晶格内发生同晶置换而产生电荷。45第45页第45页（2）晶格破碎边沿带电 矿物质风化破碎过程中，晶格边沿离子一部分电荷未被中和而产生剩余电荷，使晶体边沿带电。（3）晶格表面分子解离 当土壤溶液pH值改变时，晶格表面OH基发生解离。46第46页第46页 可变电荷：随土壤pH值条件而改变电荷，是由于胶体颗粒表面基团解离或质子化而引起。47第47页第47页表面既带负电荷，亦带正电荷土壤胶体称两性胶体，随溶液土壤反应改变而改变（三水铝石、腐殖

19、质上一些原子团在不同pH条件下等）。4两性胶体带电48第48页第48页以Al（OH）3为例阐明下列：在碱性环境中带负电： Al（OH）3NaOH Al（OH）2O NaH2OAl（OH）3HCl Al（OH）2 ClH2O在酸性环境中带正电：49第49页第49页 等电点：在某一pH条件下，当负电荷和正电荷数量相等时，胶体净电荷为零，这就是该胶体等电点pH值。50第50页第50页（三）土壤胶体分散性和凝聚性 胶体微粒均匀分散在土壤溶液中成为胶体溶液状态，称为溶胶。1土壤胶体溶液（溶胶）2土壤中无定形凝胶体（凝胶） 微粒彼此互相联结凝聚在一起，呈无定型絮状凝胶体，称凝胶。51第51页第51页 3分

20、散和凝聚作用 由溶胶联结凝聚成凝胶作用，叫做胶体凝聚作用。凝聚速度和强度与两个原因相关： 一是电解质浓度； 二是电解质种类。52第52页第52页 普通地，离子价数越高，离子半径越大，所产生凝聚能力越强。常见阳离子凝聚力排列顺序是： Fe3Al3Ca2Mg2KNH4Na53第53页第53页 凝胶分散成溶胶作用，叫做胶体分散作用。 胶体凝聚作用，有些是可逆，有些是不可逆。 当土壤干燥时，土壤溶液中电解质浓度相应增大，土壤胶体易成凝胶状态。相反，当土壤水分增多土壤溶液浓度相应减少，土壤胶体便会带有多出负电荷，互相排斥而成溶胶状态。54第54页第54页 普通土壤胶体处于凝胶状态。只有当渍水过多，或胶体

21、吸附阳离子主要是NH4、Na，并且又处于稀溶液中，土壤胶体才呈溶胶状态。55第55页第55页一、土壤缓冲性概念 狭义：土壤中加入酸性或碱性物质后，土壤含有抵抗变酸和变碱而保持pH稳定能力，称土壤缓冲作用，或缓冲性能。广义：土壤是一个巨大缓冲体系，对营养物质、污染物质、氧化还原等也含有缓冲性，即含有抵抗外界环境改变能力。这是土壤质量及肥力主要指标。第四节 土壤缓冲性56第56页第56页二、土壤酸、碱缓冲性 土壤酸、碱缓冲原理弱酸及其盐类共存：土壤中有许多弱酸碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸等，当这些弱酸与其盐类共存，就成为对酸、碱物质含有缓冲作用体系。 HAc+NaAc体系: HAc H+ + Ac-当

22、加入HCl： NaAc+HCl HAc+NaCl 当加入NaOH: HAc+NaOH NaAc+H2O57第57页第57页土壤胶体：土壤胶体互换性阳离子对酸碱缓冲作用更大胶体互换性H+、Al3+ 弱酸，缓冲碱性物质 胶体互换性盐基 弱酸盐，缓冲酸性物质 Colloids Colloids M+HClH+MCl58第58页第58页 依据弱酸平衡原理，弱酸用碱中和形成盐，pH与中和程度之间关系下列： pHpKa+lg盐酸 pHpKa+lg盐基H+、Al3+ 土壤对酸碱缓冲能力与酸和盐总浓度及酸、盐比值关系。 总浓度越大，缓冲能力越强； 总浓度不变，酸、盐比值为1时缓冲力最大。 缓冲能力随土壤CEC

23、增长而增大； 土壤BS50%时，对酸碱缓冲能力最大。59第59页第59页碳酸盐体系: 石灰性土壤缓冲作用主要决定于 CaCO3-H2O-CO2体系 CaCO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2HCO3- pH6.03-2/3logPco2 普通地，土壤空气中CO2浓度0.03%10%，pH8.56.7。硅酸盐体系：风化、蚀变过程中释放出碱金属和碱土金属离子，转化为粘土矿物，对酸性物质缓冲作用。互换性阳离子体系：对酸、碱物质缓冲作用。CEC越大，缓冲力越大。 胶体互换性H+、Al3+ 弱酸，缓冲碱性物质 胶体互换性盐基 弱酸盐，缓冲酸性物质 土壤酸、碱缓冲体系 60第60页第60页铝体系

24、：对碱性物质缓冲作用(pH5.0) pH5.0时，铝离子形成Al(OH)3沉淀，失去缓冲能力。有机酸体系：有机酸及其盐对酸碱物质缓冲作用61第61页第61页缓冲容量使单位质量(或容积)土壤改变1个pH单位所需酸或碱量。滴定曲线土壤悬液中连续加入标准酸或碱液，测定pH改变，以pH和加入酸碱量为坐标绘制曲线，也称缓冲曲线。 不同土壤缓冲容量(曲线)不同，同一土壤缓冲容量(曲线斜率)也有改变。 腐殖酸有羧基、酚羟基等解离度不同多个酸基，其滴定曲线类似于多元酸。 土壤胶体带负电荷，可看作酸胶基或弱酸H+饱和胶体滴定曲线与强酸相同Al3+饱和胶体滴定曲线则与弱酸相同土壤酸、碱缓冲容量和滴定曲线62第62

25、页第62页63第63页第63页土壤酸碱缓冲性影响原因土壤无机胶体 类型不同，CEC不同，缓冲性不同。 蒙脱石伊利石高龄石水合氧化铁、铝土壤质地 粘土壤土砂土土壤有机质含量 表土底土64第64页第64页一、生物对土壤酸碱性和氧化还原状态适应性 植物适宜酸碱度 大多数植物适宜pH范围68，即中性至微碱性；有植物能适应较宽pH范围，有只能在一定pH范围生长，可作为土壤酸碱性批示植物。 酸性土批示植物马尾松、油茶、茶、映山红铁芒箕、石松等。 钙质土批示植物柏树、蜈蚣草等。 盐碱土批示植物盐蒿、碱蓬等。第五节 土壤酸碱性和氧化还原情况与生物环境65第65页第65页不同植物对土壤酸碱性适应性是长久自然选择

26、结果：生理适应性，与遗传性相关。营养生理病，如酸性土缺钙引发梨黑心病。营养菌害病，如马铃薯疮痂病为生链霉菌引发，对锰敏感，酸性土壤中有效锰较多，能抑制这种病菌，故马铃薯适宜于酸性土。 66第66页第66页土壤Eh值范围和植物生长 普通地，土壤pH49；Eh -450720mV, pe -412;旱地土壤：Eh400700mV (pe126)水田土壤：Eh -200300mV (pe -35)不同作物对Eh有不同适应性：旱地植物：根际土壤Eh根域外土壤67第67页第67页土壤氧化、还原性普通区别：Eh400mV 氧化性，O2占优势，各种物质呈氧化态，如NO3-、MnO2、Fe2O3、SO42-等

27、对旱作有利，对水稻不太适宜。假如Eh750mV，有机质好气分解过旺，Fe、Mn等处于高度氧化态，有效性低。Eh 400200mV 弱还原性O2、NO3-、Mn4+发生还原，水稻生长正常，旱作开始受影响。Eh 200100mV 中度还原性，Fe3+和SO42-发生还原，出既有机还原物质。旱作发生湿害。 Eh在100mV下列 强度还原性，CO2、H+被还原，土壤积累多量还原性物质，可使水稻受害68第68页第68页土壤pH、Eh与土壤微生物活性 土壤细菌、放线菌适于中性和微碱性环境，pH5.5强酸性土中活性下降。 真菌适应酸性土。 土壤微生物呼吸需要O2，Eh值高，微生物活性强，活动消耗O2，使Eh

28、值减少。 在土壤通气性一致条件下，Eh值可反应微生物活性。69第69页第69页二、土壤酸碱性和氧化还原情况对养分有效性影响土壤酸碱性对养分有效性影响 土壤pH6.5时，各种养分有效性都较高。在微酸至碱性土壤中，氮、硫、钾有效性高。pH67土壤中，磷有效性最高。 pH5时，土壤活性铁、铝增长，易形成磷酸铁、铝沉淀。 pH7时，易形成磷酸钙沉淀。 70第70页第70页pH6.58.5土壤中，有效钙、镁含量高，强酸和强碱性土中，其含量低。Fe、Mn、Cu、Zn有效性在酸性土中高；在pH7土壤中明显减少，常出现Fe、Mn供应不足。Mo在酸性土中有效性低，当pH6时，其有效性增长。B在强酸性土和石灰性土中有效性较低，在pH67和pH8.5碱性土中有效性较高，表现较复杂情况。71第71页第71页土壤氧化还原情况对养分有效性影响 主要影响变价元素有效性和物质存在形态。 Fe3+、Mn4+还原成Fe2+、Mn2+后溶解度和有效性增长。 氮形态： Eh480mV时，以NO