七章土壤化學(xué)性質(zhì)原章

第七章:土壤化學(xué)性質(zhì)7.1

土壤分散系及其特征

土壤是由多相態(tài)物質(zhì)如固相物質(zhì)、液相物質(zhì)、氣相物質(zhì)及生命體構(gòu)成的復(fù)雜綜合體。當(dāng)某種土壤物質(zhì)微粒子分布在土壤液態(tài)水之中，就構(gòu)成了土壤分散系。它包括土壤溶液、土壤膠體和土壤濁液。7第一節(jié)土壤膠體一、土壤膠體的概念

土壤中的固相、液相和氣相呈互相分散的膠體狀態(tài)，其固體顆粒直徑小1μm，土壤膠體常指這些固相顆粒。即土壤學(xué)中所指的土壤膠體是指土壤顆粒直徑小于2μm或者小于1μm的土壤微粒。

土壤膠體對土壤養(yǎng)分元素、污染物的遷移轉(zhuǎn)化有重要作用，這種作用與土壤膠體類型及其性質(zhì)密切相關(guān)，土壤膠體均具有雙電層結(jié)構(gòu)，如圖7-1所示。一、土壤膠體的類型土壤膠體可分為三種類型：①土壤礦質(zhì)膠體；②有機膠體；③有機-無機復(fù)合膠體。圖7-1土壤膠體結(jié)構(gòu)示意圖7土壤膠體的構(gòu)造

擴散層

內(nèi)離子層膠核外部溶液7圖7-2土壤膠體構(gòu)造示意圖土壤膠體的特性三、土壤膠體的特性1.巨大的表面能，成為吸收性能的基礎(chǔ)2.帶有電荷，以負電荷為主，保肥性的物質(zhì)基礎(chǔ)3.凝聚和分散作用，不可逆凝聚促進土壤結(jié)構(gòu)的形成凝聚作用順序：Fe3+>AI3+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+7

四、土壤膠體的性質(zhì)（一）巨大的表面能在物體的表面，由于表面分子的四周不都是相同的分子，受到的力就不均衡，使表面分子對外表現(xiàn)有剩余能量，這種能量是由于表面的存在而產(chǎn)生，所以叫做表面能。（二）帶電性

土壤膠體微粒都帶有一定的電荷，在多數(shù)情況下帶負電荷，但也有帶正電荷的，還有因環(huán)境條件不同而帶不同電荷的兩性膠體。土壤膠體微粒帶電的主要原因是由于微粒表面分子本身的解離所致。（三）土壤膠體的分散性和凝聚性其中：2.腐殖質(zhì)膠體帶電－COOH－COO－＋H＋◎－OH

◎－O－＋H＋由于腐殖質(zhì)分子量大、官能團多，解離后帶電量大，對土壤保肥供肥性有重要影響。1.含水二氧化硅（H2SiO3）

H2SiO3

SiO32－＋2H＋(二)、土壤膠體微粒帶電荷有下列四種情形：3．粘土礦物膠體帶電土壤中粘土礦物膠體一般都帶負電荷，其電荷來源有以下幾個方面。（1）同晶置換作用粘土礦物晶質(zhì)中的一種離子被另一種離子取代的過程。在這個過程中，只改變了礦物質(zhì)的化學(xué)成分，而礦物的結(jié)晶構(gòu)造不變，故叫做同晶置換作用。（2）晶格破碎邊緣帶電礦物質(zhì)風(fēng)化破碎過程中，晶格邊緣離子一部分電荷未被中和而產(chǎn)生剩余電荷，使晶體邊緣帶電。（3）晶格表面OH基解離當(dāng)土壤溶液PH值變化時，晶格表面的OH基發(fā)生解離。

表面既帶負電荷，亦帶正電荷的土壤膠體稱兩性膠體隨溶液土壤反應(yīng)的變化而變化．以Al（OH）3為例說明如下：在酸性環(huán)境中帶正電：

Al(OH)3＋HCIAl(OH)2＋Cl-＋H2O在堿性環(huán)境中帶負電：

AI(OH)3＋NaOH-Al(OH)2O-＋Na＋＋H2O4．兩性膠體帶電

1．土壤膠體溶液（溶膠）膠體微粒均勻分散在土壤溶液中成為膠體溶液狀態(tài)，稱為溶膠。2．土壤中無定形的凝膠體（凝膠）微粒彼此相互聯(lián)結(jié)凝聚在一起，呈無定型絮狀凝膠體，稱凝膠。3．分散和凝聚作用由溶膠聯(lián)結(jié)凝聚成凝膠的作用，叫做膠體的凝聚作用。凝聚的速度和強度與兩個因素有關(guān)：一是電解質(zhì)濃度；二是電解質(zhì)種類。一般地，離子的價數(shù)越高，離子半徑越大，所產(chǎn)生的凝聚能力越強。常見陽離子凝聚力的排列順序是：

而(三)土壤膠體的分散性和凝聚性包含下列3種情形：

Fe3＋＞Al3＋＞Ca2＋＞Mg2＋＞K＋＞NH4＋＞Na＋

凝膠分散成溶膠的作用，叫做膠體的分散作用。

膠體的凝聚作用，有些是可逆的，有些是不可逆的。當(dāng)土壤干燥時，土壤溶液中的電解質(zhì)濃度相應(yīng)增大，土壤膠體易成凝膠狀態(tài)。相反，當(dāng)土壤水分增多土壤溶液濃度相應(yīng)降低，土壤膠體便會帶有多余的負電荷，互相排斥而成溶膠狀態(tài)。一般土壤膠體處于凝膠狀態(tài)。只有當(dāng)漬水過多，或膠體吸附的陽離子主要是NH4＋、Na＋，而且又處于稀溶液中，土壤膠體才呈溶膠狀態(tài)。表7－13種主要類型硅酸鹽粘粒性質(zhì)比較3～1515～4080～100陽離子交換量（cmol/g）低中等高膨脹度低中等高內(nèi)聚力，可塑性無中等很大內(nèi)表面小中等大外表面5～20100～120700～800比表面（m2/g）

六方型晶體不規(guī)則片狀不規(guī)則片狀形狀0.l～5.00.l～2.90.01～1.0大?。╪m）高嶺石伊利石

蒙脫石

粘粒類型性質(zhì)第二節(jié)：土壤的離子代換主要是物理化學(xué)代換，是由土壤膠體帶電引起，由于土壤以帶負電荷為主，土壤的陽離子代換成為土壤保肥、供肥的源泉土壤陽離子代換特征：1.是可逆反應(yīng)，2.遵循等價離子交換的原則3.符合質(zhì)量作用定律代換順序：Fe3+>AI3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+

7

一、土壤的陽離于交換作用（一）陽離子交換作用的過程

是指酸膠體表面所吸附的陽離子與土壤溶液中的陽離子相互交換的過程?？捎孟率絹肀硎荆和寥繫g2＋＋10NH4＋

膠粒AI3＋

K＋

土壤

10NH；＋Ca2＋、Mg2＋、Al3＋、K＋、2H＋

膠粒1.可逆反應(yīng)，迅速平衡

陽離子交換是一種可逆反應(yīng)。由于反應(yīng)只是在膠粒表面進行，所以會很快達到平衡。（二）土壤陽離子交換作用的特點2.交換反應(yīng)是等量電荷對等量電荷的交換（三）影響陽離子交換作用的因素1．離子交換能力一種陽離子將他種陽離子從膠粒上交換下來的能力叫做該種陽離子的交換能力。

土壤中常見的離子交換能力排列順序是：

Fe3＋＞Al3＋＞H＋＞Ca2＋＞Mg2＋＞K＋＞NH4＋＞Na2＋

凡運動速度快的其交換能力也大。H＋半徑小，但水化很弱，水膜薄，運動速度快，因此它在交換能力上具有特殊位置。10

－1.0001H＋

210.001.0640.082Ca2＋

313.300.7824.232Mg2＋

45.321.3339.101K＋

55.371.4318.011NH4＋

67.900.9323.001Na＋

水化未水化交換力順序離子半徑（A）原子量價數(shù)離子表4－2離子半徑及水化程度與交換力的關(guān)系

2．陽離子的相對濃度及交換生成物的性質(zhì)

土壤土壤K＋膠粒Ca2＋＋K2SO4

膠粒K＋＋CaSO4（四）土壤的陽離子交換量和鹽基飽和度

（1）膠體數(shù)量

一般是膠體物質(zhì)越多，陽離子交換量越大；膠體粒子越少交換量越小；土壤質(zhì)地愈細，礦質(zhì)膠體數(shù)量愈多，交換量也愈高。1．土壤的陽離子交換量

指每千克土壤或膠體吸附或代換周圍溶液中陽離子的厘摩爾數(shù)，單位為cmol／1000g土。表7－3

不同質(zhì)地土壤的陽離子交換量

土壤砂土砂壤土壤土壤土陽離子交換量1～57～87～1825～30

單位：cmol／1000g土

（2）膠體種類有機膠體交換量最大；礦質(zhì)膠體中交換量大小是：蒙脫石＞高嶺石。（3）電荷數(shù)量一般來說，隨土壤堿度增加(pH值增高)解離度增高，帶電量多，反之，隨土壤酸度增加(pH值降低)解離度降低，帶電量減少。

我國土壤陽離子交換量，由南向北，由西向東有逐漸增多的趨勢。陽離子可分為兩大類：即鹽基離子（ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、NH4＋等）和H＋與Al3＋。陽離子的代換量是這兩類離子被吸收的總量。

所謂鹽基飽和度，就是土壤吸附的交換性鹽基離子占交換性陽離子總量的百分數(shù)。

交換性鹽基離子總量（cmol／1000g土）陽離子交換量（cmol／1000g土）鹽基飽和度（％）=

根據(jù)土壤膠體對陰離子的吸收力不同，可分為3種類型：（1）易被土壤膠體吸附的陰離子如H2PO4－、HPO42－、PO43－、HSiO3－、SiO32－及某些有機酸根。（2）很少被吸附甚至不能被吸收的陰離子，如NO3－、NO22－、Cl－等。

鹽基飽和度的大小常與雨量、母質(zhì)、植被等自然條件有密切關(guān)系。一般干旱地區(qū)的土壤鹽基飽和度大，多雨地區(qū)則小。

二、土壤陰離子交換作用

被膠粒表面正電荷吸附的陰離子與溶液中陰離子的交換，稱為陰離子交換。（3）介于上述兩者之間的陰離子，如SO42－、CO32－、HCO3－以及某些有機酸根陰離子吸附的相對順序為：

PO43－＞SiO32－＞CO32－＞SO42－＞Cl＞NO3－土壤的離子代換陽離子交換量cmol（+）/kg土取決于：1.膠體類型2.土壤質(zhì)地3.鹽基飽和度：（%）=交換性陽離子的有效度取決于：1.離子飽和度2.陪補離子效應(yīng)3.黏土礦物類型7土壤對陰離子的吸附與交換陰離子的吸附順序：F->C2O42->C3H4OH(COO)32->H2PO4->HCO3->CH3COO->SCN>SO42->CI->NO3-總體上，磷酸根的易吸附固定和硝酸鹽的易流失最值得關(guān)注陰離子的負吸附指距離帶負電荷的膠體表面越近，陰離子的數(shù)量越少的現(xiàn)象一般，負吸附作用隨陰離子價數(shù)的增加而增強，隨陪伴陽離子價數(shù)的增加而減少7

土壤溶液(soilsolution)是土壤水分及其所含氣體、溶質(zhì)的總稱。分析土壤溶液組成、特性及其中化學(xué)過程，是土壤地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)研究的重要內(nèi)容。土壤溶液的溶質(zhì)主要包括：①無機鹽類；②簡單有機物；③溶解性氣體。土壤溶液中溶質(zhì)成分具有巨大的時空差異性，它與許多因素存在相互作用，如圖7-3~5所示。7土壤的酸堿反應(yīng)一、土壤酸的來源：1.水的解離HOHH++OH-

2.碳酸解離H2CO3-

H++

HCO3-

3.有機酸解離有機酸

H++

RCOO-

4.酸雨和其它無機酸土壤中鋁的活化：H+

進入土壤，破壞礦物結(jié)構(gòu)，鋁變?yōu)榛钚訟I3+

，反過來代換土壤中的H+

，使代換性H+

變?yōu)槿芤褐蠬+

，加重酸化。因此，將H+

成稱為酸的結(jié)果，而非原因。7

根據(jù)我國土壤反應(yīng)的實際差異情況及其與肥力的關(guān)系，可把土壤反應(yīng)分為下列7級：強酸性

酸性

微酸性

中性微堿性堿性強堿性pH值＜4.5pH值4.6～5.5pH值5.6～6.5pH值6.6～7.4pH值7.5～8.0pH值8.1～9.0pH值＞9．0二、土壤酸度（一）土壤溶液中氫離子的來源

土壤的酸度指土壤酸性的程度，以pH表示。它是土壤溶液中H＋濃度的表現(xiàn)，H＋濃度愈大，土壤酸性愈強。1．動植物呼吸作用排出的CO2溶解于水形成的碳酸解離產(chǎn)生的H＋。

2．微生物分解作用產(chǎn)生的有機酸、無機酸解離產(chǎn)生的H＋。

3．土壤溶液中活性鋁的作用。

4.吸附性H＋和Al3＋的作用。土壤中H＋的來源有：（二）土壤酸度類型

1．活性酸度

活性酸度是指土壤溶液中的氫離子濃度導(dǎo)致的土壤酸度，通常用pH值來表示。

2．潛性酸度是指土壤中交換性氫離子、鋁離子、羥基鋁離子被交換進入溶液后引起的酸度，以cmol/kg表示。

（1）交換性酸度土壤中通過陽離子交換反應(yīng)進入溶液的氫離子濃度稱交換性酸度。（2）鹽置換性酸度指土壤中可為中性鹽置換進入溶液的氫、鋁離子數(shù)量。（3）水解性酸度指土壤中可為堿性緩沖鹽解離的氫離子濃度。（三）活性酸與潛性酸的關(guān)系

土壤活性酸是土壤酸度的根本起點，沒有活性酸就沒有潛性酸；潛性酸決定著土壤的總酸度（以強堿滴定的土壤酸度）?；钚运崤c潛性酸是土壤膠體交換體系中兩種不同的形式，可以互相轉(zhuǎn)化。土壤的酸堿反應(yīng)一、土壤酸的類型1.活性酸：即土壤溶液中的H+

產(chǎn)生的酸度，2.潛性酸：即土壤膠體上吸附的H+

和AI3+

所造成。交換性酸：用中性鹽（KCI）浸提，土壤膠體上吸附的H+

進入溶液，AI3+

被代換后水解，釋放更多的H+

AI3++3H2O→AI(OH)3↓+3H+

水解性酸：用弱酸強堿鹽浸提土壤后，H+

和AI3+

解離更完全。7土壤堿性的形成一、堿的來源：1.碳酸鈣水解CaCO3+3H2OCa2++HCO3-+3HO-2.碳酸鈉的水解3.交換性鈉的水解

Na+H2O

Na+H++NaOH影響土壤堿化的因素1.干燥的氣候，季節(jié)性積鹽脫鹽，引起堿化2.荒漠草原和荒漠植被對堿金屬離子的富積作用3.富含鈣、鎂、鉀、鈉等堿性物質(zhì)的基性鹽、超基性巖風(fēng)化而來的土壤膠體膠體7

由碳酸鹽和重碳酸鹽導(dǎo)致土壤堿性的程度稱土壤堿度。主要決定于土壤中碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鈣以及交換性Na＋的含量。

三、土壤堿度四、土壤酸堿性對土壤肥力的影響（一）土壤酸堿性對土壤養(yǎng)分有效性的影響（二）指標(biāo)植物土壤的酸堿反應(yīng)，雖然可用化學(xué)方法測定，但是在野外工作時，常根據(jù)指示植物初步判斷土壤的酸堿性。

1．酸性土壤指示植物

2．鈣質(zhì)土的指示植物

3．鹽土的指示植物

4．鹽堿土的指示植物

（三）主要木本植物適宜pH值范圍

大多數(shù)木本植物適宜微酸性到微堿性土壤，有些植物要求酸性土壤，在強堿性土壤上一般樹種都不能生長。

五、土壤反應(yīng)的調(diào)節(jié)（一）酸性土的調(diào)節(jié)

改良酸性土壤通常施用石灰、石灰石粉和堿性、生理堿性肥料。

（二）堿性土的調(diào)節(jié)

改良堿性土可施用石膏、明礬、硫酸亞鐵和硫磺等。

此外，改良堿土還需要采取與灌溉、排水、園林植物栽培以及土壤耕作等相結(jié)合。圖7-3

土壤溶液及其影響因素作用模式7圖7-4土壤酸堿狀況、形成及其對植物的影響示意圖圖7-5

土壤系統(tǒng)中氫離子收支平衡圖式7圖7-6不同pH值土壤中酸根離子及陽離子組成圖式(據(jù)MillerRW,2001)7圖7-7

土壤pH值與微生物及營養(yǎng)元素有效性的相關(guān)圖式7土壤酸堿度的調(diào)節(jié)一、土壤酸度的調(diào)節(jié)1.施用石灰2.施用堿性肥料3.改良土壤二、土壤堿度的調(diào)節(jié)1.施用石膏2.施用堿性肥料3.改良土壤三、土壤氧化還原狀況的調(diào)節(jié)1.加強灌溉或排水2.施用有機肥3.深耕7

土壤對酸堿的緩沖性能是指土壤系統(tǒng)具有的抵抗因外界因子作用引起的酸堿劇烈變化的性能。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7-2所示。7土壤氧化還原性能一、土壤氧化還原體系二、土壤氧化還原指標(biāo)1.氧化還原電位2.電子活度負對數(shù)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(zhì)的含量4.植物根系的代謝作用5.土壤的pH777-2

第四節(jié)土壤緩沖性能

酸性或堿性物質(zhì)加入土