第三部分 土壤的基本性質(終)

第三部分

土壤的基本性質第一章、土壤的吸附性能土壤吸附現象：土粒（特別是粘粒和腐殖質）的表面，能將與其接觸的土壤溶液或土壤空氣中某些物質分子和離子吸附在表面上，使其本身的表面自由能降低而趨于穩(wěn)定。

分為五種類型；

具有多孔體系的土壤，能夠機械的阻攔進入土壤的比其孔隙大的固體顆粒，保留而不致流失的作用，叫做機械吸收；土壤能保留分子態(tài)物質的作用叫物理吸收；土壤能保留離子態(tài)物質的作用叫做物理化學吸收，土壤溶液中陰、陽離子相互作用形成難溶性沉淀化合物的作用叫做化學吸收生物吸收營養(yǎng)物質的作用叫做生物吸收。一、土壤膠體的類型膠體：在土壤中，粒徑小于1000nm，特別是20nm到1000nm的顆粒，高度分散在土壤水溶液，稱為土壤膠體分散體系(soilcolloidaldispersionsystem)或土壤膠體(soilcolloid)。根據土壤膠體的結構特點，土壤中膠體物質按化學成分和來源，大致可將土壤膠體分為無機膠體、有機膠體和有機無機復合膠體三種類型。第一節(jié)土壤膠體無機膠體又稱礦質膠體。有機膠體包含腐殖質和微生物膠體。

有機無機復合膠體又稱有機礦質復合體或粘粒腐殖質復合體，由無機膠體與有機膠體通過離子間的庫侖引力和表面分子間的范德華引力緊密締合而成。土壤中以此類膠體居多。二、土壤膠體的比表面和表面積(一)土壤膠體的表面積土壤中常見粘土礦物的比表面積（m2·g-1）膠體成分內表面積外表面積總表面積蒙脫石蛭石水云母高嶺石埃洛石水化埃洛石水鋁英石700-750400-7500-500400130-40015-1501-5090-1505-4010-4525-30130-400700-850400-80090-1505-4010-45430260-800我國幾種主要土壤的比表面積：磚紅壤60－80m2g-1

紅壤100－150m2g-1

黃棕壤200－300m2g-1

(二)比表面積的測定方法1、儀器法2、吸附法氮氣、甘油、乙二醇醚等總之：2：1型粘土礦物和有機質的含量越高，土壤的比表面積越大。膠核界面電荷擴散層本體溶液1、液相介質中膠體結構的描述（1）膠體顆粒；（2）界面電荷層；（3）擴散層；（4）本體溶液帶電離子在溶液中受到兩個力的作用：一是受膠體表面上電荷的吸引；二是熱運動；當靜電引力與熱擴散相平衡時，在帶電膠體表面與溶液的界面上，形成了由一層固相表面電荷和一層溶液中相反符號離子所組成的電荷非均勻分布的空間結構，稱為雙電層。三、土壤表面電荷和電位2、表面（界面）電荷及其來源表面或界面上存在大量電荷是膠體構造中的一個重要特點。表面或界面電荷主要來自三個方面：

1）、膠核形成過程中電荷平衡的破壞。如：粘土礦物形成過程中的同晶替代作用是土壤電荷的重要來源。

同晶替代(isomorphousreplacement)：礦物晶體形成過程中，晶體中的中心離子被電性相同、大小相近的離子所取代，取代的結果晶型不變，但電荷可能失去平衡。常見的同晶替代，比如：Al代Si，Mg代Al,Fe(2+)代Al等。因同晶替代作用產生的電荷是永久電荷，一般帶負電。

永久電荷(permanentcharge)：電荷性質和電荷數量都不隨環(huán)境pH值的改變而改變的電荷稱永久電荷。如同晶替代產生的電荷。

土壤中的永久電荷膠體主要是2:1型粘土礦物膠體，如蒙脫石、伊利石等。高嶺石有少量永久電荷。2）、表面羥基與質子間的反應：OHOH-O-+H2OH2+H+

可變電荷（variablecharge）：表面電荷性質和電荷數量隨溶液pH值的變化而變化，這種表面所帶的電荷稱可可變電荷。

電荷零點（zeropointcharge）:可變電荷表面上正負電荷的數量相等時的pH值是電荷零點。

土壤中的可變電荷膠體（凡是表面含羥基的膠體）包括：各種氧化物的水合物，有機大分子，高嶺石。3）、表面上的配位吸附（專性吸附）：OO-OPbOH+POO

常見的配位吸附離子：陰離子主要是磷酸根離子，它往往增加表面的負電荷數量；陽離子主要是一些重金屬離子，它增加表面正電荷數量。

發(fā)生配位吸附的表面往往也是羥基化表面，如氧化物及其水合物表面、有機大分子表面等。3、表面電荷密度與表面電位

表面電荷密度：單位面積顆粒表面的電荷數量，一般用C/m2來表示。

CEC:陽離子交換量，即每公斤干土吸附的全部陽離子折合成一價離子的厘摩爾數，用cmolc/kg.S:比表面積，m2/kg.

土壤表面電荷密度一般為0-0.4C/m2.表面電位：土壤固體顆粒分散在土壤溶液中形成的固液界面上的電位，一般用mV,V等表示。人們通常把擴散層起始面上的電位也稱表面電位。土壤表面電位一般為0-400mV，主要與pH和電解質濃度有關。

表面電位與表面電荷密度之間的關系：1、土壤電荷主要集中在膠體部分。80%以上主要集中在土粒小于2微米的膠體部分。

2、膠體組成成分是決定其電荷數量的物質基礎。3、有機膠體和無機膠體的電荷具有非加和性。4、土壤的電荷數量***影響土壤電荷數量的因素主要有：C.pH值主要影響可變電荷的數量。B.土壤膠體的種類土壤質地完全相同的兩種土壤，它們所帶的電荷數量可以完全不同。A.質地土壤的質地越粘，土粒越細，其電荷總量也越多。第二節(jié)土壤中的陽離子交換吸附1、陽離子交換吸附的概念：依賴于靜電引力吸附的任何陽離子都可能被溶液中的其它陽離子交換而重新回到溶液中。自然土壤一般帶凈負電荷，這些電荷形成的電場將因靜電力作用而使陽離子吸附在土壤顆粒周圍。由于此靜電作用力的強度一般較低，所以吸附的這些離子很容易被其它離子代換而重新回到溶液中。注意幾點：1）吸附態(tài)離子以什么狀態(tài)分布在顆粒周圍；（2）這種分布與土壤含水量和溫度有什么關系；（3）近表面的強靜電力作用與離表面較遠距離的弱靜電力吸附；（3）水化離子的靜電力吸附；（5）非水化離子的靜電力吸附與離子鍵。2陽離子交換吸附的機制Na++K+K++Na+注意：交換吸附態(tài)離子的實際狀態(tài)擴散層（吸附態(tài)）本體溶液3陽離子交換吸附的特點陽離子交換吸附是一種可逆反應：交換吸附態(tài)陽離子可以被溶液中其它陽離子徹底交換下來進入溶液。陽離子交換反應滿足電中性法則；Ca2++2K+2K++Ca2+注意電中性法則和交換吸附選擇性之間的區(qū)別：電中性法則是指交換過程；而交換吸附選擇性是針對交換平衡而言，常用選擇系數來表征。選擇性決定某交換過程能否發(fā)生，也決定發(fā)生的程度的大小。比如，按特殊離子效應，向一個K/Na平衡體系中加入一個Na（NaCl），則這個Na就可能交換不出一個吸附的K,交換不會發(fā)生（涉及能否發(fā)生的問題）。但是如果向該平衡體系加入3個Na(NaCl)，則有可能發(fā)生一次交換使一個新加的Na去交換一個吸附的K（涉及發(fā)生限度的問題）。這就是交換吸附選擇性。上述例子中，加入三個NaCl,只有一個Na發(fā)生交換。但這個交換過程一定是按這樣的方式發(fā)生的：這一個Na只能交換一個K,而不能交換多個，即這個交換過程一定滿足電中性法則。3）陽離子交換能力與離子價數和離子的水化半徑相關???離子交換能力強弱順序（Hofmeister序列的一種）

Fe3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+,NH4+>Na+但最近研究表明，同價離子間的交換能力差異并非水和半徑差異，而是離子外層電子量子漲落強弱的差異決定的。4）陽離子交換符合質量作用定律：提高本體溶液中某離子濃度，可以提高該離子的代換能力。比如，當Na+濃度相對較高時，Na+同樣可把吸附的Ca2+交換進入溶液。4陽離子交換量（CEC）土壤所能吸附和交換的陽離子的容量，用每千克干土的1價離子的厘摩爾數表示，單位為cmol（+）/kg。影響交換離子有效度的因素（1）鹽基飽和度

離子的飽和度越大，被解吸的機會就越大，有效度就越大（1）鹽基離子與致酸離子***

第一類是氫離子和鋁離子，它們是致酸離子，與土壤的酸度有密切關系。

第二類是其他的一些金屬離子，如Ca+2、Mg+2、K+、NH4+……等，在古典化學上，它們都稱為鹽基離子。（2）鹽基飽和度(basesaturationpercentage)BSP

在土壤膠體所吸附的陽離子中，鹽基離子的數量占所有吸附的陽離子的百分比，叫鹽基飽和度***。鹽基飽和的土壤具有中性或堿性反應；而鹽基不飽和的土壤則具有酸性反應，為酸性土壤；

100%

（2）土壤中的互補離子效應（3）粘土礦物類型的影響（4）由交換性離子變?yōu)榉墙粨Q性離子的有效度問題影響交換離子有效度的因素第四節(jié)土壤中的專性吸附1專性吸附的概念：在高濃度堿金屬過堿土金屬離子存在時，土壤對某些微量或痕跡量離子的吸附作用。因此，專性吸附主要指化學鍵吸附（配位鍵等），除此之外還應包含與ofmeister效應相關的作用力。2專性吸附與離子交換吸附的區(qū)別

（1）吸附條件不同，靜電吸附只對與表面電荷符號相反的離子產生吸附，而專性吸附；離子可以再帶任何電荷和不帶電的表面上發(fā)生吸附。

（2）吸附力不同。

（3）吸附結果不同，靜電吸附不影響表面電荷性質與電量，但專性吸附可能引起表面電荷性質與電量的變化。3那些離子在土壤中的那些膠體上可發(fā)生專性吸附

（1）陽離子：重金屬離子，過渡金屬元素，有d軌道的元素；

（2）陰離子：磷酸根是最常見的發(fā)生專性吸附的陰離子，此外還有硫酸根，F-,Cl-,最不易發(fā)生專性吸附的離子是硝酸根。OO-OCu+POOOCuOH

第五節(jié)土壤酸堿性與緩沖性一土壤酸、堿性的形成一、土壤酸性（一）土壤酸化過程

土壤膠體上吸附的鹽基離子被活性H＋交換進入土壤溶液后被淋失，膠體上的交換性H＋不斷增加，并出現交換性鋁，形成酸性土壤。1、土壤中H+的來源

(1)水的解離

(2)碳酸解離

(3)有機酸的解離

(4)酸雨：我國每年排放SO2約1.7×106～7噸

(5)其它無機酸

2、土壤中鋁的活化

土壤交換性H+的飽和度達到一定限度，就會破壞硅酸鹽粘粒晶體結構，其水鋁片中Al轉化為活性Al3+，取代交換性H而成為交換性Al3+。因此，礦質酸性土以交換性Al3+占絕對優(yōu)勢。（二）土壤酸的類型1、土壤活性酸擴散于土壤溶液中的氫離子所反映出來的酸度。土壤pH值和酸堿性分級

土壤pH<4.54.5-5.5

5.5-6.5

6.5-7.5

7.5-8.5

>8.5

極強酸性強酸性微酸性中性堿性強堿性2、土壤潛性酸

潛性酸—土壤膠體吸附的H+、Al3+離子，在被其它陽離子交換進入溶液后，才顯示酸性。土壤活性酸與潛性酸處于動態(tài)平衡：

潛性酸

活性酸

(1)強酸性土

交換性Al3+與溶液Al3+平衡,溶液中Al3+水解顯示酸性：Al3++3H2OAl(OH)3+3H+

強酸性土中，Al3+大大多于交換性H+,是活性酸（溶液H+離子）的主要來源。

如：pH＜4.8的紅壤，交換性Al3+占總酸度的95%以上解吸吸附(2)酸性和弱酸性土鹽基飽和度高，交換性鋁以Al(OH)2+、Al(OH)2+等形態(tài)存在。其代入溶液后同樣水解產生H+離子：Al(OH)2++2H2OAl(OH)3+2H+

土壤交換性H+的離解也是溶液的H+來源?？梢娡寥阑钚运崤c潛性酸的關系：

先有活性酸，再轉化為潛性酸；酸性強弱決定于潛性酸，主要是交換性Al3+；活性酸是潛性酸的表現。

強酸性土—以交換性Al3+和以共價鍵緊縛的H+及Al3+占優(yōu)勢酸性土—致酸離子以羥基鋁離子為主。中性、堿性土—交換性陽離子則以鹽基離子為主。

用水浸提，得到的pH值反應土壤活性酸的強弱。用KCl浸提，得到的pH值除反映土壤溶液中的氫離子外，還反映由K+交換出的氫離子和鋁離子顯出的酸性。

pH水>

大于pH鹽

pH水與pH鹽差值可反映土壤鹽基飽和度，鹽基飽和度高的土壤，pH水與pH鹽的差值?。畸}基飽和度低的土壤，pH水和pH鹽的差值就大。測定土壤pH值時的水土比，按國際土壤學會推薦用2.5:1，水土比大時，測出的pH值稍偏大。二、土壤堿性的形成

1、土壤堿性的形成機理土壤中堿性物質主要是Ca、Mg、Na、K的碳酸鹽及重碳酸鹽，以及土壤的交換性Na+。堿性物質的水解反應是堿性形成的主要機理。(1)碳酸鈣水解

CaCO3+H2O+CO2Ca2++HCO3-

+OH-(2)碳酸鈉水解

Na2CO3+2H2O2Na++H2CO3-

+2OH-

(3)交換性鈉的水解當土壤膠體的交換性Na+積累到一定數量，土壤溶液鹽濃度較低時，Na+離解進入溶液，水解產生NaOH，并進一步形成碳酸鹽Na2CO3、NaHCO3。堿化土形成必需具備：A、有足夠數量的鈉離子與土壤膠體表面吸附的鈣、鎂離子交換。B、土壤膠體上交換性鈉解吸并產生蘇打鹽類。2、影響土壤堿化的因素

(1)氣候因素(干濕度)

堿性土分布在干旱、半干旱地區(qū)。在干旱、半干旱條件下，蒸發(fā)量大于降雨量，土壤中的鹽基物質，隨著蒸發(fā)而表聚，使土壤堿化。

(2)生物因素

Na、K、Ca、Mg等鹽基生物積累。一些植物適應在干旱條件下生長，有富集堿性物質的作用。

如:海蓬子含Na2CO33.75%，堿蒿含2.76%，鹽蒿含2.14%，蘆葦含0.49%。(3)母質堿性物質的基本來源?；詭r、超基性巖富含堿性物質，含鹽基物質多，形成的土壤為堿性。

(4)施肥和灌溉施用堿性肥料或用堿性水灌溉會使土壤堿化。如都江堰水質偏堿，長期用都江堰水灌溉的水稻田土壤pH有所提高。二土壤酸度的指標

一、土壤酸度的強度指標

1、土壤pHpH=-lg(H+)（土壤平衡溶液）中性溶液：(H+)=(OH-)=10-7mol/L，

pH=pOH=7

土壤pH表示法：pH(H2O)—水浸提；

pH(KCl)—中性鹽1mol/LKCl溶液浸提。一般土壤pH(H2O)＞pH(KCl)。地理分布。我國土壤大部分pH在4.5~8.5之間。“南酸北堿，沿海偏酸，內陸偏堿”的地帶性特點。2、石灰位土壤酸度主要決定于膠體吸附的致酸離子H+、Al3+，其次決定于致酸離子與交換性鹽基離子(以Ca2+為主)的相互比例，即鹽基飽和度。在交換性陽離子以Ca2+為主的土壤溶液中，為一定值，取負對數為pH-0.5pCa，定義為石灰位，將H+與Ca2+數量聯系起來，既是酸度指標，又是鈣的有效度指標。

pH-0.5pCa是Ca(OH)2(石灰)的化學位的簡單函數，稱鈣的養(yǎng)分位，比pH更全面和更明顯地反映土壤酸度。二、土壤潛性酸度的容量指標1、交換酸土壤膠體吸附的氫離子或鋁離子通過交換進入溶液后所反映出的酸度。

Al3++3H2OAl(OH)3+3H+

用1mol/L的KCl(pH5.5～6.0)處理土壤，K+交換出氫離子或鋁離子，通過滴定得到的酸度。交換性酸是酸度的容量因素，單位Cmol/kg。2、水解酸

具有羥基化表面的土壤膠體，通過解離氫離子后所產生的酸度。

CH3COONa+H2OCH3COOH+NaOH

水解酸的測定是用1mol/L的CH3COONa(pH8.3)處理土壤。

交換酸和水解酸的實質是不同的，水解酸的實際測定，因用pH

8.3的CH3COONa，既測定出羥基化表面解離的H+，也測出了因Na+交換出的氫離子和鋁離子產生的交換酸度，還包括了土壤溶液中的活性酸，因此測定結果是土壤總酸度。三、土壤堿性指標

1、總堿度土壤溶液中CO32-和HCO3-的總量，cmol(+)/L。土壤堿性是由CO32-和HCO3-的水溶性強堿(Na、K、Ca、Mg)鹽的水解產生的：

CO32-+H2O

HCO3-+OH-

HCO3-+H2O

H2CO3+OH-

CaCO3、MgCO3溶解度很小，產生的堿度有限。在正常pCO2下，石灰性土壤pH一般不超過8.5。Na2CO3

、NaHCO3及Ca(HCO3)2為水溶性鹽類,在土壤溶液中產生的堿度高，導致很高的pH。

2、堿化度——鈉堿化度或鈉化率土壤交換性鈉占CEC的百分率

(ExchangeableSodiumPercentage—ESP)

ESP5%~10%10%~15%＞15%

輕度堿化土中度堿化土強堿化土鹽土—土壤表層可溶性鹽(以NaCl、Na2SO4等中性鹽為主)超過一定含量(6~20g/kg)。鹽化作用—鹽分表聚。堿土—土壤堿化度達到一定程度，而可溶性鹽含量較低，總堿度高，呈強堿性反應，并形成土粒高度分散、物理性質極差的堿化層。土壤堿化度分級

我國堿土定義：堿化層堿化度＞30%，表層含鹽量＜5g/kg，pH＞9.0四、影響土壤酸度的因素1、氣候高溫多雨地區(qū)，風化淋溶較強，特別是降雨量大而蒸發(fā)勢較弱地區(qū)，礦物巖石風化所產生的鹽基物質大量淋失，使土壤酸化。我國大陸以北緯30°為界，形成“南酸北堿”局面，與氣候條件有密切相關。2、生物植物根系和微生物通過呼吸作用產生CO2，有機質礦質化也產生CO2，CO2溶解于水成碳酸。

土壤中專性微生物如硫化硝化細菌，將含硫含氮有機物轉化成硫酸和硝酸，增強了土壤酸度。3、施肥和灌溉施用酸性肥或生理酸性肥，導致土壤酸化。4、母質母質中含酸性物質使土壤酸化。5、酸雨6、土壤空氣的CO2分壓石灰性土壤pH隨Pco2增大而降低，變化于7.5~8.5之間(田間)。

CaCO3-CO2-H2O體系：pH=6.03-2/3lgPco2

7、土壤水分含量土壤pH測定時的稀釋效應，應控制土水比(一般1:2.5)。8、土壤氧化還原條件土壤淹水還原pH向中性點趨近，即酸性土pH升高，堿性土pH降低。酸性土還原pH升高，由于Fe2O3、MnO2還原溶解度增大，顯示堿性，有機質加快還原過程。堿性土還原pH下降，主要由于在嫌氣條件下有機酸和CO2的積累過程及其綜合作用。

四土壤緩沖性一、土壤緩沖性概念土壤中加入酸性或堿性物質后，土壤具有抵抗變酸和變堿而保持pH穩(wěn)定的能力，稱土壤緩沖作用，或緩沖性能。二、土壤酸堿緩沖性

1、土壤酸、堿緩沖原理

(1)土壤中有許多弱酸——碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸等，當這些弱酸與其鹽類共存，就成為對酸、堿物質具有緩沖作用的體系。如Hac+NaAc體系當加入HCl：NaAc+HClHAC+NaCl當加入NaOH:HAC+NaOHNaAc+H2O(2)土壤膠體交換性陽離子對酸堿的緩沖作用更大膠體—交換性H+、Al3+—弱酸，緩沖堿性物質膠體—交換性鹽基—弱酸鹽，緩沖酸性物質根據弱酸平衡原理，弱酸用堿中和形成鹽，pH與中和程度之間的關系如下：

pH＝pKa+lg[鹽]／[酸]pH＝pKa+lg[鹽基]／[H+、Al3+]

土壤BS＝50%時，對酸堿的緩沖能力最大。緩沖能力隨弱酸及鹽的總濃度或土壤CEC增加而增大。

2、土壤酸堿緩沖體系

(1)碳酸鹽體系:石灰性土壤的緩沖作用主要決定于

CaCO3-H2O-CO2體系pH＝6.03-2/3LogPco2

(2)硅酸鹽體系：對酸性物質的緩沖作用。

(3)交換性陽離子體系：對酸、堿物質的緩沖作用

(4)鋁體系：對堿性物質緩沖作用(pH＜5.0)(5)有機酸體系：有機酸及其鹽對酸堿物質緩沖作用3、土壤緩沖性的影響因素

(1)土壤無機體的類型

蒙脫石＞伊利石＞高齡石＞水合氧化鐵、鋁

(2)土壤質地粘土＞壤土＞砂土

(3)土壤有機質含量

第六節(jié)土壤氧化還原反應一、土壤氧化還原體系土壤中同一物質可分為氧化態(tài)(劑)和還原態(tài)(劑)，構成相應的氧化還原體系

。1、土壤空氣中Ｏ２是主要氧化劑在通氣良好的土壤中，氧體系控制氧化還原反應，使多種物質呈氧化態(tài)，如NO3-、Fe3+、Mn4+、SO42-等。

2、土壤有機質特別是新鮮有機物是還原劑，在土壤缺Ｏ２條件下，將氧化物轉化為還原態(tài)。

3、土壤中氧化還原體系可分為無機體系和有機體系。無機體系的反應一般是可逆的，有機體系和微生物參與條件下的反應是半可逆或不可逆的。

4、土壤氧化還原反應不完全是純化學反應，很大程度上有微生物參與。如:NH4+→NO2-→NO3-分別在亞硝酸細菌和硝酸細菌作用下完成。

5、土壤是不均勻的多相體系，不同土壤和同一土層不同部位，氧化還原狀況會有不同差異。

6、土壤氧化還原狀況隨栽培管理措施特別是灌水、排水而變化。

二、土壤氧化還原指標１、強度指標

(1)氧化還原電位(Eh)：單位為伏(V)或毫伏(mV)(2)電子活度負對數—pe(3)Eh與pH的關系土壤氧化還原反應總有H+參與，H+活度對氧化還原平衡有直接影響。

2、氧化還原強度指標與數量因素的關系土壤還原性物質包括有機和無機還原性物質，還原性物質總量可測定，但很難直接與Eh聯系起來。當然土壤還原性物質濃度仍與Eh有密切的統(tǒng)計相關性。三、影響土壤氧化還原的因素

1、土壤通氣性

2、微生物活動

3、易分解有機質的含量

4、植物根系的代謝作用

5、土壤的pH第七節(jié)土壤酸堿性和氧化還原狀態(tài)與生物環(huán)境一、生物對土壤酸堿性和氧化還原狀態(tài)適應性

1、植物適宜的酸堿度大多數植物適宜pH范圍6～8，即微酸至微堿性有的植物能適應較寬pH范圍，有的只能在一定的pH范圍生長，可作為土壤酸堿性的指示植物。

酸性指示植物——馬尾松、油茶、茶、映山紅鐵芒箕、石松等。鈣質指示植物——柏樹、蜈蚣草等。鹽堿指示植物——鹽蒿、堿蓬等。

不同植物對土壤酸堿性的適應性是長期自然選擇的結果，差別在于：

(1)生理適應性，與遺傳性有關。

(2)營養(yǎng)生理病，如酸性土缺鈣引起梨的黑心病。

(3)營養(yǎng)菌害病，如馬鈴薯的瘡痂病為生鏈霉菌引起的，對錳敏感，酸性土壤中有效錳較多，能抑制這種病菌，故馬鈴薯適宜于酸性土。

2、土壤Eh值范圍和植物生長

土壤中發(fā)生的一系列氧化還原反應都在水的氧化還原穩(wěn)定范圍內進行的。

體系pH=0pH=4pH=9EOpeOEOpeOEOpeOO2—H2O1.2320.80.9916.80.7011.8H+—H200－0.24－4－0.53－9

氧體系（O2-H2O）EO為1atmO2時的Eh，代表氧化極限。氫體系（H+-H2）的EO為1atmH2時的Eh，代表還原極限。土壤pH一般在4～9之間，Eh有相應的變化。

土壤—水環(huán)境中Eh（V）和pe的變化范圍土壤氧化性和還原性一般作如下區(qū)分：

(1)Eh＞400mV

氧化性，O2占優(yōu)勢，各種物質呈氧化態(tài)，如NO3-、MnO2、Fe2O3、SO42-等對旱作有利，對水稻不太適宜。如果Eh＞750mV，有機質好氣分解過旺，Fe、Mn等處于高度氧化態(tài)，有效性低。

(2)Eh400～200mV

弱還原性O2、NO3-、Mn4+發(fā)生還原，水稻生長正常，旱作開始受影響。

(3)Eh200~－100mV

中度還原性，Fe3+和SO42-發(fā)生還原，出現有機還原物質。旱作發(fā)生濕害。

(4)Eh在－100mV以下強度還原性，CO2、H+被還原，土壤積累多量還原性物質，可使水稻受害3、土壤pH、Eh與土壤微生物活性

土壤細菌、放線菌適于中性和微堿性環(huán)境，pH＜5.5強酸性土中活性下降。真菌適應酸性土。土壤微生物呼吸需要O2，Eh值高，微生物活性強，活動消耗O2，使Eh值降低。在土壤通氣性一致條件下，Eh值可反映微生物活性。二、土壤酸堿性和氧化還原狀況對養(yǎng)分有效性影響

1、土壤酸堿性對養(yǎng)分有效性的影響

土壤養(yǎng)分有效性與pH有密切關系。

(1)土壤pH6.5時，各種養(yǎng)分的有效性都較高。

(2)在微酸至堿性土壤中，氮、硫、鉀的有效性高。

(3)pH6~7土壤中，磷的有效性最高。

pH＜5時，土壤活性鐵、鋁增加，易形成磷酸鐵、鋁沉淀。

pH＞7時，易形成磷酸鈣沉淀。

(4)pH6.5~8.5土壤中，有效鈣、鎂含量高，強酸和強堿性土中，其含量低。

(5)Fe、Mn、Cu、Zn有效性在酸性土中高在pH＞7土壤中明顯降低，常出現Fe、Mn供給不足。

(6)Mo在酸性土中有效性低，當pH＞6時，其有效性增加。B在強酸性土和石灰性土中有效性較低，在pH6~7和pH＞8.5的堿性土中有效性較高，表現較復雜的情況。2、土壤氧化還原狀況對養(yǎng)分有效性的影響

主要影響變價元素的有效性。

Fe3+、Mn4+還原成Fe2+、Mn2+后溶解度和有效性增加。

此外氮的形態(tài)：Eh＞480mV時，以NO3--N為主，適于旱作吸收。

Eh＜220mV時，以NH4-N為主，適于水稻吸收。

SO42-→S2-，形成硫化物。幾種硫化物的溶解度：MnS＞FeS＞ZnS＞CuS

造成土壤Zn、Cu的有效性降低。三、土壤酸堿性和氧化還原狀況與有毒物質積累

1、強酸性土的鋁錳脅迫與毒害在pH＜5.5酸性土中，錳、鋁易被活化。大田作物幼苗期對Al3+很敏感，當游離Al3+達到0.2cmol/kg土時可使作物受害。

施用石灰使pH升至5.5~6.3，大部分或全部Al3+被沉淀，鋁害消除。交換性Mn2+達到2~9Cmol/kg土或植株干物質含錳量超過1000mg/kg時產生錳害。豆類易產生錳害，禾本科抗性較強。施石灰中和土壤至pH＞6時，錳害可全部消除。2、氧化還原狀況與有毒物質積累在長期淹水強還原性土壤中，往往有Fe2+和S2－等還原物質大量積累。

(1)亞鐵主要呈沉淀狀態(tài)，在偏酸性土壤中水溶性Fe2+可高達400mg/kg，如銹水田，可毒害水稻根系。(2)H2S

在土壤富鐵條件下形成FeS，但如土壤缺鐵或在pH＜6的條件下，出現較多H2S對水稻發(fā)生毒害。(3)有機酸水田在大量施用新鮮有機肥時可積累較多的丁酸等有機酸，抑制水稻根系呼吸和養(yǎng)分吸收。

H2S(＞0.07mg/L)和丁酸(＞10-3mol/L)對水稻吸收養(yǎng)分抑制程度的順序為：

H2PO4-、K+＞Si4+＞NH4+＞Mg2+、Ca2+四、土壤酸堿性的調節(jié)

1、酸性土的改良

施用石灰CaO、Ca(OH)2、CaCO3

石灰需要量計算：可用土壤交換性酸為基礎進行計算根據酸性土的緩沖滴定曲線計算石灰物質換算系數:Ca(OH)2/CaO=74/56=1.32CaCO3/CaO=100/56=1.79

在施用CaO或Ca(OH)2時，不易與土壤混合均勻，使局部土壤pH上升過高，影響植物生長，應乘以經驗數值0.5得出實際施用量。若用CaCO3(石灰石粉)，作用緩和，經驗數值一般為1.3。2、堿性土的改良——改良pH＞8.5的堿性土

施用石膏(CaSO4?2H2O)、硅酸鈣等。施用硫磺粉和FeS2粉(同時補鐵)

施用有機肥，產生CO2提高土壤空氣CO2濃度五、土壤氧化還原狀況的調節(jié)

重點在水田土壤，核心是水、氣關系。

(1)水分過多的下濕田、深腳爛泥田，排水不暢，滲漏量過小，還原性強，Eh為負值，還原性物質大量積累，導致作物低產。加強以排水、降低地下水為主的水漿管理，改善土壤通氣條件。

(2)缺水、漏水的水稻田，氧化性過強，對水稻生長不利，應蓄水保水和增施有機肥，促進土壤適度還原。

第八節(jié)土壤孔性和結構性一、土壤總孔度

----在固體土粒之間，構成大小和形狀不同的孔隙。所有孔隙體積的總和占整個土壤體積的比例。47.46%24.51%“理想土壤”的總孔度土壤總孔度的變化范圍砂土：30%~45%壤土：40%~50%粘土：45%~60%當量孔徑***：

相當于一定的土壤水吸力的孔徑，單位為毫米。土壤的真實孔徑往往無法實際測定。非活性孔隙<0.002mm毛管孔隙0.06-0.002mm通氣孔隙>0.06mm孔隙類型二、土壤孔性根據茹林公式計算可得d=3/h非活性孔隙*：當量孔徑<0.002mm的孔隙，根毛和微生物不能進入此孔隙。毛管孔隙*：當量孔徑為0.06～0.002mm的孔隙,植物細根、原生動物和真菌不能進入毛管孔隙中，但根毛和細菌可在其中生活。通氣孔隙*：當量孔徑>0.06mm的孔隙,其中>0.2mm的粗孔植物的細根可伸入其中；0.2∽0.06mm的中孔是原生動物、真菌和根毛的棲身地。適宜的孔隙狀況：

耕層土壤（015cm）的總孔隙度為5060%，其中通氣孔隙度為1520%，底層土壤（1530cm）分別為50%(總）和10%（氣）。二、土壤結構體***（一）土壤結構的概念

土壤結構是土粒（單粒和復粒）的排列、組合形式。這個定義，包含著兩重含義：結構體和結構性。通常所說的土壤結構多指結構性（structurality）。土壤結構體或稱結構單位，它是土粒（單粒和復粒）互相排列和團聚成為一定形狀和大小的土塊或土團。他們具有不同程度的穩(wěn)定性，以抵抗機械破壞（力穩(wěn)性）或泡水時不致分散（水穩(wěn)性）。結構體

>10cm大塊狀

5-10cm小塊狀0.5-5cm碎塊狀團粒：10-0.25mm微團粒<0.25mm

>5cm大3-5cm中<3cm小土壤結構體形成過程***：膠體的凝聚作用；水膜、無機物質的粘結作用；有機物質的膠結作用；干濕交替；凍融交替；耕作措施；生物作用不良結構體：塊狀、核狀、柱狀、棱柱狀和片狀結構體總孔隙度小，主要是小的非活性孔隙，結構體之間大的通氣孔隙，往往成為漏水漏肥的通道。植物根系很難穿扎，干裂時常扯斷根系。良好結構體：團粒結構體不僅總孔隙度大，而且內部有多級大量的大小孔隙，團粒之間排列疏松，大孔隙較多，兼有蓄水和通氣的雙重作用。目前普遍接受的理論是“多級團聚學說”。團粒的多級聚合大的團聚體

更大的次生顆粒次生顆粒（復?；蛭F聚體）原生土壤顆粒膠結

陽離子橋鍵以及范德華引力

團聚體形成的微觀機制目前有關土壤團聚體形成機制的學說主要有三種：Emerson粘團學說Edwards和Bremner的微團聚體學說Oades和Waters的團聚體分級構建學說

經典理論認為：土壤中的有機（指大分子腐殖質或微生物）與無機物質(礦物質)主要通過分子引力的作用或高價離子的“橋鍵”作用結合在一起，而且這種作用在土壤團粒結構的形成和穩(wěn)定中起著十分重要的作用。在這里，我們對這種作用機制提出如下幾點疑問：1、較肥沃土壤中為什么普遍存在具有多級結構和多級孔隙的團粒結構體？2、這些理論都強調有機質（腐殖質）的作用，但都認為有機質就象“膠水”通過高價離子的“橋梁”作用一樣把土粒粘結在一起？土壤礦物質表面的電荷密度：10000000000000個/平方厘米腐殖質（微生物）表面電荷密度：100000000000000個/平方厘米當礦物質與腐殖質相距50?時的靜電排斥壓強約3atm，當礦物質與腐殖質相距50?時的分子引力約

0atm。當礦物質與腐殖質相距25?時的靜電排斥壓強約10atm，當礦物質與腐殖質相距25?時的分子引力約2.5atm。只有當這個距離進一步縮短至20?以內時，分子引力才可能超過靜電斥力。

表明普通分子間的分子力作用效應不能直接用來描述土壤有機/無機相互作用問題一：土壤有機/無機相互作用中，必須同時考慮分子引力和靜電斥力問題二：腐殖質與礦物之間不可能依賴高價離子的橋梁作用而結合在一起

在有機/無機相互作用中，靜電力表現為斥力，范德華力才表現為引力，而熱運動將使靜電吸附態(tài)離子（如Ca）隨機地出現在某個位置上，所以不可能出現右邊這種作用方式。

每個礦物膠粒周圍吸附可吸附Ca2+個數>10^5，可構成厚度約為150?

的致密的離子霧，且因熱運動每個Ca2+都不在一個固定的位置。每個腐殖質分子周圍可吸附Ca2+個數>10^7，也可構成厚度約為150?

的致密的離子霧，且因熱運動每個Ca2+都不在一個固定的位置。核心問題：物質的尺度效應

前面兩個疑點都涉及到物質的尺度效應問題：我們不能夠從普通分子的相互作用效應去處理具有膠體或納米尺度的物質的相互作用效應。在所有作用力中，膠體顆粒的分子引力、顆粒間靜電斥力和系統(tǒng)的隨機力三者是最重要的，而且?guī)缀跏峭戎匾?。而比膠體顆粒尺度大很多或小很多的物質，這三種力就成為次要的力或不是同等重要的力。

宏觀上，一個膠體顆粒是非常小的，而在微觀上一個膠體顆粒卻非常大，大到可以把單個膠體顆?？闯梢粋€系統(tǒng)。

如果同時考慮土壤有機（腐殖質或微生物）/無機物質之間的分子引力、靜電斥力、非理想介質的耗散力和無序的熱運動引起的隨機力或漲落力的綜合作用效應，我們發(fā)現土壤有機/無機相互作用所形成的復合體必定是分形結構體。而這種分形聚合體可能與土壤的肥力和生態(tài)功能密切相關。研究還發(fā)現，隨機力是產生分形聚合的關鍵因素。土壤有機/無機復合體的分形聚合機制多級聚合過程團粒結構在土壤肥力上的意義***：團粒結構土壤的大小孔隙兼?zhèn)鋱F粒結構土壤中水、氣矛盾的解決團粒結構土壤的保肥與供肥協(xié)調團粒結構土壤宜于耕作團粒結構土壤具有良好的耕層構造土壤結構的管理增施有機肥實行合理輪作合理的耕作、水分管理及施用石灰或石膏土壤結構改良劑：能夠將土壤顆粒粘結在一起形成團聚體的物質，包括天然物質和人工合成的高分子物質第九節(jié)土壤熱量(Soilheat)1、影響種子萌發(fā)不同作物適宜種子萌發(fā)的溫度不同，在適宜溫度內，溫度越高，種子萌發(fā)速度越快。小麥、大麥1-2℃15-20天5-6℃6-7天9-10℃2-3天萌發(fā)谷子萌發(fā)溫度：6-7℃玉米萌發(fā)10~12℃高梁12-14℃2、影響根系生長不同植物適宜根系生長土溫不同小麥12-16℃玉米24-28℃豆類22-26℃水稻30-35℃

溫度低，受凍害，呼吸作用弱，根生長受抑制，吸收養(yǎng)分能力低。溫度高，呼吸作用旺盛，不利碳水化合物積累，根系發(fā)生本質化至根尖，根毛區(qū)減少，降低水分、養(yǎng)分吸收。

一、土壤熱量狀況對土壤肥力的作用3、影響微生物活動，影響有機質積累，適宜25-35℃4、土溫高，巖石風化強烈，溫度變化巖石破碎。

5、土壤溫度變化影響土壤水分、空氣的運動。一、土壤熱量狀況對土壤肥力的作用二、土壤熱量的來源（一）太陽的輻射能垂直于太陽光下一平方厘米的黑體表面在一分鐘內吸收的輻射能常數），稱作太陽常數，一般為1.9k/(cm2·min)。

99％的太陽能包含在0.3-4.0微米的波長內，這一范圍的波長通常稱為短波輻射。當太陽輻射通過大氣層時，其熱量一部分被大氣吸收散射，一部分被云層和地面反射，土壤吸收其中的一少部分。（二）生物熱微生物分解有機質釋放熱量，土壤中有機質數量有限，少部分分解，生物熱量有限，但生物熱可被利用，例如春季為提高地溫，可施用半腐熟馬糞。據估算，含有機質4％的土壤，每英畝耕層有機質的潛能為6.28×109～6.99×109KJ，相當于20～50噸無煙煤的熱量。（三）地球內熱

地心溫度高，向地表傳導熱，平均227J/cm2/年，對土壤熱量影響不大，但在一些地熱異常區(qū)，數量較大，可被利用。三、土壤表面的輻射平衡及影響因素（一）地面輻射平衡太陽的輻射主要是短波輻射，太陽輻射透過大氣層時，少部分直接到達地表的太陽能稱為太陽直接輻射（I）。被大氣散射和云層反射的太陽輻射能，通過多次的散射和反射，又將其中的一部分輻射到地球上，一般稱為天空輻射能或大氣輻射（H）。太陽直接輻射和大氣輻射都是短波輻射。

I+H之和為投入地面的太陽總短波輻射，又稱為環(huán)球輻射

（二）影響地面輻射平衡的因素

1、太陽的輻射強度

日照角越大，坡度越大，地面接受的太陽輻射越多。

在中緯度地區(qū)，南坡坡地每增加一度，約相當于緯度南移100公里所產生的影響。同樣，在中緯度地區(qū)，南坡比北坡接受的輻射能多，土溫也比北坡高。坡度越陡，坡向的溫差越大。坡向的這種差異具有巨大的生態(tài)意義和農業(yè)意義。2、地面的反射率太陽的入射角越大，反射率越低，反之越大。土壤的顏色、粗糙程度、含水狀況，植被及其他覆蓋物等都影響反射率。3、地面有效輻射

影響地面有效輻射的因子有：

（1）云霧、水汽和風：它們能強烈吸收和反射地面發(fā)出的長波輻射，使大氣逆輻射增大，因而使地面有效輻射減少；（2）海拔高度：空氣密度、水汽、塵埃隨海拔高度增加而減少，大氣逆輻射相應減少，有效輻射增大；（3）地表特征：起伏、粗糙的地表比平滑表面輻射面大，有效輻射也大；（4）地面覆蓋：導熱性差的物體如秸桿、草皮、殘枝落葉等覆蓋地面時，可減少地面的有效輻射。四、土壤的熱量平衡土壤熱量收支平衡可用下式表示：S=QPLE+RS為土壤在單位時間內實際獲得或失掉的熱量；

Q為輻射平衡；

L為水分蒸發(fā)、蒸騰或水汽凝結而造成的熱量損失或增加;P為土壤與大氣層之間的湍流交換量；

R為土面與土壤下層之間的熱交換量。五土壤熱性質一、土壤熱容量(soilheatcapacity,soilthermalcapacity)

土壤熱容量是指單位質量（重量）或容積的土壤每升高（或降低）1℃所需要（或放出的）熱量。C代表質量（重量）熱容量(massheatcapacity)，單位是Jg-1℃-1。Cv代表容積熱容量(volumeheatcapacity)，單位是（Jcm-3℃-1）。

請注意礦物質、有機質、水的兩種熱容量值。土壤的容積熱容量（Cv）可用下式表示：

Cv=mCv·Vm+oCv·Vo＋wCv·Vw+aCv·Va因空氣的熱容量很小，可忽容不計，故土壤熱容量可簡化為：

Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw(Jcm-3C-1)表6-1不同土壤組分的熱容量土壤熱容量隨土壤容重和含水量的增加而增大，對于一定土壤而其固相物質容重變化很小，而其含水量則變化很大，故水分對土壤熱容量影響最大。砂土含水量一般比粘土小，而空氣含量較高，所以其熱容量一般較低。二、土壤導熱率導熱性:

土壤具有對所吸熱量傳導到鄰近土層性質，稱為導熱性。導熱性大小用導熱率表示。導熱率:heatconductivity,thermalconductivity

在單位厚度（1厘米）土層，溫差為1℃時，每秒鐘經單位斷面（1厘米2）通過的熱量焦耳數（）。其單位是J.cm-2.s-1.℃-1。

當土壤干燥缺水時，土粒間的土壤孔隙被空氣占領，導熱率就小。當土壤濕潤時，土粒間的孔隙被水分占領，導熱率增大。三、土壤的熱擴散率

土壤熱擴散率

是指在標準狀況下，在土層垂直方向上每厘米距離內，1℃的溫度梯度下，每秒流入1cm2土壤斷面面積的熱量，使單位體積（1cm3）土壤所發(fā)生的溫度