《土壤學》課件第5章 土壤化學性質(zhì)

1、1第五章 土壤化學性質(zhì)第一節(jié) 土壤膠體第二節(jié) 土壤離子吸附與交換第三節(jié) 土壤酸堿性第四節(jié) 土壤氧化還原性質(zhì)2本章重點掌握土壤膠體的電荷特性土壤陽離子交換土壤酸性的成因與種類土壤酸堿性對土壤肥力的影響土壤氧化還原狀況的調(diào)節(jié)3一、土壤膠體的概念 1、土壤膠體膠體和其它分散系第一節(jié) 土壤膠體4膠體與其它分散系粗分散系膠體分散系分子分散系1000 nm1-1000 nm0.0-1 nm懸浮體膠體真溶液多相態(tài)多相態(tài)單相態(tài)5一、土壤膠體的概念 1、土壤膠體（ soil colloid ）土壤膠體土壤中小于2 m的固相顆粒第一節(jié) 土壤膠體6一、土壤膠體的概念 2、土壤膠體的種類無機膠體粘粒礦物有機膠體腐殖質(zhì)

2、、高分子有機化合物微生物體有機無機復合體第一節(jié) 土壤膠體7第一節(jié) 土壤膠體1、外表面2、內(nèi)表面無機膠體晶層間有機膠體蜂窩狀二、土壤膠體的表面內(nèi)表面8第一節(jié) 土壤膠體3、總表面總表面=內(nèi)表面外表面常用比表面（specific surface area）表示m2/g腐殖質(zhì)蒙脫石蛭石水云母高嶺石9土壤膠體的表面積 膠體種類內(nèi)表面積(m2/g)外表面積(m2/g)總表面積(m2/g)腐殖質(zhì)_800900蒙脫石70075015150700850蛭石400750150400800水云母059015090150高嶺石054054010第一節(jié) 土壤膠體 4、土壤膠體的表面類型2:1型粘粒礦物的表面 SiOSi

3、1:1型粘粒礦物的表面SiOSiAlOH11第一節(jié) 土壤膠體 硅氧烷型SiOSi不易解離水合氧化物型AlOH，F(xiàn)eOH，SiOH易解離和締合而產(chǎn)生電荷有機物型COOH，OH，CHO，OCH3, O，NH2, 易解離和締合而產(chǎn)生電荷二、土壤膠體的表面 4、土壤膠體的表面類型12第一節(jié) 土壤膠體三、膠體表面電荷與電位 1、永久電荷同晶置換 （isomorphous substitution）礦物形成時發(fā)生低價陽離子置換高價陽離子如：AlMg，SiAl13在礦物結(jié)晶過程中可以產(chǎn)生同晶置換Al3+14第一節(jié) 土壤膠體三、膠體表面電荷與電位 1、永久電荷一般為負 2:1型礦物帶電的主要原因1:1型礦物中

4、較少定義：？15第一節(jié) 土壤膠體2、可變電荷（Variable Charge ）定義：pH dependent charge 由環(huán)境pH值變化而引起，電荷數(shù)量和符號都隨pH值而變化起因表面基團：解離、締合結(jié)構(gòu)斷裂：邊面斷鍵16腐殖質(zhì)功能團的解離和質(zhì)子化產(chǎn)生可變電荷COOH + OH- COO- + H2ONH2 + H+ NH3+17水合氧化物在不同pH下帶不同電荷MOHOH2OH-MOHOH+ H2O_H+MOH2OH2+18三水鋁石在酸性環(huán)境中可以帶正電荷OH2 +OH O- 19高嶺石的邊面斷鍵產(chǎn)生可變電荷20第一節(jié) 土壤膠體三、膠體表面電荷與電位2、可變電荷（Variable Char

5、ge）是腐殖質(zhì)、水合氧化物帶電的原因1:1型礦物多數(shù)電荷產(chǎn)生的原因2:1型礦物可變電荷很少3 、土壤電荷符號和數(shù)量正電荷、負電荷、凈電荷凈負電荷=CECcmol/kg21第一節(jié) 土壤膠體三、膠體表面電荷與電位3 、土壤電荷符號和數(shù)量土壤電荷主要在膠體膠體組成、數(shù)量、環(huán)境決定土壤電荷數(shù)量熱帶土壤負電荷量低，甚至有正電荷膠體間相互作用影響電荷數(shù)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)有機質(zhì) 20010900蒙脫石1009550高嶺石 825752三水鋁石 40100523第一節(jié) 土壤膠體三、膠體表面電荷與電位4、土壤膠體的表面電位雙電層理論固相表面電荷：決定電位離子層溶液中電荷：補償離子層（外層）非活性補償離子層擴散層24土壤膠體的雙電層模型擴散層中的電位變化25第一節(jié) 土壤膠體四、土壤溶液1、土壤溶液的成分無機鹽10-3 M：鈣、鎂、鉀、鈉、銨低濃度 4）受陽離子交換力大小影響交換力：M3+M2+M+同價的離子：水化半徑 小大H+交換力特強：酸性土壤 5）受補償陽離子和陪伴陰離子影響30陽離子離子

7、交換力順序離子價數(shù)離子半徑(nm)交換力順序未水化水化Na10.0930.7906NH410.1430.5375K10.1330.5324Mg20.0781.3303Ca20.1061.0002H1-131第二節(jié) 離子交換二、陽離子交換量（CEC）1、概念定義：pH7，最大陽離子容量單位：cmol (+)/ kg意義：保肥、耐肥、供肥以1525 cmol / kg 為宜20，保肥力高1020，保肥力中等壤土砂土3) 土壤pH值pH可變負電荷CEC 帶可變電荷多的膠體的 CEC受 pH影響大南方土壤CEC受 pH影響大35第二節(jié) 離子交換三、鹽基飽和度1、概念1）鹽基離子除H+、Al3+外的各種

8、離子2）致酸離子土壤膠體上吸附的H和Al3+ Al3+ 使溶液呈酸性：3H2O + AlCl3 Al(OH)3 + 3HCl36第二節(jié) 離子交換3）鹽基飽和度交換性鹽基離子占陽離子交換量的百分數(shù)37第二節(jié) 離子交換三、鹽基飽和度2、意義是土壤肥力標志7090，土壤肥沃5070，肥力中等50，低肥力反映土壤致酸離子含量H不是養(yǎng)料元素，Al3+多毒害鹽基飽和：中、堿性土壤鹽基不飽和：酸性土壤38CEC和鹽基飽和度CEC反映土壤保蓄陽離子總量的能力鹽基飽和度反映土壤保蓄植物所需主要陽離子的能力陽離子有效性不一樣39第二節(jié) 離子交換四、交換性陽離子有效度1、離子飽和度某一種陽離子占CEC的百分數(shù)意義集

9、中施肥砂土、粘土采取不同的施肥方法土壤CECcmol/kg交換性Ca cmol/kgCa飽和度Ca有效性A8675高B301033低40第二節(jié) 離子交換四、交換性陽離子有效度2、陪補離子與某種陽離子同時被吸附的其它陽離子賠補離子交換力強，離子有效度高土壤處理交換性陽離子組成小麥苗干重/g麥苗吸Ca量/mgA40%Ca60%H2.8011.15B40%Ca60%Mg2.797.83C40%Ca60%Na2.344.3641第二節(jié) 離子交換四、交換性陽離子有效度3、粘土礦物類型影響離子吸附的位置和有效性對離子有選擇性吸附4、pH和離子強度影響可變電荷影響離子價態(tài)5、陽離子的專性吸附被專性吸附的離子

10、有效性低42第二節(jié) 離子交換五、陽離子專性吸附1、概念過渡金屬離子Zn、Cu、Co、Mo、Ni、Ti半徑小，易絡合，易水合，易吸附金屬氧化物及其水合物Fe、Al、Mn表面帶羥基專性吸附的離子為非交換態(tài)，無效43第二節(jié) 離子交換五、陽離子專性吸附2、影響因素pHpH升高利于專性吸附土壤膠體類型不同膠體對不同金屬離子專性吸附差異很大非晶形膠體比晶形膠體吸附力大有機配位體有機質(zhì)配合力強有機配位體類型和濃度吸附存在轉(zhuǎn)折點44第二節(jié) 離子交換五、陽離子專性吸附3、意義富集微量金屬離子調(diào)控金屬離子生物有效性和毒性作為重金屬的匯45第二節(jié) 離子交換六、陰離子吸附與交換1、土壤陰離子以陰離子形式存在的養(yǎng)分：N

11、、P、S、B、Mo和多數(shù)土壤膠體帶相同符號的電荷2、陰離子的靜電吸附膠體表面正電荷鐵鋁氧化物、高嶺石邊面、有機質(zhì)正電荷基團、酸性pH產(chǎn)生正電荷吸附Cl-、NO3-、ClO4-等46第二節(jié) 離子交換六、陰離子吸附與交換3、陰離子的負吸附大多數(shù)土壤負吸附4、陰離子的專性吸附稱配位體交換吸附F-、PO43-、SO42-、MoO42-、AsO43-發(fā)生在膠體雙電層內(nèi)層，非交換性共存陰離子競爭主要發(fā)生在鐵鋁氧化物表面陰離子專性吸附與非專性吸附項目專性吸附非專性吸附吸附載體氧化物和氫氧化物層狀硅酸鹽礦物陰離子所起作用配位離子，電位決定離子反離子發(fā)生條件任何pHpHPZC機理配位體交換反應陰離子交換反應結(jié)果

12、減少正電荷，增加負電荷不影響表面電荷位置雙電層內(nèi)層擴散層吸附力配位鍵，共價鍵靜電引力Soils Sustain Life4748第三節(jié) 土壤酸堿性一、土壤酸性的形成 1、土壤中H+的來源H2O解離碳酸解離O.M.分解、植物呼吸CO2 H2CO3 H+有機酸解離H+酸雨：SO2，NOx施肥等其它無機酸酸性肥料：過磷酸鈣生理酸性肥料：(NH4)2SO4、KCl植物根系FeS2的氧化49第三節(jié) 土壤酸堿性2、土壤中鋁的活化H+超過一定限度，粘土礦物破壞，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 土壤膠體Al3HHCa2KNH4Mg2 H土壤膠體Al3H KCa2KNH4Mg2 K50第三節(jié) 土壤酸堿性二、土壤酸的類型活性酸（soil active acidity）土壤溶液中的H潛性酸（soil potential acidity）土壤固相表面吸附態(tài)的致酸離子交換性氫離子、鋁離子、羥基鋁離子被交換進入溶液后所引起的酸強酸性土壤，Al3+是主要致酸離子，H+占很少一部分酸性和弱酸性土壤，羥基鋁離子51第三節(jié) 土壤酸堿性二、土壤酸的類型活性酸與潛性酸處于動態(tài)平衡土壤總酸度=活性酸+潛性酸活性酸是土壤酸度的起源代表土壤酸的強度潛性酸

14、是土壤酸度的主體代表土壤酸的容量52第三節(jié) 土壤酸堿性三、土壤酸度指標強度指標pH值pHH2OpHKClpH值酸堿度分級8.5強堿性53我國土壤的pH值54第三節(jié) 土壤酸堿性三、土壤酸度指標強度指標石灰位pH-0.5pCa酸度取決于致酸離子與鹽基離子（Ca2+）的比例更全面反映土壤酸度和鹽基飽和度土壤類型pH石灰位水稻土母質(zhì)相差水稻土母質(zhì)相差磚紅壤5.235.120.113.402.291.11紅壤6.565.151.414.933.021.91棕紅壤6.835.711.125.323.911.4155第三節(jié) 土壤酸堿性三、土壤酸度指標數(shù)量指標交換性酸用中性鹽交換Al3+和H+膠粒-H+KCl

15、 膠粒-K + HCl然后用堿滴定單位cmol(+)/kg改良土壤酸性的重要依據(jù)水解性酸用強堿弱酸鹽（1M NaOAc）浸提滴定要消耗更多堿56第三節(jié) 土壤酸堿性四、土壤堿性的形成1、CaCO3水解CaCO3 + H2O = Ca2+ + OH- + HCO3-反應受空氣CO2分壓控制2、Na2CO3水解Na2CO3 + H2O = 2Na+ + 2OH- + H2CO3強堿性3、交換性Na+水解膠體-2Na+ + 2H2O = 膠體-H+ + 2NaOH57第三節(jié) 土壤酸堿性五、土壤堿性指標pH值總堿度碳酸根和重碳酸根總濃度單位：cmol(-)/L堿化度鈉離子飽和度510，輕堿化土壤1015

16、，中度1520，強度30，含鹽量9，堿土58第三節(jié) 土壤酸堿性六、影響土壤酸堿性的因素1、外界環(huán)境條件氣候：我國土壤 北南，pH逐漸降低母質(zhì)：鹽基含量，石灰?guī)r植被：有機物積累、殘落物成分地形：影響鹽基淋失生產(chǎn)活動：施肥、灌排、工業(yè)廢氣形成酸雨59第三節(jié) 土壤酸堿性六、影響土壤酸堿性的因素2、土壤因素鹽基飽和度土壤空氣CO2分壓石灰性土壤 pH6.88.5土壤含水量測量土壤pH注意水土比土壤氧化還原狀況旱改水，pH向中性發(fā)展60第三節(jié) 土壤酸堿性七、土壤酸堿緩沖性1、土壤緩沖性概念狹義的：抗拒pH值變化廣義的：對外界干擾抗拒性變的能力pH、氧化還原、物理、養(yǎng)分、污染物意義積極的穩(wěn)定土壤環(huán)境條件土

17、壤質(zhì)量指標不利的不良性質(zhì)的頑固性61第三節(jié) 土壤酸堿性七、土壤酸堿緩沖性2、土壤酸堿緩沖體系碳酸鹽體系石灰性土壤，緩沖pH8.56.7硅酸鹽體系風化釋放鹽基離子，緩沖酸性交換性陽離子體系CEC愈大，緩沖能力愈強有機酸體系對酸堿都有緩沖能力鋁體系強酸性土壤緩沖OH-離子62第三節(jié) 土壤酸堿性七、土壤酸堿緩沖性3、影響土壤酸堿緩沖性的因素土壤質(zhì)地粘土膠體多，CEC大無機膠體種類與數(shù)量蒙脫石伊利石高嶺石含水氧化鐵鋁土壤有機質(zhì)含量兩性膠體表土緩沖能力強63第三節(jié) 土壤酸堿性七、土壤酸堿緩沖性4、土壤酸堿緩沖容量概念：單位重量土壤改變一個單位pH所需要的酸或堿的數(shù)量緩沖曲線：pH變化加入的酸或堿量64第

18、三節(jié) 土壤酸堿性八、土壤酸堿性與植物生長和土壤肥力的關(guān)系1、植物適宜的土壤pH大多數(shù)作物、蔬菜、果樹 pH6865植物最適生長的土壤PH范圍 最適土壤pH值范圍植物種類4.05.0蘭花、高灌木越桔、泥炭蘚（pH3.55.0）、黑云杉4.55.5杜鵑花、白雪松、石松5.05.5茶、馬鈴薯、馬尾松5.06.0紅薯、菠蘿、板栗、油桐、草夾竹桃、美洲冬青、冷杉、云杉、鐵杉、紅松、火炬松5.06.5蕎麥、草莓、山毛櫸、歐洲落葉松5.07.0黑麥、花生、亞麻、紫云英、柑桔5.07.5燕麥、櫟5.56.5蘿卜、辣椒5.57.0蠶豆、虹豆、胡蘿卜、黃瓜、白三葉、秋海棠、蒲化英、菟絲子5.57.5玉米、小麥、煙

19、草、蕃茄6.07.0大豆、西瓜、甘藍、芹菜、萵苣、洋蔥、苕子、東方百合、非洲紫羅蘭、銀杏、槐、花旗松6.07.5水稻、大麥、紅三葉、結(jié)球甘藍、菠菜、菊花、紫丁香、側(cè)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、蘆筍、天竺葵、蘋果、櫻桃、桃、梨、核桃、杏、桑、白楊、洋槐、野芥菜6.08.5高粱66最適土壤pH值范圍植物種類4.05.0蘭花、高灌木越桔、泥炭蘚（pH3.55.0）、黑云杉4.55.5杜鵑花、白雪松、石松5.05.5茶、馬鈴薯、馬尾松5.06.0紅薯、菠蘿、板栗、油桐、草夾竹桃、美洲冬青、冷杉、云杉、鐵杉、紅松、火炬松5.06.5蕎麥、草莓、山毛櫸

20、、歐洲落葉松5.07.0黑麥、花生、亞麻、紫云英、柑桔5.07.5燕麥、櫟5.56.5蘿卜、辣椒5.57.0蠶豆、虹豆、胡蘿卜、黃瓜、白三葉、秋海棠、蒲化英、菟絲子5.57.5玉米、小麥、煙草、蕃茄6.07.0大豆、西瓜、甘藍、芹菜、萵苣、洋蔥、苕子、東方百合、非洲紫羅蘭、銀杏、槐、花旗松6.07.5水稻、大麥、紅三葉、結(jié)球甘藍、菠菜、菊花、紫丁香、側(cè)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、蘆筍、天竺葵、蘋果、櫻桃、桃、梨、核桃、杏、桑、白楊、洋槐、野芥菜6.08.5高粱67第三節(jié) 土壤酸堿性八、土壤酸堿性與植物生長和土壤肥力的關(guān)系1、植物適宜的土壤p

21、H指示植物：對pH要求嚴格茶、映山紅：酸性鹽蒿、堿篷細菌、放線菌：中微堿性真菌：偏酸植物病害：調(diào)節(jié)pH控制病害68第三節(jié) 土壤酸堿性八、土壤酸堿性與植物生長和土壤肥力的關(guān)系2、影響?zhàn)B分有效性中性：各種養(yǎng)分有效性都高微酸性堿性：N、S、K有效性高微酸性中性：P有效性最高酸性：K、Ca 、Mg常淋失強堿性： Ca 、Mg有效性低極度強酸：Al、Fe、Mn毒害微量養(yǎng)分元素：B中性有效性高；Mo強酸性下有效性低；Cu、Zn酸性下有效性高69土壤pH與養(yǎng)分有效性的關(guān)系70第三節(jié) 土壤酸堿性八、土壤酸堿性與植物生長和土壤肥力的關(guān)系3、影響土壤保肥性pH土壤的帶電性CEC保肥性4、影響土壤物理性質(zhì)酸性土壤H

22、+、Al3+多，Ca2+少，粘重板結(jié)，透氣不良強堿性土壤Na質(zhì)土，漬水呈稀泥，干時僵板，通氣不良Ca質(zhì)土較好71第三節(jié) 土壤酸堿性九、土壤酸性的改良1、改良的根據(jù)中和潛性酸交換性酸、水解性酸2、改良用的材料石灰堿性肥料石膏、磷礦粉、粉煤灰、硝酸鹽化肥有機物3、舉例72石灰改良酸性土壤某紅壤pH=5，耕層土壤干重=2 250 000kg/hm2，重量含水量=20%，CEC=10 cmol(+)/kg，鹽基飽和度=60%，準備改良到pH=7.0。問1hm2理論上需要多少生石灰？解：先計算活性酸需要的石灰量耕層土壤活性酸（H+）總量 225000020%10-5=4.5 mol/hm2 pH=7時，

23、土壤含H+總量 225000020%10-7=0.045 mol/hm2需要中和的H+量= 4.5- 0.045=4.455 mol/hm2生石灰理論用量=4.455（562）=124.74 g/hm273石灰改良酸性土壤某紅壤pH=5，耕層土壤干重=2 250 000kg/hm2，重量含水量=20%，CEC=10 cmol(+)/kg，鹽基飽和度=60%，準備改良到pH=7.0。問1hm2理論上需要多少生石灰？解：再計算潛性酸需要的石灰量耕層土壤潛性酸總量2250000(10100)(1-60%)=90000 mol(H+)/hm2中和潛性酸需要生石灰=90000(562)=2520 kg/

24、hm2生石灰理論總用量=2520 kg/hm274第三節(jié) 土壤酸堿性十、土壤堿性的改良1、酸性 或生理酸性肥料2、Ca：石膏、硅酸鈣3、S：硫磺、FeS、FeS2、FeSO4、稀硫酸4、有機肥、風化煤5、灌溉洗鹽75第四節(jié) 土壤氧化還原性質(zhì)一、土壤中的氧化還原體系1、主要控制體系氧：主要氧化體系極活潑的氧化劑O2 + 4H+ + 4e- 2H2OO2主要來自空氣有機物：主要還原體系極強的還原劑CO2+8H+8e CH4+2H2O有機酸來自微生物分解的中間產(chǎn)物76第四節(jié) 土壤氧化還原性質(zhì)一、土壤中的氧化還原體系2、重要緩沖體系鐵體系Fe3+ + e- Fe2+ 旱地為高鐵，漬水亞鐵錳體系MnO2 + 4H+ + 2e- Mn2+2H2O數(shù)量較鐵少得多硫體系（有機、無機）S2-+2O2 SO42- 77第四節(jié) 土壤氧