第3章 土壤基本性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,土壤基本性质,第一节 土壤胶体,一、土壤胶体的概念,土壤中的固相、液相和气相呈互相分散的胶体状态，其固体颗粒直径小,1,m,，,土壤胶体常指这些固相颗粒。即,土壤学中所指的土壤胶体是指土壤颗粒直径小于,2,m,或者小于,1,m,的土壤微粒,。,二、土壤胶体的种类,（一）无机胶体,矿质胶体指土壤矿物中的细分散颗粒，比表面大，并带电荷，具有胶体特性。主要为极细微的粘土矿物，包括成分简单的含水氧化物和成分复杂的各种次生层状铝硅酸盐类等。,1,含水氧化物,主要包括水化程度不等的铁、铝、硅的氧化物。,（,1,）含水氧化硅,是一种非晶质的凝胶，其化学式为,SiO,2,nH,2,O,或写成,H,2,SiO,3,。,（,2,）含水氧化铁,褐铁矿,2Fe,2,O,3,3H,2,O,针铁矿,Fe,2,O,3,H,2,O,多水针铁矿,3FeO,3,4H,2,O,一水赤铁矿,3Fe,2,O,3,H,2,O,等。,（,3,）含水氧化铝,主要有水铝石,Ai,2,O,3,H,2,O,和三水铝石,Al,2,O,3,3H,2,O,等，也是两性胶体，其电性决定于溶液的酸碱性。,2,粘土矿物胶体,土壤中最主要的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石，还有蛭石、绿泥石、水铝英石等。,高岭石,化学式为,Al,2,Si,3,O,5,（,OH,）,4,或,Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,，,是矿物强烈风化作用下的产物,伊利石（水化云母）,是云母分解向蛭石和蒙脱石过渡的中间产物。是干旱、半干旱地区土壤中的主要粘土矿物。,蒙脱石,是由基性火成岩在微碱性环境下风化而成的。,上述,3,种主要粘土矿物的共同特性是：颗粒细小，呈片状，有巨大的表面积。,3,种主要类型硅酸盐粘粒性质比较,315,1540,80100,阳离子交换量（,cmol/g,）,低,中等,高,膨胀度,低,中等,高,内聚力，可塑性,无,中等,很大,内表面,小,中等,大,外表面,520,100120,700800,比表面（,m,2,/g,）,六方型晶体,不规则片状,不规则片状,形状,0.l5.0,0.l2.9,0.011.0,大小（,um,）,高岭石,伊利石,蒙脱石,粘 粒 类 型,性质,土壤有机胶体指土壤中腐殖质、多糖等高分子化合物的细分散状态，具胶体特性。有机胶体主要是,腐殖质。,（二）有机胶体,（三）有机矿质复合体,土壤中有机胶体和矿质胶体一般很少单独存在。有机胶体与矿质胶体通过表面分子缩合、阳离子桥接及氢键合等作用连结在一起的复合体，称有机矿质复合体。因复合体具有高度的吸收性能故又称为吸收性复合体。,单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积或比面（,cm,2,/g,cm,2,/cm,3,）。,在物体的表面，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，使表面分子对外表现有剩余能量，这种能量是由于表面的存在而产生，所以叫做表面能。,三、土壤胶体的性质,（一）巨大的比表面积和表面能,（二）带电性,土壤胶体微粒都带有一定的电荷，在多数情况下带负电荷，但也有带正电荷的，还有因环境条件不同而带不同电荷的两性胶体。土壤胶体微粒带电的主要原因是由于微粒表面分子本身的解离所致。,2.,腐殖质胶体带电,COOH,COO,H,OH,O,H,由于腐殖质分子量大、官能团多，解离后带电量大，对土壤保肥供肥性有重要影响。,1.,含水二氧化硅（,H,2,SiO,3,）,H,2,SiO,3,SiO,3,2,2H,（,1,）同晶置换作用,粘土矿物晶质中的一种离子被另一种离子取代的过程。在这个过程中，只改变了矿物质的化学成分，而矿物的结晶构造不变，故叫做同晶置换作用。,3,粘土矿物胶体带电,土壤中粘土矿物胶体一般都带负电荷，其电荷来源有以下几个方面。,永久电荷：,在岩石化学风化过程中，因粘土矿物晶格内发生同晶置换而产生的电荷。,（,2,）晶格破碎边缘带电,矿物质风化破碎过程中，晶格边缘离子一部分电荷未被中和而产生剩余电荷，使晶体边缘带电。,（,3,）晶格表面分子的解离,当土壤溶液,pH,值变化时，晶格表面的,OH,基发生解离。,可变电荷：,随土壤,pH,值条件而改变的电荷，是由于胶体颗粒表面基团的解离或质子化而引起的。,表面既带负电荷，亦带正电荷的土壤胶体称两性胶体,随溶液土壤反应的变化而变化（三水铝石、腐殖质上的某些原子团在不同,pH,条件下等）。,4,两性胶体带电,以,Al,（,OH,）,3,为例说明如下：,在碱性环境中带负电：,Al,（,OH,）,3,NaOH,Al,（,OH,）,2,O,Na,H,2,O,Al,（,OH,）,3,HCl,Al,（,OH,）,2,Cl,H,2,O,在酸性环境中带正电：,等电点：,在某一,pH,条件下，当负电荷和正电荷的数量相等时，胶体的净电荷为零，这就是该胶体的等电点,pH,值。,（三）土壤胶体的分散性和凝聚性,胶体微粒均匀分散在土壤溶液中成为胶体溶液状态，称为溶胶。,1,土壤胶体溶液（溶胶）,2,土壤中无定形的凝胶体（凝胶）,微粒彼此相互联结凝聚在一起，呈无定型絮状凝胶体，称凝胶。,3,分散和凝聚作用,由溶胶联结凝聚成凝胶的作用，叫做胶体的凝聚作用。凝聚的速度和强度与两个因素有关：,一是电解质浓度；,二是电解质种类。,第二节 土壤的离子交换作用,土壤的离子交换作用是由土壤胶体引起的。,土壤胶体的交换作用,是指土壤胶体微粒扩散层中的离子与土壤溶液中的离子相互交换过程。,可分为阳离子交换作用和阴离子交换作用两种。,一、土壤的阳离于交换作用,（一）阳离子交换作用的过程,是指酸胶体表面所吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子相互交换的过程。,土壤胶体是带有负电荷的，因而具有一定的阳离子吸附能力，胶体所吸附的一部分阳离子在一定条件下可以与土壤溶液中的阳离子相互代,换。,可用下式来表示：,土壤,Mg,2,胶粒,AI,3,K,Ca,2,土壤,10NH,4,胶粒,2H,10NH,4,Ca,2,、Mg,2,、Al,3,、K,、2H,1.,可逆反应，迅速平衡,（二）土壤阳离子交换作用的特点,2.,交换反应是等量电荷对等量电荷的,交换,3.,交换反应的速度受交换点的位置和温度的影响,影响因素,（,1,）土壤质地,一般是胶体物质越多，阳离子交换量越大；胶体粒子越少交换量越小；土壤质地愈细，矿质胶体数量愈多，交换量也愈高。,1,土壤的阳离子交换量,指每千克土壤或胶体吸附或代换周围溶液中阳离子的厘摩尔数，单位为,cmol,kg,土。,（三）土壤的阳离子交换量和盐基饱和度,不同质地土壤的阳离子交换量,2530,718,78,15,阳离子 交换量,粘 土,壤 土,砂壤土,砂 土,土 壤,单位：,cmol,(+),kg,（,2,）腐殖质含量,腐殖质胶体阳离子交换量远大于矿质胶体。,（,3,）胶体种类,有机胶体交换量最大；矿质胶体中交换量大小是：蒙脱石伊利石高岭石。,（,4,）土壤酸碱反应,一般来说，随土壤碱度增加,(pH,值增高,),解离度增高，带电量多，反之，随土壤酸度增加,(pH,值降低,),解离度降低，带电量减少。,我国土壤阳离子交换量，由南向北，由西向东有逐渐增多的趋势。,阳离子可分为两大类：,阳离子的代换量是这两类离子被吸收的总量。,盐基离子,（,Ca,2,、,Mg,2,、,K,、,Na,、,NH,4,等）,H,与Al,3,2,盐基饱和度,就是土壤吸附的交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分数。,交换性盐基离子总量（,cmol,kg,）,阳离子交换量（,cmol,kg,）,盐基饱和度,（）,=,盐基饱和度的大小常与雨量、母质、植被等自然条件有密切关系。一般干旱地区的土壤盐基饱和度大，多雨地区则小。,（,四）交换性阳离子的活度及影响因素,交换性阳离子活度指实际能解离的交换性阳离子的数量。,影响因素：,A,交换性离子饱和度：,胶体上某种阳离子占整个阳离子交换量的百分数。,B,陪补离子的种类,离子相互抑制的能力顺序,Na,K,Mg,2,Ca,2,H,Al,3,C,无机胶体的种类,饱和度相同的条件下，高岭石蒙脱石水云母,D,离子半径大小与晶格孔隙大小,钾的离子半径和铵的离子半径的大小都接近于晶格孔隙的大小，晶格固定。,二、土壤阴离子交换作用,被胶粒表面正电荷吸附的阴离子与溶液中阴离子的交换，称为阴离子交换。,根据土壤胶体对阴离子的吸收力不同，可分为,3,种类型：,易被土壤胶体吸附的阴离子如,H,2,PO,4,、,HPO,4,2,、,PO,4,3,、,HSiO,3,、,SiO,3,2,及某些有机酸根。,很少被吸附甚至不能被吸收的阴离子，如,NO,3,、,NO,2,2,、,Cl,等。,介于上述两者之间的阴离子，如,SO,4,2,、,CO,3,2,、,HCO,3,以及某些有机酸根,阴离子吸附的相对顺序为：,PO,4,3,SiO,4,2,CO,2,2,SO,3,2,Cl,NO,3,第三节 土壤酸碱性,土壤酸碱反应是气候、植被、成土母质等及人为因素共同作用的结果。,一 土壤中酸性形成的机理,土壤中,H,的来源,土壤中铝的活化,1.,水的解离,；,2.,动植物呼吸作用排出的,CO,2,溶解于水形成的碳酸解离产生的,H,；,3.,微生物分解作用产生的有机酸、无机酸解离产生的,H,;,4.,无机酸的形成 由于氧化等作用的发生，使土壤中产生各种各样的无机酸,;,5.,酸雨：我国每年排放,SO,2,约,1.710,6,7,吨,（一）土壤中,H,的来源有：,土壤中铝的活化,土壤交换性,H,+,的饱和度达到一定限度，就会破坏硅酸盐粘粒晶体结构，其水铝片中,Al,转化为活性,Al,3,+,，,取代交换性,H,而成为交换性,Al,3+,。,因此，矿质酸性土以交换性,Al,3+,占绝对优势。,1,、,概念及,土壤碱性的形成机理,由碳酸盐和重碳酸盐导致土壤碱性的程度称土壤碱度。形成碱性反应的主要机理是碱性物质的水解反应。,主要决定于土壤中碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钙以及交换性,Na,的含量。,（,二）、土壤碱性及其影响因素,(1),碳酸钙水解,CaCO,3,+H,2,O+CO,2,Ca,2+,+HCO,3,-,+OH,-,(2),碳酸钠水解,Na,2,CO,3,+2H,2,O 2Na,+,+H,2,CO,3,-,+2OH,-,碳酸钠的来源：,土壤矿物质中钠的碳酸化。风化产物硅酸钠与碳酸作用,(,析出,SiO,2,):,CaCO,3,+NaCl CaCl,2,+Na,2,CO,3,(3),交换性钠的水解,当土壤胶体的交换性,Na+,积累到一定数量，土壤溶液盐浓度较低时，,Na+,离解进入溶液，水解产生,NaOH,，,并进一步形成碳酸盐,Na,2,CO,3,、,NaHCO,3,。,2,、,影响土壤碱化的因素,(1),气候因素,(,干湿度,),碱性土分布在干旱、半干旱地区。在干旱、半干旱条件下，蒸发量大于降雨量，土壤中的盐基物质，随着蒸发而表聚，使土壤碱化。,(2),生物因素,Na,、,K,、,Ca,、,Mg,等盐基生物积累。一些植物适应在干旱条件下生长，有富集碱性物质的作用。,如,:,海蓬子含,Na,2,CO,3,3.75%,，碱蒿,含,2.76%,，盐蒿含,2.14%,，芦苇含,0.49%,。,(3),母质,碱性物质的基本来源。基性岩、超基性岩富含碱性物质，含盐基物质多，形成的土壤为碱性。,(4),施肥和灌溉,施用碱性肥料或用碱性水灌溉会使土壤碱化。如都江堰水质偏碱，长期用都江堰水灌溉的水稻田土壤,pH,有所提高。,根据我国土壤反应的实际差异情况及其与肥力的关系，可把土壤反应分为下列,5,级：,土壤酸碱性分级,强酸性,酸性,中性,碱性,强碱性,pH,5.0,pH5.0,6.5,pH6.5,7.5,pH7.5,8.5,pH,8.5,二、土壤酸的容量指标,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,浓度的表现，,H,浓度愈大，土壤酸性愈强。,（一）土壤酸度类型,1,活性酸度,活性酸度是指土壤溶液中的氢离子浓度导致的土壤酸度，通常用,pH,值来表示