土壤流體組成及其診斷和治療特性

1、【知識結構】第四章 土壤形成因素學說第一節(jié) 土壤空氣及其運動第二節(jié) 土壤熱量狀況第三節(jié) 土壤水分及其特性第四節(jié) 土壤分散系及其特征【目的要求】1、掌握土壤流體物質組成及其主要診斷特性2、了解土壤空氣及其運動、掌握土壤熱量狀況3、認識土壤水類型、土水勢及土壤水分狀況4、理解土壤分散系及其中物質轉化過程5、掌握土壤肥力與生態(tài)環(huán)境功能【重點難點】 1、掌握土壤流體物質組成及其主要診斷特性2、了解土壤空氣及其運動3、土壤水類型、土水勢及土壤水分狀況4、土壤分散系及其中物質轉化過程5、土壤肥力與生態(tài)環(huán)境功能 土壤空氣是土壤的重要組成成分，它和土壤水分共同存在于土壤孔隙之中，是影響土壤肥力與土壤自凈能力的

2、因素之一。土壤空氣的組成與大氣層中空氣的組成有明顯的不同。第一節(jié) 土壤空氣及其運動一、土壤空氣來源與組成特點來源：近地大氣層組成特點：1.CO2含量高于大氣,氧氣含量低于大氣2.一般水氣飽和3.含較多復原性氣體二、土壤氣體交換過程1、分子擴散 土壤中不斷進行的動植物呼吸作用和微生物對有機質物的生物化學分解作用，使得土壤空氣中O2不斷消耗和CO2逐漸累積，其結果是土壤空氣中O2、CO2濃度與近地層大氣中O2、CO2濃度之間差異的擴大，必然引起O2、CO2氣體分子擴散的發(fā)生，亦稱土壤的呼吸作用。圖3-1 土壤空氣與近地大氣之間氣體擴散過程示意圖2、整體交換近地大氣層空氣的湍流運動引起土壤與大氣之間

3、的空氣交換過程。第三節(jié)土壤水分及其特性一、土壤水分的意義土壤水是土壤的最重要組成局部之一，約占土壤組成的25。重要性主要表達在：1)水分是植物生長發(fā)育不可缺少的因子。2)土壤水分是土壤形成、發(fā)育的催化劑。3)土壤水分運動是全球水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。全球水分循環(huán)示意圖 (據(jù)Botkin D B, 1998) 土壤水分的來源大氣降水灌溉水地下水土壤水分的損耗土壤地面蒸發(fā)水分滲漏植物吸收和蒸騰徑流損失土壤水分的來源和損耗二、土壤水分類型及特性1、水分類型的劃分水分進入土壤后，受到重力、分子力、毛管力等作用，存在不同的形態(tài)和運動形式，通常進行如下劃分：固態(tài)水土壤水氣態(tài)水束縛水自由水化學結合水 物理束縛水化

4、合水結晶水吸濕水膜狀水毛管水重力水毛管上升水毛管懸著水自由重力水支持重力水冰固態(tài)水土壤溫度在0C以下，以固體狀態(tài) 存在的水分。分布：高緯度地帶和高山地區(qū)含永凍層的冰沼土。 中緯度地帶含季節(jié)性凍層的土壤。有效性：固態(tài)水為無效水。青藏高原南極大陸長城站 化合水是指參與礦物晶格組成，并被 礦物牢固所保存的水分；如：伊利石，F(xiàn)e(OH)3等105C釋放結晶水是指和礦物晶格相結合不牢固的水分。如，石膏，105C釋放二者為無效水伊利石氣態(tài)水土?？諝獯嬖谟谕寥揽諝庵械乃?。含量少；氣態(tài)水是無效水；吸附水吸濕水: 由土壤顆粒的外表張力所吸附的水分。水汽土粒水分子和土壤顆粒的吸力大，可1萬大氣壓,又稱為緊束縛

5、水；屬于無效水分。最大吸濕水量、吸濕系數(shù)性質：最大分子持水量：薄膜水的最大含量。膜狀水土粒薄膜水膜狀水指在吸附水膜外層的水分。水分子和土壤顆粒的吸力較小，在316個大氣壓,具有活性，又稱為松束縛水；局部有效，但不能滿足植物需要。調萎系數(shù)：植物呈現(xiàn)永久調萎時的土壤含水量。性質：毛管水 是靠土壤中毛管孔隙所產生的毛管引力所保持的水分。引力較小，在61/3大氣壓，是自由水，是有效水，是毛管水是土壤中最珍貴的水分。 毛管水又可以分為兩種類型。毛管懸著水： 土體中與地下水位無聯(lián)系的毛管水。主要來源：降水、灌溉、溶雪等毛管懸著水的到達最大時，稱田間持水量。地下水位毛管上升水：土體中與地下水位有聯(lián)系的毛管水

6、。地下水位高土 粒重力水當土壤水分含量超過田間持水量，土壤中多余水指充滯非毛管空隙，存在于土壤中的時間短，很快會因為重力作用而滲入或流出。當土壤空隙全部填滿水時，稱為飽和持水量。2、土壤水的有效性水分形態(tài)水分有效性水分常數(shù)土壤水吸力10000105度下烘干31156.250.50.08吸濕系數(shù)膜 狀 水萎焉系數(shù)最大分子持水田間持水量毛管持水量飽和持水量毛管懸著水重力水多余水毛 管 上 升 水結晶水化合水一定情況下有效吸附水無效水有效水土壤水分常數(shù)(soil moisture constant) 在一定條件下的土壤特征性含水量稱土壤水分常數(shù)。吸濕系數(shù)凋萎系數(shù)田間持水量飽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數(shù)至田間持水量的水分。圖1-21 不同質地土壤的有效水分含量圖三、土水勢(soil water potential)1、土水勢概念 土壤水的能量狀態(tài) 動能 勢能(毛管力、范德華力、壓力、溶質力、重力等)土水勢是衡量土壤水分能量的指標，說明土壤自由水能與標準的參考狀態(tài)的水相比的差值?？梢岳斫鉃椋簡挝凰繌囊黄胶獾耐了到y(tǒng)移動到與它同溫度而處于參比狀態(tài)的水池時所作的功。國際土壤學會(1963)：把單位質量純水可逆地等溫地以無限小量從標準大氣壓規(guī)定下的水池移至土壤中某一點而成為土壤水所作的有用功。一般規(guī)定在一個標準大氣壓下，與土壤溫度相同，以及固定高度的

8、儲水池中純自由水的勢能，作為土水勢的標準參考狀態(tài)，并規(guī)定其水勢為零?；谕了畡萃寥浪\動特點 土壤水一般從高自由能流向低自由能，一般與含水量無關。 如含水量為15%的粘土、10%的砂土。 水分飽和時為正值，水分不飽和為負值。1基質勢：土壤水分運動受到土壤顆粒的吸附力、毛管力作用產生的勢能。 水分不飽和為負值，飽和為零。2壓力勢：靜水壓力作用， 自由水面以下為正值，自有水面的水為零3溶質勢：滲透勢，土壤溶質離子吸水，為負值。4重力勢：重力作用，與選取的基準有關，可為正值或負值。5總水勢：2.土水勢類型根據(jù)受力狀況土壤水分狀況(soil moisture regimes)不僅影響土壤中物質能量的遷

9、移轉化過程，還影響土壤形成發(fā)育的方向和性質。根據(jù)成土環(huán)境及土壤特征，可以將土壤水分狀況劃分為以下類型：淋溶型與周期淋溶型； 非淋溶型；滲出型；停滯型； 凍結型。 4、土壤水分狀況圖5-5 全球土壤水分狀況季節(jié)性變化圖第四節(jié) 土壤分散系及其特性一、土壤分散系的概念及其分類1、土壤分散系概念 體系：在復雜綜合體的科學研究上，選取復雜綜合體的一局部作為 研究對象，稱之為體系。 相： 體系中物理和化學性質完全相同的任何均勻局部，且同其它局部有一定的界面隔開來的叫做一個相。 根據(jù)相的多少體系可以劃分為： 均與體系或單項體系 不均勻體系或多項體系 分散體系或分散系:一種物質分散在另一種物質中所形成的體系.

10、 土壤分散系分散質、分散劑2、土壤分散系的類型 根據(jù)分散質顆粒大小，可以分為 土壤溶液：小于10-9m 土壤膠體：10-9-10-7m 二、土壤膠體1、土壤膠體及其特性1膠體的根本構造1微粒核2雙電層:決定電位離子層補償離子層：非活性的補償離子層擴散層膠核決定電位離子層補償離子層2土壤膠體的類型 土壤膠體可分為三種類型： 1 土壤礦質膠體； 2 有機膠體； 3有機-無機復合膠體。3土壤膠體的特性1巨大的比外表能和外表能2帶有電性 (3)凝聚和分散作用凝膠和溶膠兩種狀態(tài)不可逆凝膠： Fe3+、AI3+、Ca2+、Mg2+ 土壤結構的水穩(wěn)定性強可逆凝膠： NH4+、K+、Na+土壤膠體電荷的起因1

11、同晶置換作用 2晶格外表OH基解離 析出H+，吸收H+3晶格破碎邊緣帶電 2、土壤膠體的離子交換吸附離子交換/代換：在土壤膠體雙電層的擴散層中，補償離子可以和介質溶液中相同電荷的離子以離子價為依據(jù)進行等價交換。離子交換作用的類型：陽離子交換吸附作用和陰離子交換吸附作用 1)土壤膠體的陽離子交換吸附1概念：土壤中帶負電荷膠體吸附的陽離子與土壤溶液中的陽離子以離子價為依據(jù)進行等價交換。 交換過程反響方程式：膠粒+ Ca2+ + 2Na+NaNa膠粒Ca=陽離子交換作用對土壤中養(yǎng)分的保持和供給起著重要作用。當土壤溶液中陽離子吸附在膠體上時，表示陽離子養(yǎng)分的暫時保蓄，即保肥過程；當膠體上的陽離子解離至

12、土壤溶液中時，表示養(yǎng)分的釋放，即供肥過程。2)影響陽離子交換作用的因素陽離子的交換能力a. 離子電荷價 ：陽離子所帶的電荷數(shù)愈多，其交換能力愈強。 M3+ M 2+ M +M表示陽離子b.離子的半徑及水化程度( 原子序數(shù))： 同價離子，離子半徑大，水化就半徑小，交換能力越強。 離子半徑大小與交換力的關系，可由水化作用來解釋。 離子半徑越大，單位面積上所帶的電荷越小，因此，對水分子的吸引力小，即水化程度弱，離子水化半徑越小，其與膠粒間距離也愈小，按庫侖定律，它和膠粒間的吸引力就愈大，它代換其它離子的能力就愈強。c. 離子運動速度：凡離子運動速度愈大的，其交換力也愈大。例如氫離子就是這樣，而且氫離

13、子水化很弱，通常H+只帶一個水分子，即以H3O+的形態(tài)參加交換，水化半徑很小，因此它在交換力上具有特殊位置。陽離子交換能力順序： Fe3+Al3+H+Sr2+Ba2+Ca2+Mg2+CS+K+NH4+Na+ Li+ 質量作用定律如果溶液中某種離子的濃度較大，那么雖其交換能力較小，同樣能把膠體上交換能力較大的其它陽離子代換下來?？煽刂仆寥乐嘘栯x子交換作用的方向，定向地改造土壤，提高土壤肥力。土壤陽離子交換量： Cation Exchange Capacity， CEC在一定土壤pH值條件下，土壤能吸附的交換性陽離子的總量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)。 單位：cmol /

14、 kg土壤陽離子類型膠體上吸附的陽離子分為兩類：一類是酸性陽離子如H+ 和Al3+。一類是鹽基離子如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等，鹽基離子為植物所需的速效養(yǎng)分。3影響土壤陽離子交換量因素(了解內容)膠體類型膠休種類腐殖質蛭石蒙脫石水云母高嶺石含水氧化鐵、鋁CEC（cmol(+)kg-1)150-500100-15060-10020-403-15微量比表面（m2g-1)800-1000700800100-2005-20-質地陽離子交換量（cmol(+)kg-1)砂土1-5砂壤土7-8壤土7-18粘土25-30土壤質地土粒愈細，無機膠體數(shù)量愈多，交換量便愈高。土壤pH值土壤介質中P

15、H值降低時膠體微粒所帶的負電荷減少，CEC減少。 土壤交換量的大小，根本上代表了土壤的保持養(yǎng)分數(shù)量，也就是平常所說的保肥力上下；交換量大，也就是保存養(yǎng)分的能力大，反之那么弱。所以，土壤交換量可以作為評價土壤保肥力的指標。一般地：小于10 cmol/kg，保肥力弱；1020 cmol/kg，中等；大于20 cmol/kg，強。CEC與土壤肥力的關系陽離子交換量和施肥有密切關系：在施肥時不僅要了解作物的需要，同時還要考慮土壤交換量的大小。在生產上的意義例如在砂土上施用化肥，由于土壤交換量小，土壤保肥力差，應該分屢次施肥，每次施量不宜多，以免養(yǎng)分淋失。對于交換量小、保肥力差的土壤，可通過施用河塘泥、

16、廄肥、泥炭或摻粘土，以增加土壤中的無機、有機膠體，以及通過施用石灰調節(jié)土壤反響等來提高土壤的陽離子交換量。舉例？我國南北方土壤的CEC和BSP比較長江中下游發(fā)育在沖積母質上的土壤，粘土礦物以蒙脫石、水云母為主，CEC大約為2030cmol(+)kg-1。BSP在華南西南為紅、黃壤地帶，無機膠體以高嶺石和含水氧化鐵、氧化鋁為主，土壤酸性大，pH值低，陽離子交換量小，一般每千克土只有十幾個厘摩爾，廣東的磚紅壤的交換量只有5.2 cmol(+)kg-1。BSP在30%以下。長江中下游地區(qū)含蒙脫石、水云母較多，土壤反響又多為中性或微堿性，因此，陽離子交換量一般較高。例如東北的黑土、內蒙的栗鈣土的交換量

17、在3050 cmol(+)kg-1。北方4土壤鹽基飽和度BSP1陽離子分為兩類：一類是酸性陽離子，包括H+ 和Al3+一類是鹽基離子，包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等2土壤鹽基飽和度：指土壤膠體上交換性鹽基離子占交換性陽離子總量的百分率。以算式表示為：鹽基飽和土壤：土壤膠體吸附的陽離子如絕大多數(shù)80%以上為鹽基離子。鹽基不飽和土壤：鹽基飽和度在80%以下，H+、Al3+等離子含量較多。我國南方巖石礦物風化作用強、鹽基淋失強，一般為鹽基不飽和的土壤酸性土 壤，北方那么相反，土壤的鹽基飽和度都在80%以上中性或堿性土壤。土壤鹽基飽和度越大，養(yǎng)分有效性越高，因此鹽基飽和度是土壤肥力的

18、指標之一。真正反映土壤有效速效養(yǎng)分含量的大小。假設陽離子交換量大，而鹽基飽和度偏小，需要采取措施對土壤加以改進，如施肥或用石灰中和。定義：土壤中帶正電荷的膠體吸附的陰離子與土壤溶液中陰離子的相互交換作用。如含水氧化鐵、含水氧化鋁，在酸性條件下帶正電。意義：一些重要的營養(yǎng)元素，和污染物多成陰離子存在。根據(jù)機理分類：1非專性吸附類似陽離子交換吸附2專性吸附：土壤對重金屬離子和多價含氧酸根等陰離子的非靜電引力所引起的吸附。吸附過程：主要發(fā)生在土壤中水合氧化物型外表(即羥基化外表)和溶液的界面上，在膠體的電位層中進行而不是在擴散層中進行。被專性吸附的離子都結合得比較牢固。如被專性吸附的金屬離子不能被K

19、+，Na+，NH4+，Ca2+，Mg2+等所置換，被專性吸附的陰離子也不能被NO3-和C1-所置換，但可局部地被OH-和C1-所置換 2土壤膠體的陰離子交換吸附土壤吸收作用：土壤中的微團聚體、土壤的細微孔隙和高度分散膠粒外表等，均具有吸收和保持氣體、液體、分子、離子或其他膠體微粒等的功能。1機械吸收：是指疏松多孔的土壤對介質中物質顆粒的阻滯截留作用。 現(xiàn)象：淀積層形成、土壤表層的懸浮物。2物理吸收：土壤微顆粒借助外表能從介質中吸收并保持一些分子態(tài)物質。 現(xiàn)象： 土壤返潮現(xiàn)象。 作用：3化學吸收：土壤介質中的可溶性化合物轉化為難溶性化合物過程， 現(xiàn)象：如P固定。 作用：固定養(yǎng)分、但難以吸收，可能

20、吸收有害物質。4生物吸收：植物根系和葉片選擇性的吸收土壤或大氣中養(yǎng)分元素。 特點：生物放大功能， 現(xiàn)象：土壤某些元素養(yǎng)分、污染物累積。5代換性吸收：即陽離子代換性吸收和 陰離子代換性吸收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氣體、溶質的總稱。分析土壤溶液組成、特性及其中化學過程，是土壤地理學、環(huán)境科學研究的重要內容。1、土壤溶液的溶質組成無機鹽類簡單有機物溶解性氣體2、土壤溶液的酸堿度1土壤的PH值：土壤酸堿度的化學指標，含義是指土壤水溶液中 H+活度的負對數(shù)， 即pH=-logH+。25C純水電解方程式：H20 H+ OH-電解常數(shù)：KwH+ OH- / H2O = 10-14 離子積 由于水的活度H2O1 從純水的電解式可以看出 H+ OH-107 因此純水屬于中性，其PH值7自然環(huán)境中，常見土壤pH在410之間大多數(shù)土壤的pH在5.58.5之間土壤H+來源