土壤固相部分.ppt
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1、3 土壤固相部分的基本性质3.1.1 3.1.1 土壤胶体吸附性的含义土壤胶体吸附性的含义土壤的吸附性土壤的吸附性就是土壤能吸附并保持一些物质的性质。主要就是土壤能吸附并保持一些物质的性质。主要指保持土壤溶液中的离子、分子以至一些悬浮物质的性质。指保持土壤溶液中的离子、分子以至一些悬浮物质的性质。农民施用化肥如铵态氮肥随水施入土壤农民施用化肥如铵态氮肥随水施入土壤,并不担心化肥随并不担心化肥随水流失水流失,化肥可保存在土壤中逐渐被植物吸收利用。这是化肥可保存在土壤中逐渐被植物吸收利用。这是为什么呢?为什么呢?实际应用:实际应用:如施用人粪尿作肥料时,常将人粪尿和土壤拌如施用人粪尿作肥料时,常将
2、人粪尿和土壤拌匀,以防止其中的氨挥发损失;堆制有机肥时,复土而避匀,以防止其中的氨挥发损失;堆制有机肥时,复土而避免养分逸失免养分逸失,也减少臭味的散发和空气污染也减少臭味的散发和空气污染。3.1 土壤吸收性能按吸附的按吸附的机理和作用力机理和作用力的性质可将吸附性分为下列五种类型的性质可将吸附性分为下列五种类型:1机械吸附机械吸附 机械吸附机械吸附是指土壤对进入其中的是指土壤对进入其中的固体物质的固体物质的机械阻留机械阻留作用。作用。土壤是个极其复杂的多孔体系,对随水土壤是个极其复杂的多孔体系,对随水(灌水或降水灌水或降水)进入进入土壤的一些土壤的一些固体物质固体物质,如有机残体如有机残体,
3、肥料颗粒和细小的粘粒肥料颗粒和细小的粘粒等被截留等被截留,使这些物质保存于土壤中。机械吸附使这些物质保存于土壤中。机械吸附对可溶性对可溶性的分子和离子的分子和离子,如水溶性养分等,如水溶性养分等不起保存作用不起保存作用。与土壤质。与土壤质地有关,一般质地细的土壤,小孔隙多,能截获较多的固地有关,一般质地细的土壤,小孔隙多,能截获较多的固体物质。体物质。2物理吸附物理吸附 物理吸附物理吸附是指借助于是指借助于土壤表面张力土壤表面张力而吸附在土壤颗粒表面而吸附在土壤颗粒表面的物质分子。由于土壤的细粒部分具有巨大的的物质分子。由于土壤的细粒部分具有巨大的表面积和表表面积和表面能面能,要降低土壤颗粒的
4、表面能,只有靠,要降低土壤颗粒的表面能,只有靠降低其表面张力降低其表面张力来完成。当土壤细粒吸附来完成。当土壤细粒吸附表面张力较小的物质分子表面张力较小的物质分子以后就以后就可以降低其表面能,这就是物理吸附的机理。可以降低其表面能,这就是物理吸附的机理。土壤物理吸附强弱主要受土壤物理吸附强弱主要受质地和胶体类型质地和胶体类型的影响,表面的影响,表面积越大,越强烈。另外,温度升高,可降低物理吸附的积越大,越强烈。另外,温度升高,可降低物理吸附的量。量。保存的养分比较有限保存的养分比较有限。3化学吸附化学吸附 化学吸附化学吸附是指进入土壤溶液的某些成分经过化学作用是指进入土壤溶液的某些成分经过化学
5、作用,生成生成难溶性化合物或沉淀难溶性化合物或沉淀,因而保存于土壤中的现象。这种吸附因而保存于土壤中的现象。这种吸附是以化学反应为基础的,故称为化学吸收。在土壤中是以化学反应为基础的,故称为化学吸收。在土壤中易发易发生化学吸收的部分主要是土壤溶液中的阴离子生化学吸收的部分主要是土壤溶液中的阴离子,如:,如:磷酸根:磷酸根:PO43-HPO42-H2PO4-硅酸根硅酸根:SiO32-HSiO3-碳酸根碳酸根:CO32-硫酸根硫酸根:SO42-有机酸根有机酸根:C2O42-(草酸根草酸根)等。等。这些阴离子在土壤中容易和土壤中的高价阳离子发生化这些阴离子在土壤中容易和土壤中的高价阳离子发生化学反应
6、,形成沉淀物质。学反应,形成沉淀物质。如:磷的固定如:磷的固定 化学吸收虽然可以减少可溶性物质化学吸收虽然可以减少可溶性物质(养分养分)的流失的流失,但却使这些营养物质的有但却使这些营养物质的有效性大大降低效性大大降低,事实上它是提高磷肥或其它营养物质肥效的最大障碍。因此,事实上它是提高磷肥或其它营养物质肥效的最大障碍。因此,在农业生产上,在农业生产上,要尽量减少或避免发生化学固定要尽量减少或避免发生化学固定。4生物吸附生物吸附 生物吸收生物吸收是指借助于生活在土壤中的是指借助于生活在土壤中的生物生物(包括植物、微生物和包括植物、微生物和一些小动物一些小动物)的生命活动的生命活动,把有效性养分
7、吸收、积累、保存在生把有效性养分吸收、积累、保存在生物体中的作用,又称为养分生物固定物体中的作用,又称为养分生物固定。生物吸收的方式有生物吸收的方式有三个特点三个特点:选择性选择性 生物根据自身生物学特性及生命活动的需要,有选择地生物根据自身生物学特性及生命活动的需要,有选择地吸收养分。吸收养分。表聚性表聚性 由植物根系和其他生物主要活动在土壤的表层,而根系由植物根系和其他生物主要活动在土壤的表层,而根系又往往把下层的土壤养分集中到表层。又往往把下层的土壤养分集中到表层。创新性创新性 生物固生物固N作用作用 土壤母质的矿化分解土壤母质的矿化分解 在农业实践中,人们在农业实践中,人们利用生物固定
8、的原理去培肥土壤,如种植绿肥利用生物固定的原理去培肥土壤,如种植绿肥(可固可固N)以肥田。以肥田。物理化学吸附物理化学吸附是发生在是发生在土壤溶液和土壤胶体界面上土壤溶液和土壤胶体界面上的一的一种物理化学反应种物理化学反应,借助于借助于极大的表面积和电性极大的表面积和电性,吸附吸附在表面上,在表面上,避免养分流失避免养分流失,可可解吸解吸下来。下来。物理化学吸附物理化学吸附对土壤的理化性质及肥力的影响极大对土壤的理化性质及肥力的影响极大,也,也是本节的重点内容。是本节的重点内容。5 5物理化学吸收物理化学吸收(重点)(重点)在土壤中,被胶体静电吸附的阳离子,一般都可以被溶在土壤中,被胶体静电吸
9、附的阳离子,一般都可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种能相互交液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种能相互交换的阳离子叫做换的阳离子叫做交换性阳离子交换性阳离子,而把发生在土壤胶体表面的,而把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为阳离子交换反应称之为阳离子交换作用阳离子交换作用。土壤的物理化学吸附土壤的物理化学吸附主要是对阳离子的吸附主要是对阳离子的吸附。在土壤学上。在土壤学上通常用胶体的固液相界面由静电作用而产生的双电层到自通常用胶体的固液相界面由静电作用而产生的双电层到自由溶液中离子浓度分布的均匀性来解释这种吸附作用由溶液中离子浓度分布的均匀性来解释这种吸附作用。3
10、.1.2 土壤对阳离子的吸收与交换(一)(一)阳离子的吸收与交换特征(1 1)阳离子交换作用是可逆反应。阳阳离离子子交交换换作作用用是是一一种种可可逆逆反反应应。这这种种交交换换作作 用用是是相对、动动态态的平衡,反应速度很快。平衡,反应速度很快。(2 2)交换是等当量进行的:以离子价为依据的等当量。二个一价铵离子,交换一个二价钙离子,即二个一价铵离子,交换一个二价钙离子,即36克铵可交换克铵可交换40克钙;克钙;一个一价铵离子可交换一个一价钠离子,即一个一价铵离子可交换一个一价钠离子,即18克铵可交换克铵可交换23克钠。克钠。(3)受质量作用定律支配)受质量作用定律支配 溶液中某种离子浓度高
11、时,其交换能力增大,可将交换能力溶液中某种离子浓度高时,其交换能力增大,可将交换能力弱的离子交换出来,也可将交换能力强的离子交换出来。弱的离子交换出来,也可将交换能力强的离子交换出来。土壤中常见阳离子交换能力:土壤中常见阳离子交换能力:Fe3+、Al3+H+Ca2+Mg2+K+Na+H+例外,半径小,水合度低,运动快,交换能力强。例外,半径小,水合度低,运动快,交换能力强。(二)阳离子的交换能力(1)电荷的影响:)电荷的影响:根据库仑定律,阳离子的价数越高,交换根据库仑定律,阳离子的价数越高,交换 能力也越大能力也越大。(2)离子的半径及水化程度:)离子的半径及水化程度:同价的离子,其交换能力
12、的大小同价的离子,其交换能力的大小是依据其离子半径及离子的水化程度的不同而不同的。是依据其离子半径及离子的水化程度的不同而不同的。离子半径与吸附力离子半径与吸附力 一价离子Li+Na+K+NH+4Rb+离子的真实半径(nm)0.0780.0980.1330.1430.149离子的水合半径(nm)1.0080.7900.5370.5320.509弱弱强强(3)离子浓度和数量因子)离子浓度和数量因子阳离子交换受质量作用定律的支配。例子:盐碱土;施用石灰改良酸性土。(三)土壤的阳离子交换量土壤阳离子交换量土壤阳离子交换量(cation exchange capacity)-CEC(cation ex
13、change capacity)-CEC指土壤溶液为中性(pH pH=7 7)时,每千克土所含的全部交换性阳离子的厘摩尔数称为土壤的阳离子交换量。(cmol/kg cmol/kg)影响土壤阳离子交换量的因素有:影响土壤阳离子交换量的因素有:(1)质地 质地越粘重,含粘粒越多的土壤,其阳离子交换量也越大。质地砂土砂壤土壤土粘土CEC157815182530(2 2)有机质有机质 OM%OM%CEC CEC(3 3)胶体的性质及构造胶体的性质及构造 蒙脱石蒙脱石 高岭石高岭石(4 4)pHpH值值 在在一一般般情情况况下下,随随着着pHpH的的升升高高,土土壤壤的的可可变变电电荷荷增加,土壤的阳离
14、子交换量也增加。增加,土壤的阳离子交换量也增加。(四四)盐基饱和度盐基饱和度 土壤中常见的吸附性阳离子有:土壤中常见的吸附性阳离子有:Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+、Fe3+、Fe2+、Al3+和和H+等。等。其中其中Al3+和和H+称为致酸离子称为致酸离子,它们和土壤酸度有密切关系。它们和土壤酸度有密切关系。除除Al3+和和H+离子以外的其它阳离子离子以外的其它阳离子,它们都能和阴离子形成盐,它们都能和阴离子形成盐类,传统上称这些阳离了为类,传统上称这些阳离了为盐基离子盐基离子。它们大多是植物能迅速。它们大多是植物能迅速吸收同化的营养元素的一种形态。吸收同化的营养元素的一种形态。
15、各种土壤盐基饱和的程度是不同的,通常用盐基饱和度来表示。各种土壤盐基饱和的程度是不同的,通常用盐基饱和度来表示。所谓所谓盐基饱和度盐基饱和度就是指土壤胶体上就是指土壤胶体上交换性交换性盐基离子占盐基离子占全部交换性全部交换性阳离子的百分数,即阳离子的百分数,即 盐基饱和度盐基饱和度 交换性盐基量交换性盐基量(mmol.g-1)100 阳离子交换量阳离子交换量(mmol.kg-1)盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应,而盐基不饱和的土壤而盐基不饱和的土壤则呈酸性反应。则呈酸性反应。南方土壤:南方土壤:H+和和Al3+等致酸离子较多等致酸离子较多,土壤的盐基饱和度小;土
16、壤的盐基饱和度小;北方土壤:北方土壤:盐基饱度大盐基饱度大,Ca2+和和Mg2+占有较大的数量和比例;占有较大的数量和比例;盐渍化土壤:盐渍化土壤:Na+和和K+所占的比例较大所占的比例较大,而水稻土壤中而水稻土壤中,NH4+有有时占有较大的比例。时占有较大的比例。灌溉、施肥和作物的吸收灌溉、施肥和作物的吸收均可影响土壤胶体的阳离子组成均可影响土壤胶体的阳离子组成。意义意义:土壤胶体所吸附的阳离子不仅保存了土壤中的速效养:土壤胶体所吸附的阳离子不仅保存了土壤中的速效养分,防止养分流失,同时,它们也可以通过阳离子交换作用分,防止养分流失,同时,它们也可以通过阳离子交换作用而进入土壤溶液,被作物吸
17、收利用而进入土壤溶液,被作物吸收利用。按照吸附的离子种类可分为按照吸附的离子种类可分为阳离子吸附和阴离子吸附阳离子吸附和阴离子吸附。(1)阳离子吸附)阳离子吸附 离子吸附的离子吸附的动力主要是静电引力动力主要是静电引力,这是因为土壤胶体,这是因为土壤胶体一般都带有大量的电荷,有正电荷也有负电荷,因此它可一般都带有大量的电荷,有正电荷也有负电荷,因此它可以吸附土壤溶液中符号相反的其它阴阳离子。以吸附土壤溶液中符号相反的其它阴阳离子。通常情况下通常情况下,土壤胶体综合表现为带负电土壤胶体综合表现为带负电,故在胶体上故在胶体上吸附的离子主要为阳离子。土壤中常见的吸附性阳离子有:吸附的离子主要为阳离子
18、。土壤中常见的吸附性阳离子有:Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+、Fe3+、Fe2+、Al3+和和H+等。等。其中其中Al3+和和H+称为致酸离子称为致酸离子,它们和土壤酸度有密切关它们和土壤酸度有密切关系。系。除除Al3+和和H+离子以外的其它阳离子离子以外的其它阳离子,它们都能和阴离,它们都能和阴离子形成盐类,传统上称这些阳离了为子形成盐类,传统上称这些阳离了为盐基离子盐基离子。它们大多。它们大多是植物能迅速吸收同化的营养元素的一种形态。是植物能迅速吸收同化的营养元素的一种形态。不同地区的土壤,在阳离子组成上有很大的差异,而阳不同地区的土壤,在阳离子组成上有很大的差异,而阳离子的组
19、成对土壤的离子的组成对土壤的酸碱度、缓冲性和养分的有效性酸碱度、缓冲性和养分的有效性有很大有很大的影响。当土壤胶体吸附的阳离子都属于盐基离子时,则土的影响。当土壤胶体吸附的阳离子都属于盐基离子时,则土壤呈盐基饱和状态,这一土壤称为壤呈盐基饱和状态,这一土壤称为盐基饱和土壤盐基饱和土壤。当土壤胶体所吸附的阳离子仅部分地为盐基离子,而其当土壤胶体所吸附的阳离子仅部分地为盐基离子,而其余一部分为余一部分为H+和和Al3+时时,则这一土壤胶体呈盐基不饱和状态则这一土壤胶体呈盐基不饱和状态,称为称为盐基不饱和土壤盐基不饱和土壤。各种土壤盐基饱和的程度是不同的,通常用盐基饱和度各种土壤盐基饱和的程度是不同
20、的,通常用盐基饱和度来表示。所谓来表示。所谓盐基饱和度盐基饱和度就是指土壤胶体上就是指土壤胶体上交换性交换性盐基离子盐基离子占占全部交换性全部交换性阳离子的百分数,即阳离子的百分数,即 盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应,而盐基不饱和的土壤而盐基不饱和的土壤则呈酸性反应。则呈酸性反应。南方土壤:南方土壤:H+和和Al3+等致酸离子较多等致酸离子较多,土壤的盐基饱和度小,而土壤的盐基饱和度小,而北方土壤:北方土壤:盐基饱度大盐基饱度大,Ca2+和和Mg2+占有较大的数量和比例;占有较大的数量和比例;盐盐渍化土壤:渍化土壤:Na+和和K+所占的比例较大所占的比例较大,
21、而水稻土壤中而水稻土壤中,NH4+有时有时占有较大的比例。占有较大的比例。灌溉、施肥和作物的吸收灌溉、施肥和作物的吸收均可影响土壤胶体的阳离子组成均可影响土壤胶体的阳离子组成。意义意义:土壤胶体所吸附的阳离子不仅保存了土壤中的速效养:土壤胶体所吸附的阳离子不仅保存了土壤中的速效养分,防止养分流失,同时,它们也可以通过阳离子交换作用分,防止养分流失,同时,它们也可以通过阳离子交换作用而进入土壤溶液,被作物吸收利用而进入土壤溶液,被作物吸收利用。(2)阴离子吸附)阴离子吸附 土壤胶体一般带负电,土壤胶体一般带负电,但某些胶体或胶体的局部也可带正电但某些胶体或胶体的局部也可带正电荷荷,如溶液中如溶液
22、中pH低于等电点时,低于等电点时,两性胶体两性胶体含水氧化铝、铁或腐殖酸中的氨基含水氧化铝、铁或腐殖酸中的氨基(-NH2)就会带就会带正电荷正电荷。这种胶体就可以吸附阴离子,发生阴离子吸附作用这种胶体就可以吸附阴离子,发生阴离子吸附作用。与土壤中阳离子吸附相比,阴离子的吸附作用则弱得多,与土壤中阳离子吸附相比,阴离子的吸附作用则弱得多,有些阴离子反而出现负吸附现象。有些阴离子反而出现负吸附现象。易被土壤吸收的易被土壤吸收的,如如PO43-、HPO42-、H2PO4-、SiO32-、HSiO3-和有机酸根离子如草酸根和有机酸根离子如草酸根C2O42-等都属于此种情况。等都属于此种情况。土壤中的阴
23、离子种类也很多,一般按照土壤对阴离子吸附土壤中的阴离子种类也很多,一般按照土壤对阴离子吸附能力的能力的大小和难易程度大小和难易程度笼统的将其分为三类笼统的将其分为三类。不易被吸附甚至发生负吸附的阴离子不易被吸附甚至发生负吸附的阴离子,如如Cl-、NO3-、NO2-等。等。介于二者之间的阴离子如介于二者之间的阴离子如SO42-、CO32-等。等。吸附顺序如下吸附顺序如下(了解)(了解):F-草酸离子草酸离子柠檬酸离子柠檬酸离子H2PO4-HCO3-醋酸离子醋酸离子PO33-SO42-Cl-阴离子的吸附,一方面受离子交换能力的影响,另一方面与土阴离子的吸附,一方面受离子交换能力的影响,另一方面与土
24、壤胶体类型和壤胶体类型和pH值有关。一般而言,含值有关。一般而言,含高岭石、氧化铁和三高岭石、氧化铁和三水铝石水铝石的土壤容易的土壤容易带正电荷带正电荷,对阴离子的吸附作用较明显,而,对阴离子的吸附作用较明显,而富含富含21型粘粒矿物的土壤则不明显型粘粒矿物的土壤则不明显。阴离子的负吸附阴离子的负吸附,是指阴离子不但不被胶体表面吸附,而且使,是指阴离子不但不被胶体表面吸附,而且使溶液中离子浓度增高,即近胶体表面的浓度低于远胶体表面溶溶液中离子浓度增高,即近胶体表面的浓度低于远胶体表面溶液中的浓度液中的浓度,这种现象,称为这种现象,称为阴离子的负吸附阴离子的负吸附。这是由于。这是由于土壤土壤胶体
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