土壤肥料学完整3.ppt

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1、第3章 土壤的基本性质 3.1 土壤的孔性、结构性和耕性 3.1.1 土壤孔性 土壤中土粒或团聚体之间以及团聚体内部的空隙叫做土壤孔隙。 土壤孔性包括孔隙度（孔隙数量）和孔隙类型（孔隙的大小及其比例），前者决定着土壤气、液两相的总量，后者决定着气、液两相的比例。 3.1.1.1 土壤孔隙度(soil porosity) 容积土壤中孔隙容积占整个土体容积的百分数。它表示土壤中各种大小孔隙度的总和。一般是通过土壤容重和土壤相对密度来计算。 土壤孔隙度= 1- （容重）/相对密度 100%,土壤孔隙度=孔隙容积/土壤容积 100% =（土壤容积-土粒容积）/土壤容积 100% =1-（土粒容积/土壤

2、容积） 100% = 1-（土壤重量/相对密度）/（土壤重量/容重 ） 100% = （1-容重/相对密度）100% （1）土壤相对密度(soil relative density)： 是指单位容积的固体土粒（不包括粒间孔隙）的干重与 4时同体积水重之比。单位为g/cm3。,（2）土壤容重(soil bulk density)：是指单位容积土体（包括孔隙在内的原状土）的干重。单位为g/cm3或t/m3。一般旱地土壤容重大体在1.001.80 g/cm3之间。 土壤容重的用途主要有以下几个方面： 反映土壤松紧度,对于大多数植物来说，土壤容重在1.141.26 g/cm3之间比较适宜。 计算土壤的

3、重量 ms = s h 式中：ms为土重； s为面积； h为土层深度； 为容重。 如：已知土壤容重为1.15 t/m3,求每公倾耕层0-20 cm 的土重？ ms = 100100 0.2 1.15 = 2300 t 计算土壤中各组分（如土壤水分、有机质、养分和盐分等）的含量 如：已知土壤容重为1.15 t/m3,有机质含量为1%，则每公倾耕层土壤有机质含量为： 2300 t 1% = 23 t,（3） 土壤孔隙比：是土壤中孔隙容积与土粒容积的比值，结构良好的耕层土壤的孔隙比应1。 孔隙比 = 孔隙度/（1-孔隙度） = 孔隙容积/土粒容积 3.1.1.2 土壤孔隙类型 当量孔径: 是指与一定

4、的土壤水吸力相当的孔径,它与孔隙的开形状及其均匀性无关。土壤水吸力与当量孔径的关系式为： d = 3/T 式中：d为孔隙的当量孔径（mm）、T为土壤水吸力（100Pa） 当量孔径与土壤水吸力成反比，土壤水吸力愈大，则当量孔径愈小。 （1）土壤孔隙类型 非活性孔，又称无效孔、束缚水孔。 这是土壤中最细微的孔隙，当量孔径一般1.5 106Pa。, 毛管孔隙 当量孔径约为0.02-0.002mm, 土壤水吸力1.5104Pa- 1.5 106Pa,具有毛管作用。 通气孔隙 当量孔径0.2mm,相应的土壤水吸力小于1.5104Pa,毛管作用明显减弱。 （2） 土壤各种孔隙度计算： 总孔隙度 = 非活性

5、孔度 + 毛管孔度 + 通气孔度 非活性孔度 = （非活性孔容积/土壤容积） 100% 毛管孔度 = （毛管孔容积/土壤容积） 100% 通气孔度 = （通气孔容积/土壤容积） 100% 如果已知土壤田间持水量和凋萎含水量，则土壤毛管孔度可按下式计算： 毛管孔度 = （田间持水量 - 凋萎含水量） 容重 100%,3.1.1.3 土壤孔隙状况与土壤肥力、作物生长的关系 （1）土壤孔隙状况与土壤肥力 （2）土壤孔隙状况与作物生长 旱作土壤耕层的土壤总孔隙度为50%-56%，通气孔度不低于10%，大小孔隙之比在1:2-4，较为合适。 3.1.2 土壤结构性 土粒在内外因素的综合作用下,相互团聚成大

6、小、形态和性质不同的团聚体，这种团聚体称为土壤结构(soil structure)，或叫土壤结构体。 3.1.2.1 土壤结构的类型 (1) 块状结构(blocky structure): 土粒胶结成块,近立方体形,其长、宽、高三轴大体近似，边面不明显，大的直径大于10cm，小的直径为5-10cm。,（2）核状结构(subangular structure)： 结构体长、宽、高三轴大体近似，边面梭角明显，较块状结构小，大的直径为10-20mm稍大，小的直径为5-10mm。 （3）柱状结构(columnar structure)：结构体的垂直轴特别发达，呈立柱状，棱角明显有定形者，称为棱柱状结构

7、，棱角不明显无定形者，称为圆柱状结构。 （4）片状结构(platy structure) ：结构体的水平轴特别发达，即沿长、宽方向发展呈薄片状，厚度稍薄，且结构体间较为弯曲者称为鳞片状结构，片状结构的厚度可小于1cm与大于5cm 不等。 （5）团粒结构(spheroidal structure) ： 通常是指土壤中近于圆状小团聚体，其粒径为0.25-10mm。农业生产上最理想的团粒结构粒径为2-3mm。团粒结构经水浸泡较长时间不松散者，称为水稳性团粒结构。,3.1.2.2 土壤团粒结构与土壤肥力 (1)良好团粒结构具备的条件 有一定的结构形态和大小； 有多级孔隙； 有一定的稳定性；有抵抗微生物

8、分解破碎的能力。 （2）团粒结构对土壤肥力的作用 能协调水分和空气的矛盾；能协调土壤有机质中养分的消耗和积累的矛盾； 能稳定土壤温度，调节土热状况； 改良耕性和有利于作物根系伸展。,3.1.2.3 团粒结构的形成 (1) 土粒的粘聚： 胶体的凝聚作用、水膜的粘结作用、 胶结作用（简单的无机胶体、粘粒、有机物质等） （2）成型动力： 生物作用、干湿交替作用(alternation of drying and wetting)、 冻融交替作用(alternation of freezing and thawing)、 土壤耕作的作用等。 3.1.2.4 创造团粒结构的措施 (1) 农业措施: 深耕

9、与施肥、正确的土壤耕作、 合理的轮作制度、 调节土壤阳离子组成、合理灌溉、晒垡和冻垡。 （2）土壤结构改良剂的应用,3.1.3 土壤耕性(soil tilth) 土壤耕性是指土壤在耕作时所表现的特性,也是一系列土壤物理性质和物理机械性的综合反映。 3.1.3.1 土壤耕性的含义 (1) 耕作难易程度; (2) 耕作质量的好坏; (3) 宜耕期长短。 3.1.3.2 土壤物理机械性 (1) 粘结性和粘着性 土壤粘结性是指土粒与土粒之间由于分子引力而相互粘结在一起的性质。 土壤粘着性是土壤在一定含水量的情况下，土粒粘着外物表面的性能。 影响土壤粘结性和粘着性的因素有： 土壤质地：土壤愈细，接触面愈

10、大，粘结性和粘着性愈强。,土壤含水量： 含水量愈少，土粒距离愈近，分子引力愈大，粘结性愈强，故干燥土块破碎甚为困难。,土壤结构：团粒结构可使土团接触面减少，因而其粘结性和粘着性降低，土壤疏松易耕。 土壤腐殖质含量：腐殖质含量增加可减弱粘土的粘结性，因为腐殖质在土粒外围形成薄膜，改变了粘粒接触面的性质。 土壤代换性阳离子的组成：不同的阳离子种类可影响土粒的分散和团聚。 （2）可塑性：土壤在一定含水量范围内，可被外力任意改变成各种形状，当在外力解除和土壤干燥后，仍能保持其变形的性能称为可塑性。 影响土壤可塑性的因素： 水分含量：干土没有可塑性，当水分含量逐渐增加时，土壤才表现可塑性。,土壤开始呈现

11、可塑状态时的水分含量称为下塑限（塑限）； 土壤失去可塑性而开始流动时的土壤含水量，称为上塑限（流限）。上塑限与下塑限含水量之差称为塑性值，也叫塑性指数。塑性值大，土壤的可塑性强。 土壤质地: 土壤中粘粒愈多，质地愈细，塑性愈强。上塑限、下塑限和塑性值的数值随着粘粒含量的增加而增大，土壤按塑性值分类如下：强塑性土（粘土）17, 塑性土（壤土）17-7，弱塑性土（砂壤）7，无塑性土（砂土）0。, 代换性阳离子：代换性钠离子因水化度大，使土壤分散，因此可塑性增大。相反，钙离子因具有凝聚作用可减少土壤的可塑性。 土壤有机质： 有机质能提高土壤上、下塑限，但一般不改变其塑性值。 （3）土壤胀缩性：土壤吸

12、水后体积膨胀，干燥后体积收缩称为土壤胀缩性。 3.1.3.3 注意土壤耕作、改良土壤耕性 （1）防止压板土壤： 耕作土壤在降雨、灌溉、人、畜践踏与农机具等作用下由松变紧的过程称为土壤压板过程。 （2）注意土壤的宜耕状态和宜耕期： 土壤的宜耕期是指保持适宜耕作的土壤含水量的时间。 （3）改良土壤耕性： 可通过增施有机肥料、合理排灌、适时耕作等方法改良土壤耕性。,3.2 土壤胶体与土壤吸收性能 3.2.1 土壤胶体(soil colloid) 土壤胶体是指土壤中最细微的颗粒，胶体颗粒的直径一般在1-100nm之间，实际上土壤中小于1000nm的粘粒都具有胶体的性质，所以直径在1-1000nm之间的

13、土粒都可归属于土壤胶粒的范围。 3.2.1.1 土壤胶体的种类 （1） 无机胶体(inorganic colloid) 含水氧化硅胶体 H2SiO3 = H+ + HSiO3- H+ + SiO32- 含水氧化铁、氧化铝胶体 Al(OH)3 + H+ Al(OH)2+ + H2O Al(OH)3 + OH- Al(OH)2O- + H2O,层状硅酸盐矿物 a、硅氧片和硅四面体 硅氧片是由硅四面体连接而成，一个硅四面体是由四个氧原子和一个硅原子所组成。 许多硅四面体可以共用氧原子而形成一层。氧原子排列成为中间有空的六角形，称为硅氧片或硅氧层。,b、铝氧片和铝八面体 铝八面体为6个氧原子围绕一个铝

14、原子而构成铝八面体。 许多个铝八面体相互连接成片称为铝氧片。,晶层是由一层硅氧片、一层铝氧片重叠组成的，称为11型矿物，如高岭石类。这类矿物在我国南方酸性土壤中含量较多。 蒙脱石类由两个硅氧片间夹一个铝氧片组合而成，称为21型矿物。而这类粘粒矿物多出现在我国北方土壤中。 水云母类其结晶构造同蒙脱石类，亦为21型粘粒矿物，其不同点为水云母的晶层间夹含钾离子，晶格距离较为稳定。,（2）有机胶体(organic colloid) 有机胶体中最主要的成分是腐殖质（胡敏酸、富啡酸和胡敏素等），还有少量的木质素、蛋白质、纤维素等。它的特点为：颗粒极小、具有巨大的比面和带有电荷、有高度的亲水性、并含有多种功

15、能团，如：羧基、羟基、酚羟基等。这些基团解离出氢离子后的-COO- 、-O- 等离子留在胶粒上而使胶体带负电。胺基（-NH2）吸收H+后，成为-NH3+则带正电，一般有机胶体带负电。 （3）有机无机复合体(organo-mineral complex) 土壤无机胶体和有机胶体可以通过多种方式进行结合，但大多数是通过二、三价阳离子（如钙、镁、铁、铝等）或功能团（如羧基、醇羟基等）将带负电荷的粘粒矿物和腐殖质连接起来。这种结合可形成良好的团粒结构，改善土壤保肥性能和多种理化性质。,3.2.1.2 土壤胶体的构造 土壤胶体分散系包括胶体微粒（为分散相）和微粒间溶液（为分散介质）两大部分。胶体微粒在构

16、造上可分为微粒核、决定电位离子层和补偿离子层三部分组成。,（1）微粒核： 主要由腐殖质、无定形的SiO2、氧化铝、氧化铁、铝硅酸盐晶体物质、蛋白质分子以及有机无机胶体的分子群所构成。 （2）双电层：微粒核表面的一层分子，通常解离成离子，形成符号相反而电量相等的两层电荷，所以称之为双电层。双电层由决定电位离子层和补偿离子层组成。 3.2.1.3 土壤胶体的特性 （1）土壤胶体比表面和表面能 比表面（比面）是指单位重量或单位体积的总表面积（cm2/g， cm2/cm3）。表3-4。,由于表面分子与外界的液体或气体介质相接触，因而在内、外方面受到的是不同分子的吸引力，不能相互抵消，所以具有多余的表面

17、能。这种能量产生于物体表面，故称为表面能。胶体数量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附能力也就愈强。 （2）土壤胶体电荷 永久电荷：它是由于粘粒矿物晶层内的同晶替代所产生的电荷。这种电荷不受介质的pH值的影响，主要发生在2：1型粘粒矿物中，在1：1型矿物中极少。 可变电荷： 电荷的的数量和性质随介质pH而改变的电荷。 土壤的pH0值是表征其可变电荷特点的一个重要指标，它被定义为土壤的可变正、负电荷数量相等时的pH值，或称为可变电荷零点、等电点。,产生可变电荷可的主要原因有： 粘粒矿物晶面上-OH 基的解离 含水铁、铝氧化物的解离 腐殖质上某些原子团的解离 含水氧化硅的解离 粘粒矿物晶层上的断键等

18、。 （3）土壤胶体有凝聚和分散作用 土壤胶体溶液如受到某些因素的影响，使胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶，这种作用叫做胶体的凝聚作用；反之，由凝胶分散成溶胶，叫做胶体的分散作用。 促使胶体凝聚或分散的原因，主要决定于电动电位的高低。,凡电荷数量少而水化度大的离子（如Na+），形成的扩散层厚，电动电位高。使胶体分散；电荷数量多，水化度小的离子（如Ca2+），形成的扩散层薄，电动电位降至一定程度时，胶体即可凝聚。 按照凝聚力的大小，土壤溶液中最常见的阳离子的排列顺序为： Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ H+ NH4+ K+ Na+ 3.2.2 土壤吸收性能 土壤吸收性能是指土壤能吸收和保留土壤

19、溶液中的分子和离子，悬液中的悬浮颗粒、气体以及微生物的能力。土壤吸收性能亦称土壤吸收保肥性能。 3.2.2.1 土壤吸收性能类型 （1）机械吸收性 机械吸收性是指土壤对物体的机械阻留，如施用有机肥时，其中大小不等的颗粒，均可被保留在土壤中。,（2）物理吸收性 这种吸收性能是指土壤对分子态物质的保持能力，它表现在某些养分聚集在胶体表面，其浓度比在溶液中为大，另一些物质则胶体表面吸附较少而溶液中浓度较大，前者称为正吸附，后者称为负吸附。 （3）化学吸附性 化学吸收性是指易溶性盐在土壤中转变为难溶性盐而沉淀保存在土壤中的过程。 （4）物理化学吸收性 物理化学吸收性是指土壤对可溶性物质中离子态养分的保

20、持能力。 （5）生物吸收性 生物吸收性是指土壤中植物根系和微生物对营养物质的吸收，这种吸收作用的特点是选择性和创造性，并且具有累积和集中养分的作用。 3.2.2.2 土壤物理化学吸收性能 土壤物理化学吸收性能即是土壤离子交换作用。,（1）土壤阳离子交换作用 K+ Ca2+ + 2KCl = K+ + CaCl2 离子从溶液中转移到胶体上的过程，称为离子的吸附过程；原来吸附在胶体上的离子转移到溶液中的过程，称为离子的解吸过程。 阳离子交换作用特点： a、可逆反应 b、反应迅速 c、等量交换: 它是等量电荷对等量电荷的反应。 阳离子交换能力 阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换出来

21、有能力。各种阳离子交换能力大小的顺序为： Fe3+ Al3+ H+ Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+,土壤胶体,土壤胶体,影响阳离子交换能力的因素有： a、电荷的数量 b、离子半径和离子水化半径 c、离子浓度,土壤阳离子交换量(cation exchange capacity, CEC） 阳离子交换量（或吸收容量）是指在一定pH值条件下每1000g干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数（cmol/kg）。 土壤阳离子交换量可以作为土壤保肥力的指标，CEC的大小，受下述因素的影响： a、胶体数量 b、胶体类型 c、土壤pH值,土壤的盐基饱和度 土壤胶体吸附的阳离子分为两类，一类是盐基

22、离子，包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等；另一类是致酸离子，即H+、Al3+。土壤中交换性盐基离子总量cmol/kg占阳离子交换量cmol/kg 的百分数称为土壤的盐基饱和度，即： 盐基饱和度 = 交换性盐基总量/阳离子交换量 100% 影响交换性阳离子有效度的因素 a、交换性阳离子的饱和度,b、陪伴离子效应 c、阳离子的非交换性吸收 （2）土壤阴离子交换作用 阴离子吸附类型 a、易于被土壤吸附的阴离子 b、很少或根本不被吸附的阴离子 c、介于上述两者之间的阴离子,影响土壤对阴离子吸收的因素 a、阴离子的价数 Cl- 、NO3- SO42- PO43- OH- b、胶体组成成分

23、c、土壤pH值,3.3 土壤的酸碱性 土壤酸碱性是指土壤溶液的反应(soil reaction)。 3.3.1 土壤酸性(soil acidity) 土壤中酸性的主要来源是：胶体上吸附的H+或Al3+、CO2溶于水所形成的碳酸、有机质分解产生的有机酸、氧化作用产生少量无机酸、以及施肥加入的酸性物质等。 3.3.1.1 活性酸度(active acidity) 活性酸度是指土壤溶液中游离的H+所直接显示的酸度。 我国土壤反应大多数pH值在4-9之间，在地理分布上有“东南酸而西北碱”的规律性，即由北向南，pH值逐渐减小。,3.3.1.2 潜性酸度(potential acidity) 潜性酸度是指

24、土壤胶体上吸附的H+、Al3+所引起的酸度。它们只有在转移到土壤溶液中，形成溶液中的H+时，才会显示酸性，故称为潜性酸。通常用1000g烘干土中氢离子的厘摩尔数来表示。 土壤潜性酸要比活性酸多得多，相差3-4个数量级。土壤中潜性酸的大小常用土壤交换性酸度和水解性酸度表示之。 （1）交换性酸度(exchangeable acidity)： 用过量的中性盐溶液（1mol/L的KCl、NaCl或BaCl2）与土壤作用，将胶体表面上的大部分H+或Al3+交换出来，再以标准碱滴定溶液中的H+，这样测得的酸度称为交换性酸度或代换性酸度,（2）水解性酸度(hydrolytic acidity)：用弱酸强碱盐

25、溶液（ 1mol/L醋酸钠）从土壤中交换出来的氢、铝离子所产生的酸度称为水解性酸度。 水解性酸度一般要比交换性酸度大得多。 酸性土壤通常通过施用石灰，人为地调节土壤酸度。酸性土改良中常用水解性酸度的数值作为计算石灰施用量的依据。 3.3.2 土壤碱性(soil alkalinity) 土壤碱性主要来源于土壤中交换性钠的水解所产生的OH-以及弱酸强碱盐类（如Na2CO3和NaHCO3）的水解。土壤中碱性盐类（特别是Na2CO3和NaHCO3）多少，有时叫做土壤碱度（cmol/kg）。 对于土壤溶液或灌溉水、地下水来说，其Na2CO3和NaHCO3含量也叫做碱度（mmol/L或g/L）,通常把钠饱

26、和度交换性钠离子占阳离子交换量（cmol/kg）的百分率叫做碱化度。 碱化度 = （交换性钠/阳离子交换量） 100% 当土壤交换性钠饱和度为5%-20%时称之为碱化土，而钠饱和度大于20%时称为碱土。 3.3.3 土壤缓冲性(soil buffer power) 土壤溶液抵抗酸碱度变化的能力叫土壤缓冲性。 3.3.3.1 土壤缓冲作用的机制 （1）土壤胶粒上的交换性阳离子 M + H+ = H + M+ H + MOH = M + H2O,土壤胶粒,土壤胶粒,土壤胶粒,土壤胶粒,土壤缓冲能力的大小和它的阳离子交换量的关，交换量愈大，缓冲性能愈强。 不同的盐基饱和度表现出对酸碱的缓冲能力是不同

27、的。 （2）土壤溶液中的弱酸及其盐类的存在 H2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + 2H2O Na2CO3 + 2HCl + H2CO3 + 2NaCl (3) 土壤中两性物质的存在 R-CH-COOH + HCl = R-CH-COOH NH2 NH3Cl R-CH-COOH + NaOH = R-CH-COONa + H2O NH3 NH2 (4) 酸性土壤中铝离子的缓冲作用 2Al(H2O)63+ + 2OH- Al2(OH)2(H2O)84+ + 4H2O,3.3.3.2 土壤缓冲作用的重要性 （1） 缓冲性和适宜的植物生活环境 （2）缓冲性和酸碱度改良 3.3.4 土壤的酸碱反应与植物生长 （1）影响土壤养分的转化和供应 影响土壤中微生物活性, 影响养分的固定、释放与淋失 （2）影响粘粒矿物的形成 （3）影响土壤理化性质 （4）影响作物生长,