《土壤的基本性质》PPT课件.ppt

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1、,第二章 土壤的基本性质（Soil basic characteristics）,2-4 土壤的结构性与孔隙性,2-2 土壤交换吸收性能,2-土壤酸碱反应,2-5 土壤的通气性,2-6 土壤热状况,2-3 土壤养分,2-1 土壤的酸碱反应,土壤酸碱性反应我国土壤的酸碱性反应，大多数在pH4.58.5之间。在地理分布上有“东南酸西北碱”的规律性。大致可以长江为界（北纬33），长江以南的土壤为酸性或强酸性，长江以北的土壤多为中性或碱性。我国土壤的酸碱性南北差异很大。,一、土壤酸性（Soil acidity）由土壤溶液中的H+和土壤胶体上吸附的酸离子（H+和Al3）引起的土壤反应。,（一）活性酸度（

2、active acidity）土壤溶液中游离的H所直接显示的酸度。用pH值表示：pHlg H 是土壤酸碱性的强度指标,（二）潜性酸度（potential acidity）土壤胶体上吸附的H、Al3所引起的酸度，只有转移到土壤溶液中形成游离的H才显示出酸性。用1kg 烘干土中氢离子（或正电荷）的厘摩尔数（cmol）表示：cmol(H+)/kg 或 cmol(+)/kg 是土壤酸性的容量（数量）指标 是土壤酸度的主体,1.交换性酸度(exchangeable acidity)用过量的中性盐溶液（1mol/L KCl、NaCl等）浸提土壤时，土壤胶体表面上的H+、Al3大部分进入到土壤溶液，再用标准

3、碱液滴定测得的酸度。,2.水解性酸度(Hydrolytic acidity)用过量的弱酸强碱盐溶液（1mol/L NaOAc）浸提土壤时，从土壤中交换出来的H+、Al3进入土壤溶液所产生的酸度。,实验测得的水解性酸度包括了潜性酸度和活性酸度的总和，可作为酸性土壤改良时计算石灰施用量的依据。,（三）活性酸和潜性酸的关系活性酸和潜酸的总和，称为土壤总酸度。由于它通常是用滴定法测定的，故又称之为土壤的滴定酸度。它是土壤的酸度的容量指标。它与pH值在意义上是不同的。,活性酸是土壤酸度的起源，代表土壤酸度的强度；潜在酸是土壤酸度的主体，代表土壤酸度的容量。,土壤总酸度活性酸度潜在酸度,土壤酸碱性产生的原

4、因（一）气候因素 热带地区气温高、降雨量大，造成土壤中盐基成分的淋失，使土壤逐渐酸化；干旱地区，降雨量远远低于蒸发量，盐基成分易积累，使土壤向碱化方向演化。我国“南酸北碱”。（二）母岩、母质因素 母岩为酸性岩易发育为酸性土壤，基性岩则相反。（三）生物因素 生物产生的CO2溶于水产生的H+易导致土壤酸化。植被不同，残体成分不同，影响土壤酸碱性。（四）施肥和灌溉 长期施用酸性化肥如(NH4)2SO4、KCl等造成土壤酸化等。,二、土壤碱性（Soil basicity/alkalinity）由土壤中的交换性Na以及Na的弱酸盐（NaCO3、NaHCO3）水解所产生的OH-引起的土壤反应。,表示方法：

5、1、pH值2、总碱度 总碱度CO32-+HCO3-cmol(+)/L,3、碱化度（degree of alkalisation）,碱化度 510轻度碱化土 碱化度1015中度碱化土 碱化度1520强碱化土 碱化度20碱土,四、土壤酸碱反应与生物环境,1.影响土壤养分的有效性,土壤pH在6.5左右各种营养元素的有效性最大N、K、S在中、碱性土壤中的有效性大P在pH67时有效性最大，pH7时易产生磷酸钙沉淀,Ca、Mg在pH6.58.5时有效性最大Fe、Mn、Cu、Zn在酸性条件下有效性大；Mo在pH6时有效性增大；B在pH6.07.0的中性土壤和pH8的强碱性土壤中有效性大，在酸性土壤和石灰性土

6、壤中有效性低,2.影响土壤微生物的活性细菌和放线菌适于中性微碱性环境，在pH5.5的强酸性土壤中活性降低真菌对pH的适应范围很宽,3.影响土壤粘土矿物类型和结构性酸性土中的H+和Na+使土壤颗粒易于分散，结构易破坏酸性条件下易形成高岭石，碱性条件下易形成伊利石,4.作物的酸碱适应性,三、土壤缓冲性（Soil buffer power）土壤抗衡酸、碱物质，减缓土壤pH值变化的能力。常用土壤缓冲容量表示，即缓冲一个pH单位所需要的酸或碱的数量。实际上，土壤对营养元素、污染物质、氧化还原及外界环境变化等的减缓能力都属于广义土壤缓冲性的范围。,（一）土壤酸碱缓冲作用的机制,影响因素：,1.土壤胶体上的

7、交换性阳离子 加入酸：,加入碱：,阳离子交换量越大，酸碱缓冲能力越强,盐基饱和度越大，对酸的缓冲能力越强；盐基饱和度越小，对碱的缓冲能力越强,2.土壤溶液中的弱酸及其盐,碳酸及其盐类、硅酸及其盐类弱酸缓冲碱，弱酸盐缓冲酸,H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2O Na2CO3+2HCl=H2CO3+NaCl,3.土壤中的两性物质 同时含有酸性基团(如羧基)与碱性基团(羟基、胺基),4.酸性土壤中铝体系 pH4的极酸性土壤中，Al3+对OH-起缓冲作用,2Al(H2O)63+2OH-Al2(OH)2(H2O)84+4H2O,一个Al3+与六个H2O结合，加入OH-后，其中一、两个H2O解

8、离出H+与OH-中和；两个水合Al共用两个OH-代替两个H2O的位置。,pH5，Al3+与OH-结合为Al（OH）3沉淀，失去对碱的缓冲能力,（二）土壤酸碱缓冲作用的意义,1.使土壤的pH不致因施肥、根系呼吸、有机质分解等引起剧烈变化，为植物生长和微生物活动创造一个稳定良好的土壤环境条件。,2.土壤酸、碱性改良时应充分考虑到土壤的缓冲性。,四、土壤酸碱性的改良,1、土壤酸性土改良经常使用石灰。达到中和活性酸、潜性酸、改良土壤结构的目的。沿海地区使用含钙的贝壳灰。也可用紫色页岩粉、粉煤灰、草木灰等。石灰施用量的计算：生石灰需要量（g/m2)=阳离子代换量*（1盐基饱和度）*土壤重量*28*1/1

9、000,2、中性和石灰性土壤的人工酸化 露地花卉可用硫磺粉（50g/平方米）或硫酸亚铁（150克/平方米），可降低0.51个pH单位。也可用矾肥水浇制。3、碱性土壤 施用石膏，还可用磷石膏、硫酸亚铁、硫磺粉、酸性风化煤。,2-2 土壤交换吸收性能,一、土壤胶体：直径为1100 nm的土壤固体颗粒。直径小于1000 nm（1m）的土壤颗粒都可以归属为土壤胶粒的范围。,（一）土壤胶体的种类,（二）土壤胶体的构造,胶核是胶体的固相部分，由粘粒、腐殖质或两者的复合体等组成。胶核表面因分子解离而产生一层离子并带有某种电荷决定电位离子层（双电层内层）。通常所说的胶体带电既指该层电荷。决定电位离子层吸附介质

10、中与其电荷相反的离子，形成补偿离子层。按吸附力的大小分为非活性层和扩散层。胶核、决定电位离子层和非活性补偿离子层常成为一个整体胶粒。,（三）土壤胶体的特性,由于表面的存在而产生的能量叫做表面能。胶体的比表面积越大，表面能也越大，吸附能力也越强。,土粒越细，比表面积越大。,1.土壤胶体具有巨大的比表面积和表面能 2.胶体一般带有电荷,（1）永久电荷（内电荷）(permanent/inner charge)同晶代换的结果,同晶代换：铝硅酸盐矿物中的配位中心离子（硅或铝），被与其大小相近、电性相同的离子所取代，但其晶层结构未变的现象。永久电荷数量不受介质pH值的影响,（2）可变电荷（variable

11、 charge）胶核表面分子（原子团）解离的结果粘土矿物晶面上OH的解离含水铁、铝氧化物的解离含水氧化硅的解离腐殖质上原子团的解离,电荷性质与数量受介质pH值的影响,1.土壤胶体具有巨大的比表面积和表面能 2.胶体一般带有电荷3.土壤胶体有凝聚与分散的作用,（一）土壤阳离子交换作用,K+的吸附过程,K+的解吸过程,二、土壤离子交换作用：土壤吸收和保持土壤溶液中的分子和离子，悬液中的悬浮颗粒、气体以及微生物的作用。,1.阳离子交换作用的特点（1）可逆反应（Reversible reaction）土壤胶体表面吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子存在动态的平衡，反应迅速。,（2）等价离子交换（Equal

12、 charge）以相等电荷数量进行交换 如1 mol Ca2 交换2 mol NH4+,（3）符合质量作用定律（Mass action law）,2.阳离子交换能力一种阳离子将土壤胶体表面吸附的另一种阳离子交换出来的能力。,影响因素：（1）离子价 X3+X2+X+,由大到小顺序：Fe3+、Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+,（3）离子浓度同一种离子，浓度越大、交换能力越大。,（2）离子半径、离子水化半径同价离子，离子半径越大、水化半径越小，交换能力越大。(H+除外),3.土壤阳离子交换量(Cation exchange capacity，CEC)一定pH条件下，每kg 干土所能吸附

13、的全部交换性阳离子的厘摩尔数，单位是 cmol/kg 或cmol(+)/kg。CEC是土壤保肥性的重要指标。,20cmol(+)/kg保肥性强2010cmol(+)/kg保肥性中 10cmol(+)/kg保肥性差,（3）土壤pH值 在一定范围内，土壤pH值越高，土壤胶体上H的解离越多，土壤所带的负电荷越多，CEC越大,（2）胶体类型 有机胶体矿质胶体 2:1型粘土矿物1：1粘土矿物铁、铝氧化物,影响因素：（1）胶体数量 土壤胶体物质越多，CEC越大,4.盐基饱和度(Base saturation percentage)土壤中交换性盐基离子（K+、Na+、NH4+、Ca2+、Mg2+等）总量占阳

14、离子交换量的百分数。,盐基离子(Bases)：K+、Na+、NH4+、Ca2+、Mg2+等阳离子。,酸离子（Acidic ions）：H+、Al3+离子。,盐基饱和度与土壤酸碱性的关系：我国干旱半干旱的北方地区，土壤盐基饱和度大，土壤的pH值高；多雨湿润的南方地区，土壤盐基饱和度小，土壤pH值低。,盐基饱和度与土壤肥力的关系：盐基饱和度80%肥沃；盐基饱和度50%80%肥力中等；盐基饱和度50%肥力较低。,（二）土壤阴离子交换作用土壤中带正电荷胶体吸附的阴离子与土壤溶液中阴离子相互交换的作用。,类型：（1）易被土壤吸附的阴离子：磷酸根（H2PO4-HPO42-、PO43-）、硅酸根（HSiO3

15、-、SiO32-）、某些有机酸根（C2O42-）；（2）很少或不被吸附的离子：Cl-、NO3-NO2-，易随水流失；（3）中间类型的阴离子：SO42-、CO32-、HCO3-、某些有机酸（CH3COO-）。,影响因素：（1）离子价数：离子价越大，吸附力越强(OH-除外)OH-PO43-SO42-NO3-、Cl-（2）胶体组分：水化氧化铁、氧化铝胶体含量越高，土壤吸收阴离子的能力越强（3）土壤pH值：pH值越低，土壤吸收阴离子的能力越强,（三）土壤离子交换作用对土壤的影响,1.影响土壤物理性状 Na使土壤颗粒分散，结构破坏Ca使土壤颗粒凝聚，形成水稳性结构体,2.影响土壤养分有效性 养分离子从土

16、壤胶体上被交换到土壤溶液中，易被作物吸收（有效性提高），但也易流失,提问,求两土壤的CEC、盐基饱和度、K的饱和度，并比较两土壤的保肥性和K的有效性。,2-3 土壤养分状况,一、土壤养分的种类,二、土壤养分的形态与转化,土壤水分蒸发蒸腾量(蒸散量/腾发量，evapotranspiration):作物蒸腾和土面蒸发水量的总和。,一、土壤水分的调节,（一）农田水分动态平衡,（二）土壤水分调节,控制地表径流，增加土壤水分入渗 通过合理耕翻、改良土壤质地结构、等高种植等措施，减少或消除地表径流损失，增强水分的入渗。2.减少土壤水分蒸发 通过中耕除草、地面覆盖、施用保水剂等减少土面蒸发3.合理灌溉 控制

17、灌溉时间与灌水量，采取科学的灌溉方法4.提高土壤水分的有效性5.及时排除多余水,二、土壤空气的调节,施用有机肥，改良土壤结构2.合理灌排，控制地下水位3.合理中耕松土，增强通气性,三、土壤温度的调节,施用有机肥，改善土壤热性质2.合理灌排，以水调温3.合理覆盖，保温或降温,2-4 土壤孔隙性与结构性 2-4 soil porosity、structure,一、土壤孔隙性,土壤孔性：土壤孔隙的数量、大小及其比例等性质,（一）土壤孔隙度（soil porosity）,1.土粒密度（particle density）：又称土壤密度（soil specific gravity），单位体积固体土粒（不包

18、括粒间孔隙）的烘干重。受土壤矿物组成、土壤有机质含量的影响。一般取值为2.65。,2.土壤容重（soil bulk density）：（1）概念：单位体积土体（包括粒间孔隙）的烘干重，单位为g/cm3或t/m3。旱地土壤在1.141.26g/cm3之间最适宜。,（2）影响因素：土壤的矿物组成和含量土壤有机质含量土壤质地土壤结构土壤松紧度人类活动,3.土壤孔隙度：土壤孔隙的数量指标，即单位体积土壤中孔隙体积占整个土壤体积的百分数。,土壤孔隙比：土壤中孔隙体积与土粒体积的比值。,结构良好的耕层土壤的孔隙比应1,（二）土壤孔隙类型,1.当量孔径：与一定的土壤水吸力相当的孔径，它与土壤孔隙的形状及其均

19、匀度无关。,d：当量孔径，mmS：土壤水吸力，100Pa（mbar）,2.土壤孔隙类型：,无效孔隙（非活性孔隙）（inactive pore）：d1.5105 Pa 几乎始终充满无效水，与土粒大小和分散度有关,毛管孔隙（capillary pore）：0.002mm S1.5104 Pa 可保持毛管水，也可通气,通气孔隙（aeration pore）：d 0.02mm，S1.5104 Pa 经常被空气占据，重力水的通道,用质量为100g、体积为100cm3的环刀取原状土，环刀与土壤的总质量为240g，105下烘干8h后称重为220g，求该土壤的容重。,二、土壤结构性,土壤结构：土壤各粒级土粒在

20、内外因素的综合作用下相互团聚成大小、形态和性质不同的团聚体，这些团聚体称为土壤结构，或土壤结构体。,（一）土壤结构体的类型,块状结构体（blocky）：“坷垃”，近立方体，,2.核状结构体（subangular）：“蒜瓣土”，棱角明显，表面常有褐色胶膜，多出现于缺乏有机质的心、底土。,3.柱状、棱柱状结构体（columnar）：“立土”，纵轴大于水平轴，立柱状，边面不明显的称柱状，边面棱角明显的称棱柱状。常出现于底土层。,团粒结构（spheroidal）：“米糁子”，近似球形，疏松多孔的小团聚体，直径0.2510 mm之间，0.25 mm的称微团粒。形成于有机质丰富的耕层土壤中。生产中最理想的

21、是直径为2-3mm的水稳性团粒。,片状结构体（platy）：“卧土”，水平轴大于纵轴，扁平状，厚度1-5 mm。常出现与犁底层和雨后或灌溉地表结壳。,（二）土壤团粒结构与土壤肥力,良好的团粒结构：有一定的结构形态和大小 旱地13 mm的最佳；水田0.25 mm的微团粒,有多级孔隙,有一定的稳定性 水稳性、机械稳固性、生物稳定性,团粒结构对土壤肥力的作用：,协调土壤水、气矛盾 协调土壤有机养分消耗与积累的矛盾 能稳定土壤温度，调节土壤热量状况 改良土壤耕性，有利于根系伸展,促进团粒结构形成的措施：,合理施肥 正确的土壤耕作 合理的轮作 调节土壤阳离子组成合理灌排、晒垡、冻垡施用土壤结构改良剂,2

22、-5 土壤的通气性,（一）土壤通气性的含义,即土壤气体交换的性能，指土壤与近地表大气之间的气体交换以及土体内部的气体交换过程。,一、土壤的通气性,（二）土壤空气的运动,1.土壤空气扩散（soil air diffusion）,F：单位时间通单位面积的气体量D：扩散系数dcdx：气体浓度（分压）梯度,FD dcdx,气体浓度（分压）梯度是土壤气体扩散作用的主要动力，它使土壤气体各组分从浓度高的地方向浓度低的地方运动：O2进入土壤，CO2排出土壤土壤呼吸（soil respiration）,2.土壤空气整体交换,土壤空气在温度、气压、风、降雨或灌水等因素的作用下整体排出土壤，同时大气也整体进入，又

23、称整体流动，交换速度较快。推动力：总气压梯度,（三）影响土壤通气性的因素,1.土壤与大气间的温度和气压差,2.土壤含水量的变化,3.土壤通气孔隙的大小、数量、联通状况,4.土壤与大气间的O2、CO2浓度差,（四）土壤通气性的指标,1.土壤呼吸系数,单位时间内、单位面积的土壤表面扩散出的CO2与O2体积的比率一般应接近1，大于1说明土壤通气性差,1.土壤中氧的扩散率（ODR）,单位时间（1min）内扩散通过每cm2土层的氧的g数，g/(cm2min),3.土壤通气量,单位时间内、单位压力下，通过单位体积土壤的空气总量（CO2O2），mL/(cm3s),4.土壤通气孔隙度,土壤中通气孔隙的百分率，

24、10-20为宜,5.土壤氧化还原单位,（一）土壤中的氧化还原体系,五、土壤的氧化还原性,由土壤溶液中氧化物态物质和还原态物质的浓度变化而产生的电位（V或mV）。,E0：标准氧化还原电位，体系中氧化态和还原态物质 浓度相等时的电位，因pH不同而异n：反应中电子转移数,（二）土壤的氧化还原电位（soil redox potential，Eh）,土壤中主要的氧化剂是大气中的氧进入土壤中，与土壤中的化合物起作用，得到两个电子而还原为O2-；土壤氧化态物质浓度越大，Eh值越大，故Eh可以反应土壤氧的分压，进而可以评价土壤通气性的强弱。,2-6 土壤热状况,一、土壤热量来源与平衡,（一）来源1太阳的辐射能

25、 主要来源，地球大气圈顶部获得的平均太阳辐射强度为1.9 cal/cm2/min 太阳常数 2.生物热 土壤微生物分解有机质过程中释放的热量3.地球内热 由地球内部的岩浆传导至地表的热。,（二）土壤热量平衡,二、土壤热性质,（一）土壤热容量（Soil heat capacity）单位质量或单位容积的土壤在温度每升高或降低1K时所吸收或放出热量。,质量热容量（C）：J/(gK)。容积热容量（Cv）：J/(cm3K)Cv=Cd,C(Cv)越大，土壤温度变化越慢；反之，土温变化频繁。,主要影响因素：土壤含水量，通过灌排调节土壤温度,（二）土壤导热率（Soil thermal conductivity,）在单位厚度（1cm）土层的温差为1K时，每秒经单位面积（1cm2）土壤断面的热量焦耳数。单位：J/(cmKS)。,冬季压实土壤、增加土壤水分含量防冻害,（三）土壤导温率（Soil temperature conductivity）,又称土壤热扩散率，是指在标准状态下，当土层垂直方向上存在每cm内有1K的温度梯度下，每S流入1cm2土壤断面面积的热量，使单位体积（1cm3）土壤羧发生的温度变化。K=/Cv（cm2/s）,三、土壤热性质与作物生长,（一）土壤温度与种子发芽（二）土壤温度与根系生长（三）土壤温度与地上部生长（四）土壤温度与盐分有效性,