土壤的組成及基本性質(zhì).ppt

主講人：張彬,第四章 土壤的組成與基本性質(zhì),第一節(jié) 土壤的組成,1.固體物質(zhì)土粒 土壤礦物質(zhì)：占重量95%以上，體積38%； 土壤有機質(zhì)：重量的5%以下，體積12%。 2.液體：溶鹽類和簡單有機物的水溶液 3.氣體：土壤孔隙中的各種氣體。,1.繼承了巖石和母質(zhì)的特點： O, Si, Al, Fe 含量在80%以上 2.包含了生物活動的產(chǎn)物，反映地區(qū)水熱條件所帶來的物質(zhì)遷移、 轉(zhuǎn)化和富集特點 Si（非金屬元素）在土壤中相對富集； Al，F(xiàn)e，Ca，Mg，K，Na（金屬元素）傾向淋失； C，N在土壤中含量較巖石高20，10倍。,一、土壤的三相組成,二、土壤的化學(xué)組成,三、土壤的礦物組成,在風(fēng)化過程中沒有改變化學(xué)組成而遺留在土壤中的一類礦物。,1.原生礦物(primary mineral),石英 (quartz),正長石（orthoclase）,斜長石（plagioclase）,云母（mica）,輝石（pyroxene）,閃石（amphibole）,橄欖石（olivine）,4,硅酸鹽粘土（一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體）,Silicon tetrahedron,Aluminium octahedron,2.次生礦物(secondary mineral) 原生礦物在風(fēng)化和成土作用下，新形成的礦物.,三、土壤的礦物組成,1) 層狀硅酸鹽黏粒礦物基本結(jié)構(gòu),硅氧四面體,鋁氧八面體,1）層狀硅酸鹽黏粒礦物單位晶層結(jié)構(gòu), 1:1型單位晶層: 由一個硅片和一個鋁片構(gòu)成。硅片頂端的活性氧與鋁片底層的活性氧通過共用的方式形成單位晶層，晶層間通過氫鍵連接。1:1型層狀鋁硅酸鹽的單位晶層有兩個不同的層面，一個是由具有六角形空穴的氧離子層面，一個是由氫氧構(gòu)成的層面。,三、土壤的礦物組成,硅氧四面體圖示,鋁氧八面體圖示, 2:1型單位晶層 由兩個硅片夾一個鋁片構(gòu)成。兩個硅片頂端的氧都向著鋁片，鋁片上下兩層氧分別與硅片通過共用頂端氧的方式形成單位晶層。晶層間通過靜電力和范德華力結(jié)合。 2:1型層狀硅酸鹽的單位晶層的兩個層面都是氧原子面。,1）層狀硅酸鹽黏粒礦物單位晶層結(jié)構(gòu),三、土壤的礦物組成, 2:1:1型單位晶層 2:1:1型單位晶層是在2:1型單位晶層的基礎(chǔ)上多了1個八面體水鎂片或水鋁片，這樣2:1:1型單位晶層就有兩個硅片、1個鋁片和1個鎂片（或鋁片）構(gòu)成。,1）層狀硅酸鹽黏粒礦物單位晶層結(jié)構(gòu),三、土壤的礦物組成,指組成礦物的中心離子被電性相同、大小相近的離子所替代而晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。,1）層狀硅酸鹽黏粒礦物同晶置換,三、土壤的礦物組成,The structure of kaolinite（高嶺土的結(jié)構(gòu)）,1）層狀硅酸鹽粘土礦物種類和性質(zhì),三、土壤的礦物組成,高嶺組礦物（1:1型礦物）包括：高嶺石、珍珠陶土、迪愷石及埃洛石等,（1）1:1型的晶層結(jié)構(gòu) 單位晶胞的分子式可表示為Ai4Si4O10(OH)8。 （2）無膨脹性 兩個晶層的層面間產(chǎn)生了鍵能較強的氫 鍵，膨脹系數(shù)一般小于5，高嶺石層間距約為0.72nm。 （3）電荷數(shù)量少，陽離子交換量只有3-15Cmoles(+)Kg-1。 （4）膠體特性較弱 ，較粗（有效直徑0.2-2m），顆粒的總表面積相對較小，為10-20103m2kg-1,南方熱帶和亞熱土壤中普遍而大量存在的粘土礦物，在華北、西北、東北及西藏高原土壤中含量很少。,高嶺類礦物（1:1型礦物）的特點：,1）層狀硅酸鹽粘土礦物種類和性質(zhì),三、土壤的礦物組成,蒙蛭組礦物（2:1型膨脹性礦物）,包括：蒙脫石、綠脫石、拜來石、蛭石等。,vermiculite（蛭石）,Montmorillonite（蒙脫石）,1.4 nm,Si layer,Si layer,Al layer,Si layer,Smectite(蒙皂石),1）層狀硅酸鹽粘土礦物種類和性質(zhì),三、土壤的礦物組成,12,特征： （1）2:1型的晶層結(jié)構(gòu)蒙脫石是其典型代表。單位晶胞的分子式可表示Al4Si8O20(OH)4nH2O。 （2）脹縮性大 蒙脫石晶層間距變化在0.96-2.14nm之間，蛭石的膨脹性比蒙脫石小，其晶層間距變化在0.96-1.45nm之間。 （3）電荷數(shù)量大 同晶替代現(xiàn)象普遍。 （4）膠體特性突出 ，較細（有效直徑0.01-1m），總表面積為600800103m2kg-1，且80是內(nèi)表面。蛭石一般為400103m2kg-1。,蒙蛭組在我國東北、華北和西北地區(qū)的土壤中分布較廣,蒙蛭組礦物（2:1型膨脹性礦物 ）包括：蒙脫石、綠脫石、拜來石、蛭石等。,The structure of muscovite（白云母）,水化云母組（伊利組）（2:1型非膨脹性礦物）,1）層狀硅酸鹽粘土礦物種類和性質(zhì),三、土壤的礦物組成,（1）2:1型晶層結(jié)構(gòu)伊利石是其主要代表。分子式為K2(AlFeMg)4 (SiAl)8O20(OH)4nH2O。 （2）無膨脹性 在伊利石晶層之間吸附有鉀離子，對相鄰兩晶層產(chǎn)生了很強的鍵聯(lián)效果，使晶層不易膨脹，伊利石晶層的間距為1.0nm。 （3）電荷數(shù)量較大 陽離子交換量2040Cmoles(+)kg-1。 （4）膠體特性一般 總表面積為70120103m2kg-1，其可塑性、粘結(jié)性、粘著性、吸濕性和陽離子交換量都介于高嶺石和蒙脫石之間。,水化云母組（2:1型非膨脹性礦物）特征：,伊利石廣泛分布于我國多種土壤中，尤其是華北干旱地區(qū)的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。,1）層狀硅酸鹽粘土礦物種類和性質(zhì),三、土壤的礦物組成,在2:1粘土礦物的相鄰晶片間加入一個八面體水鎂片（或水鋁片）。由于強烈的靜電吸引使其成為非膨脹粘土。,Chlorite group （ 2:1:1 layer clays ） 綠泥石組：以綠泥石為代表，富含鎂、鐵等,1）層狀硅酸鹽粘土礦物種類和性質(zhì),三、土壤的礦物組成,Properties of Chlorite group 綠泥石組的特性 2:1:1型?；瘜W(xué)式為：(MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 非膨脹性粘土礦物 同晶替代現(xiàn)象普遍。 硅片、水鋁片和水鎂片上均有發(fā)生，硅片中Al3+代Si4+、鋁片中Mg2+代Al3+產(chǎn)生負電荷，水鎂片中Al3+ 代Mg2+產(chǎn)生正電荷，兩者相抵為凈負電荷，介于伊利石與高嶺石之間。 顆粒較小，膠體性質(zhì)中等。 可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性居中。 土壤中綠泥石大部分來自母質(zhì)遺留，沉積物和河流沖積物中較多。,3種主要類型硅酸鹽粘粒性質(zhì)比較,2）非層狀硅酸鹽粘土礦物-氧化物,三、土壤的礦物組成,針鐵礦(goethite)，鐵銹,纖鐵礦（lepidocrocite），很少,赤鐵礦Hematite，含F(xiàn)e70%以上，很重要,氧化鐵,三水鋁石（gibbsite）,一水軟鋁石（Boehmite）,一水硬鋁石（Boehmite）,氧化鋁土壤中實際為鋁的氫氧化物,2）非層狀硅酸鹽粘土礦物-氧化物,三、土壤的礦物組成,白色、綠色、藍色、黃色到棕色,水鋁英石非晶質(zhì)含水硅酸鹽礦物,鱗石英Tridymite,方石英Tridymite,“樹化玉,蛋白石多種寶石,氧化硅,20,中國土壤粘土礦物分布規(guī)律 全國分為7個分布區(qū) 北方以水云母（伊利石）為主的1、2、3區(qū) 秦嶺、長江中下游水云母、蛭石、高嶺石交錯分布區(qū)(4區(qū)) 南方西部蛭石和高嶺石為主的分布區(qū)（5區(qū)） 南方以高嶺石為主的6、7分布區(qū) 西北和青藏高原水云母區(qū)(1區(qū))，土壤風(fēng)化程度最低 華南高嶺區(qū)（7區(qū)）土壤風(fēng)化程度最高,四、土壤的粒級組成,礦質(zhì)土粒由一系列大小形狀不同的物質(zhì)組成。 根據(jù)土粒直徑的大小將土粒分成不同的等級。 同一粒級的成分或性質(zhì)基本一致； 不同粒級的差異較大。 不同國家對土壤粒級的劃分不同。,1.土粒分級,22,1、土粒分級,土粒 Soil particle,土壤顆粒土粒，通常指礦物顆粒。,Soi particles are the fundamental of soil structure formation. Function of soil particles is determined by its composition, structure and behavior. 多孔結(jié)構(gòu)的骨架 吸、保、供、調(diào)土壤肥力的實體。,按土粒成分分為礦物質(zhì)土粒和有機質(zhì)土粒。,土壤礦粒大小不均，形狀多樣，有的成片成塊、有的成粒成塵；有的單個存在，稱為單粒；有的相互粘結(jié)為聚集體，稱為復(fù)粒。,23,標(biāo)準(zhǔn)土壤,土粒光滑實心圓球,24,當(dāng)量粒徑 Equivalent grain size of soil particle,當(dāng)量粒徑與其靜水沉降速度相同的圓球直徑。,原理：Stokes law, 1845 顆粒沉降速度與有效直徑有關(guān),影響因子： 重力加速度g 顆粒密度s 液體的密度w 液體的粘度 顆粒半徑r,25,共同點：均為四級： gravel礫石、sand 砂粒、silt粉粒和clay粘粒。,分級標(biāo)準(zhǔn),國際制，1930,美國制，1951,中國制，1987,卡慶斯基制，1957,26,常見土壤粒級制,27,以原生礦物(primary mineral)為主， 最多的是石英(quartz),Sand (砂粒),除原生礦物(primary mineral)外,還有一些風(fēng)化后形成的次生礦物(secondary mineral),Silt (粉粒),以次生礦物(secondary mineral)為主,Clay (粘粒),2.土壤性質(zhì)與粒級 礦物組成與粒級,2.土壤性質(zhì)與粒級 礦物組成與粒級,29, 土粒的化學(xué)組成,隨粒徑由大到小，SiO2含量由多到少。,R2O3(即Fe2O3與Al2O3的總稱)與SiO2相 反，隨粒徑由大到小，R2O3含量由少到多。,CaO、MgO、P2O5、K2O隨土粒由大到小,含量增加。,30,土壤各粒級的化學(xué)組成,31,各級土粒的物理性質(zhì),土粒由大到小,保水能力、最大吸濕量、最大分子持水量、毛管水上升高度增加，但通透性、滲透系數(shù)降低。,土壤膨脹性和可塑性增加，對耕作帶來不利影響。,32,各級土粒的水分性質(zhì)和物理性質(zhì),33,各級土粒的基本特征 礫石和砂粒（0.02mm） 風(fēng)化碎屑，礦物成分和母巖基本一致，不能充分反映土壤形成條件； 特性：粒徑大，比表面積小，無可塑性和粘結(jié)性；養(yǎng)分釋放慢，有效養(yǎng)分缺乏；土粒表面吸濕性和吸肥性很小。粒間孔隙大，透水、排水快；脹縮性?。灰兹苄责B(yǎng)分亦隨水流失。因此，礫石和砂粒對水熱缺乏保存和調(diào)節(jié)能力；保水性極差，熱容量小而保溫能力也很差。 功能：構(gòu)成土體的粗骨架和大孔隙，使土體具有良好通透性，為根系插入與深扎、空氣與水進入土體提供方便通道，通過水分入滲傳導(dǎo)熱量； 礫石和砂粒含量高的土壤易冷易熱，易干易濕，容易受到污染。 土壤侵蝕得只剩下礫石和砂粒，是生態(tài)環(huán)境惡化的重要指標(biāo)。如山區(qū)“石山化”，平原“沙漠化”等。,34,粘粒（0.002mm） 顆粒細小，是礦物化學(xué)風(fēng)化的產(chǎn)物，也可能是土壤溶液中化學(xué)反應(yīng)的生成物；礦物質(zhì)成分與原來母質(zhì)有所不同，屬于次生礦物?；瘜W(xué)成分中二氧化硅含量比砂粒和粉粒要少得多。 功能 粘粒是土壤形成過程中的新生產(chǎn)物，是土壤膠體的主要組成部分，它的類型和性質(zhì)能反映出土壤形成的條件和作用。 特性 粘粒細，比表面積大，粒間孔隙很小，其中的水分難于移動；1m的細孔，微生物無法進入生存，基本失去孔隙的意義； 表面吸濕性強，有顯著毛管作用和強烈的吸水膨脹、失水收縮的特點；有較強的持水性能，透水緩慢，排水困難，透氣不暢； 粘粒有很強的粘結(jié)性、可塑性等，粘粒相互粘結(jié)形成土壤團聚體、土團或土塊，干時土塊易于龜裂，遇水分散。 微細的粘粒還有膠體特征，能吸附養(yǎng)料； 含粘粒多的土壤保水、保肥力強，有效養(yǎng)分儲量較多。,35,粉(砂)粒（0.02-0.002mm） 顆粒大小介于粘粒和砂粒之間;巖石礦物物理風(fēng)化的極限產(chǎn)物;礦物成分有原生的，也有次生的。 特性 很多性質(zhì)介于粘粒和砂粒之間，只有微弱的可塑性、脹縮性和毛管力；粘結(jié)力在濕時明顯，干時微弱。 粉粒很容易進一步風(fēng)化，是土壤養(yǎng)料的潛在供應(yīng)力，這與其礦物組成有一定關(guān)系。 粉粒含量高的土壤往往是地區(qū)性水土流失和干旱威脅的內(nèi)在原因。 土壤含有適量粉粒，對粘土來說有利于“化塊”，促進大土塊分裂，形成較小土團；對沙土而言能增加其保水、保肥和保溫能力。,36,3. 土壤的機械組成和質(zhì)地,（1）土壤機械組成,土壤中各級土粒的百分含量，又稱土壤顆粒組成。,估算土壤比表面積 確定土壤質(zhì)地 評價土壤結(jié)構(gòu)性 其它,測定土壤顆粒組成(或機械組成)的方法，稱為土壤顆粒分析(或機械分析)。,主要用途,37,測定方法 首先把土壤樣品進行前處理，取粒徑小于2mm的組分，去掉有機質(zhì)，充分分散（加分散劑） 過篩和沉降 直徑大于0.050.02mm的部分用過篩的方法區(qū)分 直徑小于0.050.02mm的部分用沉降的方法確定,沉降原理：Stokes law, 1845 顆粒沉降速度與有效直徑有關(guān),38,（2）土壤質(zhì)地,按土壤顆粒組成進行分類，將顆粒組成相近而土壤性質(zhì)相似的土壤劃分為一類并給予一定名稱，稱為土壤質(zhì)地(Soil texture)。 質(zhì)地相同的土壤，顆粒組成基本相似(但不完全相同)，這些土壤常具有類似的一些理化性質(zhì)和肥力特征。 每種土壤有一個質(zhì)地名稱，它概括反映了土壤內(nèi)在的某些基本特性。,39,International system（國際制）,粘土(clay)類,根據(jù)粘粒(clay)含量將質(zhì)地分為三類：, 15%,粘壤土(clay loam)類,粘 粒 含 量,砂土(sand)類、壤土(loam)類,15%25%, 25%,凡砂粒含量大于55%的，在質(zhì)地名稱前冠“砂質(zhì)(sandy)”,根據(jù)粉砂粒(silt)含量:,凡粉砂粒含量大于45%的，在質(zhì)地名稱前冠“粉砂質(zhì)(silty clay)”,根據(jù)砂粒(sand)含量:,土壤質(zhì)地分類系統(tǒng),40,Clay 0.002mm,Sand 0.05-2mm,Silt 0.002-0.05mm,等邊三角形的三個邊分別表示砂粒、 粉粒、粘粒的含量。根據(jù)土壤中砂粒、粉粒、粘粒的含量，在圖中查出其點位再分別對應(yīng)其底邊作平行線， 三條平行線的定點即為該土壤的質(zhì)地。,美國制 Triangular graph (三角圖),41,卡慶斯基制,根據(jù)物理性黏粒0.01mm含量 并結(jié)合不同土壤類型（灰化土、草原土、紅黃壤、堿化 土和堿土）將土壤劃分為砂土、壤土、和黏土3類9級。,42,中國制,分為砂土、壤土、粘土3組共12種質(zhì)地,43,質(zhì)地的定性確定 憑手接觸的感覺，搓條法等 取少量土樣，加適量水濕潤，然后放在手上，用手來回搓，搓至均勻能檢測為度。 沙 土：握時成團，放開松散，不能搓成條。 沙壤土：搓條時只能搓成大于3毫米的短條。 輕壤土：搓成大于3毫米細條，但容易斷裂。 中壤土：能搓成完整細條，彎曲時易斷裂。 重壤土：土能搓成完整細條，彎曲成圓圈時有裂縫。 粘 土：能搓成完整細條，能彎曲成圓圈。,44,四、不同質(zhì)地土壤的肥力特征,Sandy soil (砂質(zhì)土),水,粒間孔隙大，毛管作用弱，透水性強而保水性弱，水氣易擴散，易干不易澇,氣,大孔隙多，通氣性好，一般不會累積還原物質(zhì),熱,水少氣多，溫度容易上升，稱為熱性土，有利于早春作物播種。,養(yǎng)分含量少，保肥力弱，肥效快，肥勁猛，但不持久，易造成作物后期脫肥早衰,肥,松散易耕,耕性,45,Clay soil (粘質(zhì)土),水,粒間孔隙小，毛管細而曲折，透水性差，易產(chǎn)生地表徑流,保水抗旱力強，易澇不易旱,氣,小孔隙多，通氣性差，容易累積還原性物質(zhì),熱,水多氣少，熱容量大，溫度不易上升，稱冷性土，對早春作物播種不利,養(yǎng)分含量較豐富且保肥力強，肥效緩慢，穩(wěn)而持久，有利于禾谷類作物生長，籽實飽滿。早春低溫時，由于肥效緩慢易造成作物苗期缺素,肥,耕性差，粘著難耕,耕性,46,Loamy soil (壤質(zhì)土),土壤性質(zhì)兼具粘質(zhì)土和砂質(zhì)土的優(yōu)點，而克服了它們的缺點 。耕性好，宜種廣，對水分有回潤能力，是較理想的質(zhì)地類型。,47,優(yōu)良組合 (choiceness combination),Soil texture profile 土壤質(zhì)地剖面,土壤剖面中不同質(zhì)地層次的排列組合。,不良組合 (badness combination),粘蓋砂,砂蓋粘,medium texture,Coarse texture,fine texture,五、土壤膠體（soil colloid） 土壤膠體:土壤中直徑小于0.002mm的微粒。 土壤膠體是土壤中高度分散的部分，是土壤中最活躍的物質(zhì). 土壤許多理化現(xiàn)象，如土粒的分散與凝聚、離子吸附與交換、酸堿性、緩沖性、粘結(jié)性、可塑性等都與膠體的性質(zhì)有關(guān)。,1.土壤膠體的構(gòu)造,微粒核（膠核） 微粒核是土壤膠體微粒的核心部分，它是由組成膠體微粒的基本物質(zhì)的分子群所組成。,擴散雙電層 決定電位離子層：吸附在膠粒核表面，決定膠粒電荷正負及大小的一層離子。 補償離子層：分為非活性補償離子層、擴散層兩個層次。,膠團間溶液,即土壤膠體分散系中的分散介質(zhì)，也即是土壤溶液。,土粒,土壤溶液,膠體微粒的擴散雙電層構(gòu)造圖式,擴散雙電層 Diffuse double layer：當(dāng)靜電引力與熱擴散相平衡時，土壤帶電膠體表面與溶液的界面上形成的由一層固相表面電荷和一層溶液中相反符號離子組成的電荷非均勻分布的空間結(jié)構(gòu)。 膠體表面的(負)電荷層 緊靠表面溶液的反離子或補償(陽)離子層 兩者電荷數(shù)相等，符號相反，維持體系的電中性。靜電引力使反離子靠近表面，熱運動又使其脫離表面而形成具有擴散特征的反離子層，又稱擴散層。其中反離子呈不均勻分布。,土壤膠體表面電位 Surface potential in soil colloids,Double-layer,The diffuse double-layer theory was developed independently by Gouy(1910) and Chapman (1913) for the application on flat surfaces, but it may apply equally well to rounded or spherical surfaces.,擴散層中反離子的不均勻分布可用Boltzmann方程表示：,CxC0exp(-ZFx/RT) Cx距表面x處反號離子濃度；CO本體溶液反號離子濃度； Z反號離子價數(shù)； FFaraday 常數(shù) x距表面x處的電位； R氣體常數(shù) T絕對溫度 雙電層中距表面x處的反離子濃度CX是x處電位x的指數(shù)函數(shù)，呈曲線降低。,擴散層電位隨著隨著距表面的距離x的增加呈指數(shù)關(guān)系下降: x0exp（Kx） x 距離表面x處的電位 0 表面電位 K與離子濃度、價數(shù)、介電常數(shù)和溫度有關(guān)常數(shù),擴散層中電位變化特征,室溫下, K 3107ZC01/2 where Z 離子價數(shù) C0 離子濃度 The value 1/K is usually used as a measure of the thickness of the double layer. As indicated by the formula for K, the thickness of the double layer is suppressed by both Z and C0. (1/K為擴散雙電層的厚度，主要受離子價Z和離子濃度C0的影響) K值大，雙電層厚度越小。 雙電層壓縮 :增加離子價數(shù)和濃度,有機-無機復(fù)合膠體： 土壤有機膠體與礦質(zhì)膠體通過各種鍵（橋）力相互結(jié)合成有機-無機復(fù)合膠體。 在土壤中有機膠體和無機膠體很少單獨存在，只要存在這兩類膠體，它們的存在狀態(tài)總是有機-無機復(fù)合膠體。,2.土壤膠體的種類和其結(jié)構(gòu) 膠體的種類 土壤膠體按其成分和特性，主要有三種： 土壤礦質(zhì)膠體：包括次生鋁硅酸鹽（伊利石、蒙脫石、高嶺石等）、鐵鋁氧化物、二氧化硅等。 有機膠體：腐殖質(zhì)、有機酸、蛋白質(zhì)及其衍生物等大分子有機化合物。,含水氧化物 主要包括水化程度不等的鐵、鋁、硅的氧化物。 （1）含水氧化硅：一種非晶質(zhì)的凝膠，其化學(xué)式為SiO2nH2O或?qū)懗蒆2SiO3。,土壤礦質(zhì)膠體,（2）含水氧化鐵：主要有:褐鐵礦 2Fe2O33H2O、針鐵礦Fe2O3H2O、多水針鐵礦3FeO34H2O和一水赤鐵3Fe2O3H2O等。,（3）含水氧化鋁：主要有水鋁石Ai2O3H2O和三水鋁石Al2O33H2O等，也是兩性膠體，其電性決定于溶液的酸堿性。,粘土礦物,3. 土壤膠體表面類型 土壤膠體: 無機膠體(粘粒)和有機膠體(腐殖質(zhì)),多呈有機無機復(fù)合膠體。,按表面位置分,內(nèi)表面：膨脹性粘土礦物的層間表面和腐殖質(zhì)分子聚集體內(nèi)的表面，其表面反應(yīng)為緩慢滲入過程。 蒙脫石、蛭石等。 外表面： 粘粒的外表面和腐殖質(zhì)、游離鐵鋁氧化物等包被的表面，表面反應(yīng)迅速。 高嶺石、水鋁英石和鐵鋁氧化物等。,61,按表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)特點可分為: 硅氧烷型、水合氧化物型和有機物表面 硅氧烷型表面 SiOSi 2:1型粘粒的上、下兩面，1:1型粘粒1/2面。 非極性的疏水表面。 電荷來源為同晶置換(Al3+Si4+)，少部分是邊角斷鍵，為永久電荷。,硅氧烷型表面 Siloxane surface Si Si O,硅氧烷型表面 Siloxane surface Si Si O,水合氧化物型表面 由金屬陽離子和氫氧基組成的表面 MOH 鋁醇AlOH，鐵醇FeOH，硅烷醇SiOH等。水鋁(鎂)片，鐵、鋁氧化物及硅片邊角斷鍵。 極性親水表面。 電荷來源為表面OH與質(zhì)子的締合OH2+ 或 離解OHO- + H+。可變電荷。,水合氧化物型表面 Oxy-hydroxide surface MOH,無定形的氧化鐵、鋁等膠體表面,有機物表面 腐殖物質(zhì)為主的表面，表面羧基(COOH)、酚羥基(OH)、氨基(NH2)等活性基團。離解H+或締合H+產(chǎn)生表面電荷。 RCOOHH2O RCOO-+H3O+ RNH2H2O RNH3+OH- 電荷的產(chǎn)生取決于功能團的解離常數(shù)和介質(zhì)的pH, 屬可變電荷。 三類膠體表面往往相互交織。,比表面(Specific surface areas)：單位重量(體積)物體的總表面積。 物體顆粒愈細小，表面積愈大。,4. 土壤膠體表面積和比表面,土粒直徑（mm） 總表面積（cm2） 比面（cm2/cm3） 10 3.14 6 1 31.42 60 0.05 628.32 1200 0.001 31416 60000,粘土礦物晶核、有機物成分和無機膠膜等對表面積有重要貢獻： 粘土礦物的類型不同，表面積大小和表面類型差別很大 膨脹性2:1型粘土礦物總表面積大，以內(nèi)表面積為主 非膨脹性2:1型和1:1型粘土礦物總表面積小，一般以外表面為主（水化埃洛石例外）。 水鋁英石比表面較大，內(nèi)、外表面各一半。 鐵、鋁氧化物的比表面與其晶化程度有關(guān)，以外表面為主。（專紅壤游離氧化鐵表觀比表面170m2/g) 土壤有機質(zhì)的比表面大，表觀比表面可達700 m2/g,比表面的測定方法 Determination of Specific surface areas 儀器法: 電子顯微鏡，X射線衍射儀 測定代表性土壤或粘土礦物顆粒的大小和形狀，計算理論比表面積。 吸附法： A group of methods based on adsorption of compounds in the vapor or gas phase. 氮氣、水蒸氣、甘油、乙二醇乙醚(EGME) 比表面=單個分子面積土壤顆粒表面吸附單分子層所需分子數(shù),電荷數(shù)量：決定土壤吸附離子的多少 電荷密度：決定離子吸附的牢固程度 影響土壤中離子移動和擴散，有機-無機復(fù)合體形成，土壤分散、絮凝和膨脹、收縮等性質(zhì),5.土壤顆粒表面電荷和電位,土壤電荷,凈電荷：土壤的正電荷和負電荷的代數(shù)和；大多數(shù)土壤帶凈負電荷。,永久電荷 Permanent charge 來源: 粘土礦物晶層中核心離子的同晶替代 特點：不受介質(zhì)pH值和電解質(zhì)濃度的影響,土壤電荷種類和來源 Type and origin of charge in soils,Isomorphous substitution（同晶替代） is believed to be a major source of negative charges in 2:1 layer clays.,可變電荷 Variable or pH-dependent charge 來源: 土壤固相表面從介質(zhì)中吸附離子或向介質(zhì)中釋放離子。 Dissociation of exposed hydroxyl groups. Alkaline medium: -M-OH + OH- -M-O- + H2O Acid medium: -M-OH + H+ -M-OH2+ 特點：電荷類型和電荷數(shù)量均決定于介質(zhì)酸堿度，又稱pH依變電荷。,腐殖質(zhì)產(chǎn)生可變電荷 腐殖質(zhì)具有很多含氧功能團，這些功能團在介質(zhì)pH值發(fā)生變化時，可解離而帶電。羥基、酚羥基解離使腐殖質(zhì)帶負電，氨基質(zhì)子化使腐殖質(zhì)帶正電荷。 層狀鋁硅酸鹽產(chǎn)生可變電荷 1:1型粘土礦物的晶面一面為硅氧烷型表面，另一面則為羥基化表面，后者在介質(zhì)pH值發(fā)生變化時，吸附或釋放一個H+，使表面帶電。 氧化物帶可變電荷 氧化物不帶電時的pH值稱為電荷零點，簡稱ZPC。 介質(zhì)pHZPC時氧化物帶負電； pHZPC時氧化物帶正電. 氧化物的電荷零點，與金屬的價數(shù)有關(guān)。,土壤電荷數(shù)量 Charge quantity in soils,一般用每千克物質(zhì)吸附離子的厘摩爾數(shù)表示（cmol/kg） 陽離子交換量 Cation exchange capacity (CEC)： pH為7時土壤凈負電荷的數(shù)量。 cmol(+)/kg 陰離子交換量 Anion exchange capacity (AEC)： 一定條件下土壤的正電荷量。 cmol(-)/kg,影響土壤電荷數(shù)量的因素 土壤質(zhì)地 土壤所帶電荷數(shù)量，80%集中在粒徑小于2微米的膠體部分，故粘粒數(shù)量愈多的粘質(zhì)土，帶電愈多。 膠體類型及組成成分 有機膠體帶負電荷量150-450cmol/kg；無機膠體為5-100 cmol/kg。 2:1型粘土礦物帶負電量大于1:1型粘土礦物；2:1型粘土礦物中蒙脫石類粘土礦物帶負電量又大于水云母類粘土礦物帶負電荷量。 土壤中氧化物類膠體，由于電荷零點較高，因此一般帶負電荷很少。甚至帶正電荷。 土壤膠體組分間的相互作用 土壤中有機膠體和無機膠體往往結(jié)合在一起成為有機無機復(fù)合體，其復(fù)合膠體帶電量不是二者分散存在時帶電量的加和而是負電荷減少，存在非加和性。,六、土壤有機質(zhì)(soil organic compounds),1.組成 生命體：Living organisms 土壤有機質(zhì)：Soil organic matter 未分解的動植物殘體：Unaltered materials - fresh and non-transformed components of older debris. 有機轉(zhuǎn)化物：Transformed products 腐殖質(zhì) Humic substances 非腐殖質(zhì) Nonhumic substances 碳水化合物 Carbohydrates 脂類 Lipids 含氮化合物 Amino acids,2.土壤生物,1）土壤動物,土壤動物,如蚯蚓、線蟲、原生動物、螨類、螞蟻、蝸牛等 對有機殘體撕碎、攪動和搬運促進有機殘體與土壤混合，促進微生物的分解； 以植物殘體為食使有機殘體性質(zhì)發(fā)生變化； 在土壤中活動對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生影響。,78,2）土壤微生物 土壤微生物土壤中的各種細菌、放線菌、真菌等微生物群，對落到土表的枝葉，及土壤中死亡的根系和各種生物尸體都會迅速加以分解。,微生物在土壤中的作用 有機質(zhì)的礦質(zhì)化過程：有機質(zhì)通過微生物的作用分解為簡單化合物，同時釋放出養(yǎng)分的過程。 腐殖質(zhì)過程：有機物在微生物作用形成復(fù)雜的腐殖質(zhì)的過程。,3）土壤生態(tài)食物網(wǎng)（food web of soil ecosystem）,未分解物質(zhì),3 .土壤未分解或半分解有機物質(zhì)Unaltered materials,半分解物質(zhì), decomposing material,Stable organic matter,腐殖質(zhì) 非腐殖質(zhì)物質(zhì) 碳水化合物：單糖、雙糖、多糖 含氮化合物 脂類物質(zhì),4 .土壤有機質(zhì)(soil organic matter),土壤有機質(zhì)的組成,土壤腐殖質(zhì)（humus） 除未分解和半分解動、植物殘體及微生物體以外的有機物質(zhì)的總稱。通常占土壤有機質(zhì)的90%以上。,非腐殖物質(zhì)(Non-humic substances)(2030%) 腐殖物質(zhì)(Humic substances)（6080%） 經(jīng)土壤微生物作用后，由多酚和多醌類物質(zhì)聚合而成的含芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的、新形成的黃色至棕黑色的非晶形高分子有機化合物。 胡敏素(Humin) 胡敏酸(Humic acid) 富里酸(Fulvic acid),胡敏酸(Humic acids )：不溶于酸，溶于堿，深褐色或黑色。,富里酸(Fulvic acids)：溶于酸又溶于堿，淺黃色到黃褐色。,胡敏素(Humin)：不溶于酸和堿，黑色。,腐殖質(zhì)的組成及性質(zhì),1）有機質(zhì)在土壤肥力上的作用 （一）提供植物需要的養(yǎng)分 養(yǎng)分較完全 植物生長所需養(yǎng)分N：80 97%，平均95%；P：20 76%；S：38 94%為有機態(tài)，由有機質(zhì)提供。 提高養(yǎng)分有效性 SOM礦質(zhì)化過程中產(chǎn)生的有機酸，腐殖化過程中產(chǎn)生的腐殖酸，一方面促進土壤礦質(zhì)養(yǎng)分溶解釋放養(yǎng)分；另一方面可以絡(luò)合金屬離子，減少金屬離子對P的固定，提高P的有效性。,5.土壤有機質(zhì)的作用,（二）改善土壤肥力特性 提高土壤保肥性 土壤腐殖質(zhì)是一種有機膠體，有巨大的表面積和表面能，吸附能力大于礦質(zhì)膠體，從而大大提高土壤保肥性。 膠體對陽離子吸附能力比較（cmol(+)/kg） 膠體類型 有機膠體 高嶺石 蒙脫石 吸附力 150 450（平均350） 3 15 80 120 提高土壤緩沖性 腐殖質(zhì)含有多種功能團，遇OH時電離出H與之作用生成水對堿緩沖；遇H時則由于帶負電荷而吸附H對酸緩沖； 腐殖質(zhì)膠體帶負電荷，可吸附土壤溶液中鹽基離子，對肥料起緩沖作用。,促進團粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤物理性質(zhì) 粘結(jié)力(binding force)：砂有機膠體粘粒 有機質(zhì)能改變砂粒的分散無結(jié)構(gòu)狀態(tài)，又能改善粘粒的粘重大塊結(jié)構(gòu)，促進土壤良好結(jié)構(gòu)的形成，從而改善土壤的通透性等物理性質(zhì)。 提高土壤生物活性和酶活性 SOM是土壤微生物活動所需氧分和能量的主要來源； SOM通過刺激生物活動而增加土壤酶活性，直接影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程； 腐殖酸是一類生理活性物質(zhì)。,2）有機質(zhì)在生態(tài)環(huán)境上的作用 （一）有機質(zhì)與重金屬離子的作用 絡(luò)合重金屬離子，減輕重金屬污染。 有機質(zhì)功能團對金屬離子的親和力： O NH2 N=N N COO O C=O 烯醇基 胺基 偶氮化合物 環(huán)氮 羧基 醚基 羰基,土壤有機質(zhì)與重金屬離子的絡(luò)合作用對土壤和水體中重金屬離子的固定和遷移有重要影響。,金屬富啡酸復(fù)合體穩(wěn)定常數(shù)： Fe3+ Al3+ Cu2+ Ni2+ Co2+ Pb2+ Ca2+ Zn2+ Mn2+ Mg2+,腐殖物質(zhì)金屬離子復(fù)合體的穩(wěn)定常數(shù)反映了金屬離子與有機配位體之間的親和力，對重金屬環(huán)境行為的了解有重要價值。,穩(wěn)定常數(shù)常受pH值得影響，穩(wěn)定常數(shù)在較高pH時稍大。主要是因為羧基等功能基在較高pH條件下有較高的解離度。在低pH時，由于H+與金屬離子一起競爭配位體的吸附位，腐殖酸絡(luò)合的金屬離子較少。,重金屬離子的存在形態(tài)受腐殖酸物質(zhì)的絡(luò)合作用和氧化還原作用的影響 腐殖酸對無機礦物有一定的溶解作用,實際上是其對金屬離子的絡(luò)合、吸附和還原作用的綜合結(jié)果。,胡敏酸作為還原劑可將有毒的Cr6+還原為Cr3+ ， Cr3+能與胡敏酸上的羧基形成穩(wěn)定的復(fù)合體，從而限制了動植物對它的吸收。 腐殖物質(zhì)能將V5+還原為V4+, Hg2+還原為Hg, Fe3+還原為Fe2+, U6+還原為U4+,（二） 有機質(zhì)對農(nóng)藥等有機污染物的固定作用 SOM對有機污染物在土壤中的生物活性、殘留、生物降解、遷移和蒸發(fā)等過程有重要影響。 SOM對農(nóng)藥的固定與腐殖質(zhì)功能基的數(shù)量、類型和空間排列密切相關(guān)，也與農(nóng)藥本身的性質(zhì)有關(guān)。 極性有機污染物可以通過離子交換和質(zhì)子化、氫鍵、范德華力、配位體交換、陽離子橋和水橋等不同機理與SOM結(jié)合； 非極性有機污染物可以通過分隔機理與之結(jié)合。,空氣中CO2濃度變化,（三） 土壤有機質(zhì)對全球碳循環(huán)的影響,（三） 土壤有機質(zhì)對全球碳循環(huán)的影響 土壤有機質(zhì)是全球C平衡的重要C庫。 全球土壤有機質(zhì)總碳量： 141017151017g 陸地生物總碳量： 5.61017g 全球每年土壤有機質(zhì)生物分解釋放到大氣中的總碳量：681015g 全球每年因焚燒燃料釋放到大氣中的總碳量： 61015g 土壤有機碳水平的不斷下降，對全球氣候變化的影響不亞于人類活動向大氣排放的影響。,土壤有機質(zhì)在環(huán)境中的遷移路徑 Transportation paths of SOM in natural environment,3.土壤膠體的性質(zhì)（ Properties of colloids）,第二節(jié) 土壤的吸附解吸性能,土壤膠體的性質(zhì)：,顆粒?。⊿mall） 大的表面積（Large surface area） 具有表面電荷（ have a surface charge） 吸附水中的離子（Attract water an ions） 土壤具有吸附性能,一、土壤膠體對陽離子的吸附交換反應(yīng)Adsorption and exchange of cation by soil colloids,1、離子吸附的概念 Concept about ion adsorption,吸附作用：根據(jù)物理化學(xué)反應(yīng)原理，溶質(zhì)在溶液中呈不均勻的分布狀態(tài)，固相表面層中離子濃度與本體溶液中不同的現(xiàn)象稱為吸附作用。 正吸附 、負吸附 Forces of adsorption Physical forces: 范德華力, 短程偶極作用 Hydrogen bonding: a hydrogen atom acts as the connecting linkage Electrostatic bonding: electrical charge on the colloid surface Co-ordinate covalence bonding: 配位體提供電子給金屬離子,Electrostatic bonding is the reason for cation adsorption and exchange reactions on clay surface. Since clay colloids carry negative charges, cations are attracted to the clay particles. They are held electrostatically on the surface of the clay. Most of them are free to distribute themselves through the liquid phase by diffusion. The density of ion population is greatest at or near the surface. These cations are called adsorbed cations. 陽離子吸附：土壤溶液中的陽離子轉(zhuǎn)移到土壤膠體表面，為土壤膠體所吸附。 陽離子解吸：土壤膠體表面吸附陽離子轉(zhuǎn)移到土壤溶液中。,2、陽離子靜電吸附 Cation adsorption by electrostatic bonding,土壤膠體表面靜電引力產(chǎn)生的陽離子吸附的速度、數(shù)量和強度決定于膠體表面電位、離子價數(shù)和半徑等因素。 Orders of adsorption among the cations 土壤膠體表面負電荷愈多，吸附陽離子數(shù)量愈多； 電荷密度愈大，陽離子帶電荷愈多，離子吸附愈牢。 不同價陽離子與土壤膠體表面親和力： M3+ M2+ M+ 同價陽離子，水合半徑越小，離子吸附強度越大。 Monovalent cations: Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+,（一）陽離子交換作用 土壤溶液中陽離子與土壤膠體表面吸附陽離子互換位置 交換性陽離子：被土壤膠體表面所吸附，能被土壤溶液中的陽離子所交換的陽離子。,3、陽離子交換 Cation exchange,The adsorbed cations can be exchanged by other cations. The process of replacement is called cation exchange.,可逆反應(yīng)，反應(yīng)速度很快，溶液中與膠體表面吸附陽離子處于動態(tài)平衡。 遵循等價離子交換的原則 符合質(zhì)量作用定律（Mass action law）,陽離子交換作用的主要特點 Characteristics of cation exchange,平衡常數(shù),陽離子特性，即陽離子與膠體表面之間的親和力 高價陽離子交換能力大于低價離子 水合半徑小的陽離子交換能力大于水合半徑大的 （H+例外，半徑小，水合度低，運動快，交換能力強） 陽離子的濃度和數(shù)量（符合質(zhì)量作用定律） 實踐中可以通過增加有益陽離子濃度的方法調(diào)控交換方向，提高肥力和控制污染。,陽離子交換的影響因素 Influenced factors of cation exchange,Fe3+ 、Al3+ H+ Ca2+ Mg2+K+ Na+,CEC of soils is defined as the capacity of soils to adsorb and exchange cations. The unite is cmol(+)/kg. (International System) CEC是土壤所能吸附和交換的陽離子的容量 cmol(+)/kg It is common practice in the deternination of CEC to analyze all exchangeable cations. CEC=cmol(+) exchangeable cations per kg soil,（二）陽離子交換量 (CEC) Cation exchange capacity,土壤CEC實際上是土壤所帶負電荷的數(shù)量。CEC與土壤膠體的比表面和表面電荷有關(guān)。 CEC = specific surface areas surface charge density,陽離子交換量可作為土壤保肥能力和緩沖能力的指標(biāo) CEC （cmol(+)/kg） 10 1020 20 保肥力、緩沖力 弱 中等 強,影響土壤CEC的因素 土壤質(zhì)地: 由砂質(zhì)向粘質(zhì)變化，陽離子交換量逐漸增大。 質(zhì) 地 砂土 砂壤土 壤土 粘土 CEC(c(+)mol/kg) 1-5 7-8 7-18 25-30 有機質(zhì)含量: 有機膠體所帶負電荷量較無 機膠體大得多，因而有機質(zhì)含量高的土壤陽離子交換量高，保肥力強。 無機膠體類型:一般粘土礦物CEC 2:1型1:1型，1:1型氧化物，2:1型中蒙脫石類水云母類。 土壤酸堿性: 帶可變電荷的土壤膠體，酸堿性是影響其電荷數(shù)量的重要因素，進而影響土壤CEC和保肥能力。 例如：磚紅壤pH值由自然條件下的5左右提高到7左右時，其負電荷量約增加70%。,（三）鹽基飽和度(BS) Base saturation percentage BS：鹽基離子占吸附陽離子總量(CEC)的百分數(shù)。 Base saturation percentage(%)= 100,exchangeable bases cmol(+)/kg,CEC cmol(+)/kg,BSpH A positive correlation exists between base saturation percent and soil pH. Low BS means the presence of a lot of H+ ions. Arid region soils are usually higher in BS than soils in humid regions. BSfertility BS80% BS 5080% BS50% 肥沃土壤 中等肥力土壤 低肥力土壤 BS of soils in China 我國土壤BS大致以北緯33為界。以北BS較高，一般達80%100%；以南BS均較低，只有20%30%，甚至少于10%。 BS高的土壤，交換性陽離子以Ca2+為主，其次是Mg2+，分別占80%和15%。BS低的土壤，交換性陽離子以H+和Al3+為主 。,（四）交換性陽離子的有效度 Availability of exchangeable cations 交換性陽離子對植物都是有效性的，但有效程度不一樣。,離子飽和度：土壤吸咐某種交換性陽離子數(shù)量占土壤交換性陽離子總量的百分數(shù)。離子飽和度愈高，其有效性愈高。,互補離子效應(yīng)：對某一指定吸附離子，其他并存的離子都是它的互補離子?；パa離子效應(yīng)是由各種陽離子被膠體吸著能力不同所致。一般說來，某離子的互補離子被土壤膠體的吸附力越強，該離子的有效度就越高。,粘土礦物類型：高嶺石類有外表面而無內(nèi)表面，陽離子吸著于外表面上，容易解吸，有效性高；蒙脫石類既有強大的外表面，又有內(nèi)表面，吸著陽離子的有效性低于高嶺石。水云母類由于硅層晶穴對陽離子K+或NH4+產(chǎn)生固定作用，降低其有效性。氧化物類膠體對陽離子產(chǎn)生專性吸收，使陽離子失去有效性。,影響因素,陽離子專性吸附的機理,4、陽離子的專性吸附（specific adsorption),鐵、鋁、錳等氧化物膠體表面陽離子不飽和而水合(化)，產(chǎn)生可離解的水合基(-OH2)或羥基(OH)，它們與溶液中過渡金屬離子(M2+、MOH+)作用而生成穩(wěn)定性高的表面絡(luò)合物