土壤流體組成及其診斷特性課件

第三章

土壤流體組成及其診斷特性——泰山學院旅游與資源環(huán)境學院【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.含較多還原性氣體二、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部分之一，約占土壤組成的25％。重要性主要體現在：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BotkinDB,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，Fe(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：可?；氣態(tài)水是無效水；吸附水（吸濕水）:

由土壤顆粒的表面張力所吸附的水分。水汽土粒水分子和土壤顆粒的吸力大，可>1萬大氣壓,又稱為緊束縛水；屬于無效水分。最大吸濕水量、吸濕系數性質：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31－6個大氣壓,具有活性，又稱為松束縛水；部分有效，但不能滿足植物需要。調萎系數：植物呈現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6－1/3大氣壓，是自由水，是有效水，是毛管水是土壤中最寶貴的水分。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系的毛管水。主要來源：降水、灌溉、溶雪等毛管懸著水的達到最大時，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系的毛管水。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土壤水吸力10000105度下烘干31156.250.50.08吸濕系數膜狀水萎焉系數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(soilmoistureconstant)

在一定條件下的土壤特征性含水量稱土壤水分常數?！裎鼭裣禂怠竦蛭禂怠裉镩g持水量●飽和含水量土壤水的有效性(availability)最大有效水含量是凋萎系數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(soilwaterpotential)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，表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繌囊黄胶獾耐粒到y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（根據受力狀況）土壤水分狀況(soilmoistureregimes)不僅影響土壤中物質能量的遷移轉化過程，還影響土壤形成發(fā)育的方向和性質。根據成土環(huán)境及土壤特征，可以將土壤水分狀況劃分為以下類型：①淋溶型與周期淋溶型；②非淋溶型；③滲出型；④停滯型；⑤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部分作為研究對象，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部分，且同其它部分有一定的界面隔開來的叫做一個相。根據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.土壤分散系—分散質、分散劑2、土壤分散系的類型

根據分散質顆粒大小，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）膠體的基本構造（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）巨大的比表面能和表面能（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）同晶置換作用（2）晶格表面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進行等價交換。交換過程反應方程式：膠粒+Ca2++2Na+NaNa膠粒Ca–––=陽離子交換作用對土壤中養(yǎng)分的保持和供應起著重要作用。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①陽離子的交換能力a.離子電荷價：陽離子所帶的電荷數愈多，其交換能力愈強。

M3+>M2+>M+（M表示陽離子）b.離子的半徑及水化程度(原子序數)：

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+

②質量作用定律如果溶液中某種離子的濃度較大，則雖其交換能力較小，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：（CationExchangeCapacity，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。單位：cmol/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（m2·g-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，無機膠體數量愈多，交換量便愈高。土壤pH值土壤介質中PH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，基本上代表了土壤的保持養(yǎng)分數量，也就是平常所說的保肥力高低；交換量大，也就是保存養(yǎng)分的能力大，反之則弱。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10cmol/kg，保肥力弱；10~20cmol/kg，中等；大于20cmol/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，應該分多次施肥，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、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)土壤反應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20~30cmol(+)·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5.2cmol(+)·kg-1。BSP在30%以下。長江中下游地區(qū)含蒙脫石、水云母較多，土壤反應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在30~50cmol(+)·kg-1。北方（4）土壤鹽基飽和度（BSP）1）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（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），北方則相反，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指標之一。真正反映土壤有效速效養(yǎng)分含量的大小。若陽離子交換量大，而鹽基飽和度偏小，需要采取措施對土壤加以改良，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表面(即羥基化表面)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+，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，但可部分地被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表面等，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：土壤微顆粒借助表面能從介質中吸收并保持一些分子態(tài)物質?，F象：土壤返潮現象。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，現象：如P固定。作用：固定養(yǎng)分、但難以吸收，可能吸收有害物質。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(soilsolution)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①無機鹽類②簡單有機物③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，即pH=-log[H+]。25C純水電解方程式：H20＝[H+]＋[OH]-電解常數：Kw＝[H+]·[OH]-/[H2O]=10-14（離子積）

由于水的活度[H2O]＝1

從純水的電解式可以看出[H+]＝[OH]-＝10－7因此純水屬于中性，其PH值＝7自然環(huán)境中，常見土壤pH＝在4－10之間大多數土壤的pH在5.5－8.5之間土壤H+來源：

1）水的解離HOHH++OH-2）碳酸解離H2CO3H++HCO3-3）有機酸解離有機酸H++RCOO-4）酸雨和其它無機酸其中，礦物風化過程水分子離解；生物風化過程有機酸水解。2）土壤酸度土壤溶液中H+、交換性的H+和Al3+引起的。測定方法將土壤酸度分為兩類：活性酸度：土壤溶液中所含H+引起的酸度，亦稱為有效酸度，常用pH表示。潛在酸度：指土壤膠體或吸收性復合體表面吸收的交換性H+和Al3+所引起的酸度，只有被其他陽離子交換而轉入土壤溶液中才顯示的酸度。（1）土壤膠體的緩沖作用（2）土壤中存有弱酸強堿鹽、強酸弱堿鹽（3）土壤中有兩性物質作用：維持土壤的酸堿度平衡、為植物提供穩(wěn)定環(huán)境。3）土壤酸堿的緩沖性能：酸性或堿性物質加入土壤后，土壤具有緩和其酸堿反應變化的性能。

Ca2＋H＋膠粒＋2HCl

←→膠粒H＋＋CaCl2

H＋

Na＋

膠粒＋NaOH

←→膠粒＋H2O3、土壤的氧化-還原反應氧化還原過程對土壤形成發(fā)育有重要作用，土壤之中存在有多種氧化-還原體系，如表3-7所示。主要參考資料1、試闡述土壤呼吸過程的機制，并指出土壤呼吸與生物呼吸的差異何在。2、為什么說陽離子交換量和鹽基飽和度不但是土壤供肥、保肥、穩(wěn)肥的重要指標，也是土壤發(fā)生和分類的重要指標。3、土壤酸度的表示方法及土壤呈現酸堿性的原因。4、土壤緩沖作用及其形成原因和意義。5、土壤氧化還原反應發(fā)生的原因及其意義，并討論漬水過程的性質及其對土壤的重要性。6、從系統觀點分析土壤肥力各因子間的關系。7、土壤水分類型及重要水分常數的意義。8、土壤微生物在土壤中作用。思考題本章結束！樹立質量法制觀念、提高全員質量意識。7月-237月-23Sunday,July16,2023人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。09:52:2309:52:2309:527/16/20239:52:23AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。7月-2309:52:2309:52Jul-2316-Jul-23加強交通建設管理，確保工程建設質量。09:52:2309:52:2309:52Sunday,July16,2023安全在于心細，事故出在麻痹。7月-237月-2309:52:2309:52:23July16,2023踏實肯干，努力奮斗。2023年7月16日9:52上午7月-237月-23追求至善憑技術開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務樹立形象。16七月20239:52:23上午09:52:237月-23嚴格把控質量關，讓生產更加有保障。七月239:52上午7月-2309:52July16,2023作業(yè)標準記得牢，駕輕就熟除煩惱。202