土壤基本性质.doc

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生生物 物化物理性质 学性质 生物性质 如土壤有机如有机质残体和 质的转化及腐殖质对土壤结 酶的作用构性的影响图21 土壤性质与肥力的关系第一节 土壤胶体一、 土壤胶体的特点土壤胶体是土壤固体颗粒中最微细部分。在胶体化学上，一般把直径在1100nm之间的物质颗粒称为胶体颗粒。但在土壤中，由于小于100nm的粘粒便具有胶体性质，所以土壤胶体大小的概念比一般规定的胶体颗粒的上限大10倍。土壤溶液中有胶体微粒分散存在时，叫做土壤胶体溶液。二、 土壤胶体的种类土壤胶体按其成分不同，可以分以下三类：（一） 无机胶体 无机胶体主要是极细微的土壤粘粒，包括成分简单的含水氧化物（含水氧化铁、氧化铝、氧化硅）和成分复杂的各种层状铝硅酸盐（高岭石、蒙脱石、水云母等），它们大部分是次生矿物。含水氧化物和层状铝硅酸盐这两类矿物都是岩石风化和成土过程的产物，都能影响土壤肥力特性，就广义而言统称为黏土矿物。（二）有机胶体有机胶体主要是腐殖质，它是土壤有机质腐殖化过程的产物。由于腐殖质分子大，功能团多，解离后带负电量大，对土壤保肥供肥能力有深刻的影响。有机胶体是极好的胶结剂，可以把土粒胶结在一起形成良好的土壤结构。（三）有机无机复合胶体土壤中的无机胶体和腐殖质胶体绝大部分都结合在一起，形成有机无机复合胶体。土壤中的有机和无机胶体可以通过多种方式进行结合，但大多数是通过多价离子（如钙、镁、铁、铝等）或功能团（如氨基、羧基、酚羟基、醇羟基等）将带负电荷的粘粒矿物和腐殖质连结成有机无机复合胶体的。土壤中的微生物一般都吸附在有机胶体和无机胶体颗粒的表面，被此结合成具有活性的土团及土壤结构。西南农学院的研究结果认为，微生物也是复合胶体的一个组成部分，土壤复合胶体应是土壤微生物有机无机复合胶体。这种复合胶体借助于微生物体内酶和体外酶以及植物根的分泌物，植物遗体及有机肥料等带入的大量酶的活动，在一定温度范围内，通过各类物质的代谢作用，可以调节土体内部热、水、肥，维持其动态平衡，是维持土壤与植物的生理协调的物质基础。三、土壤胶体的构造土壤胶体微粒的构造可分为三部分：微粒核、决定电位离子层和补偿离子层。决定电位离子层和补偿离子层总称为双电层，见图22。（一）微粒核（胶核）微粒核是胶体微粒的核心部分，它是由组成胶体微粒的基本物质（黏土矿物、腐殖质、蛋白质等）的分子群所组成。（二）决定电位离子层（双电层内层）决定电位离子层是固定在微粒表面并决定胶体微粒电荷和电位的一层离子。它是由微粒核表面分子解离或从溶液中吸附某些离子而形成。它能使胶体微粒带电，带电的性质（电荷的符号）决定其吸附阳离子或阴离子，其带电量决定吸附离子的数量。（三）补偿离子层（双电层外层）决定电位离子层的存在，必然吸附与其电荷相反的离子围绕在其周围，形成补偿电子层。这一层离子带着和决定电位离子层电性相反而电量相等的电荷。补偿离子层按其被决定电位层吸附力的强弱和活动情况，又可分为两层，这两层是逐步过渡的。1非活性层靠近决定电位离子层，所受吸力很强，被吸附很紧，不能自由活动的离子层。2扩散层离决定电位离子层较远，疏散在胶粒的外围，由非活性层逐渐过渡到这一层。由于决定电位离子层对它的吸力不强，所以它有较大的活动性，呈扩散分布的状态，故叫扩散层。扩散层的离子可与溶液中的离子互相代换，很容易参加土壤的离子代换作用等多种过程。此层为胶体微粒的最外层，由这一层逐渐过渡到胶粒间溶液。四、土壤胶体的性质土壤胶体对土壤肥力有重大影响，其实质是因为它具有下列主要特性：（一）胶体具有巨大的表面能任何物质的分子与分子之间有着互相吸引的力，在物质内部，任何分子都受到周围分子的同等吸力，因此它所受到的各方面的力是均衡的，这些均衡的力相互抵消，而合力就等于零，所以对其它分子的能量没有影响。但在物体表面上的分子，在它的周围，并不是相同的分子，所以它受到不均衡的吸力。在它与液体或气体接触的一面，因液体或气体分子对它的吸力小，在这种情况下，分子的合力不等于零，因而，致使表面上的分子，对外表现出有剩余能量，这种能量是由于表面的存在而产生，所以叫做表面能。表面能的大小取决于物体的表面积，换句话说是取决于比面。所谓比面就是指每单位重量物体的表面积，可以用下式表示：.(1).设有半径为r的球形土粒，它的重量应为4/3r3，球形面积为4r3，代入（1）式，则得： 4r3 3 1 1比面= = =1.13 (平方厘米/克)(2) 4/3r32.65 2.65 r r从（2）式中可以看出比面与颗粒半径成反比。例如半径为0.1厘米的1克砂粒，比面只有11.3平方厘米，而半径为0.0001厘米的1克粘粒，它的比面可达11，300平方厘米。由此可见，一定重量的物体，颗粒越细，总表面积越大，表面能也越大。土壤胶体微粒半径很小，比面很大，巨大的比面，使它产生了巨大的表面能。所以土壤越细，所含胶体微粒越细，表面能越大，吸附分子态物质能力也越强。（二）胶体具有带电性胶体颗粒一般都带有电性，土壤胶体也不例外。土壤胶体带电的主要原因是由于微粒核表面分子本身的解离所致。土壤有机胶体含有羧基（COOH）、羟基(OH )和酚基 ( OH)，它们在周围溶液中解离出若干数量的氢离子，解离后形成COO与O-留在核面上，而使决定电位离子层带负电荷，见图23。一般情况，含水氧化硅胶体外层为硅酸分子（H2SiO3）发生解离： 它们在碱性溶液中则解离出氢离子，使土壤胶体带负电荷。其解离式为：这样Fe（OH）2+或FeO+构成决定电位的离子层，而Cl-构成补偿离子层，见图24。它们在碱性溶液中则解离出氢离子，使土壤胶体带负电荷。其解离式为：Fe(OH)3+NaOH=Fe(OH)2O-Na+H2O Fe(OH)2O-被固定在微粒核表面，构成决定电位离子层，而Na+则构成补偿离子层。这种随着土壤PH值而改变，既能带正电，又能带负电的胶体称为两性胶体。土壤中粘土矿物多带负电荷。有机无机复合胶体虽然保留各种组成的原来性质，但由于土壤中含量较多的硅酸和粘土矿物都带有负电荷，而富集于表土的有机胶体也带有负电荷，所以有机无机复合胶体表现出带多量的负电荷。综上所述，土壤胶体大多数是带负电荷的，因此补偿离子层多由阳离子组成。由于土壤胶体带电，所以才能吸收、保持许多离子态养分，既能避免流失、又可随时供应植物吸收利用。（三）胶体的凝聚和分散作用 土壤胶体有两种不同的状态：一种是胶体微粒均匀散布在水中，呈高度分散的溶胶；另一种是胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状的凝胶。土壤胶体溶液，如受某些因素的影响，使胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶，这种作用叫胶体的凝聚作用。反之凝胶分散或呈溶胶状态，叫做胶体的分散作用。土壤胶体所以呈凝胶状态，且具有相当的稳定性，这是由于胶体微粒的带电性和水膜的存在而引起的。因为同一种胶粒，带有相同的电荷，促使胶粒相互排斥，而水膜又能阻碍胶粒互相粘结，因而使胶体呈溶胶状态。如果减少土壤水分，促使胶体水膜变薄和提高电解质浓度，或直接加入电解质，以中和胶体的电性，必然会促使胶体粘粒结成较大的颗粒而凝聚。土壤中带负电荷的胶粒占多数，所以土壤溶液中的离子能使带负电的胶粒凝聚。实验证明，阳离子的价数越高，半径越大，所产生的凝聚作用越强。土壤中常见的阳离子，按凝聚力的大小，依次排列如下：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+当土壤干燥和冻结时，土壤溶液所含电解质的浓度增加，同样会引起胶体的凝聚。此外，土壤中带有相反电荷的胶体，相互接触时也会凝结作用。溶胶变成凝胶后，如果反复用水冲洗，容易发生分散作用变成溶胶，这种凝聚叫做可逆凝聚。一般由一价的阳离子（Na+ 、K+ 、NH4+）在高浓度时所引起的凝聚为可逆凝聚。二价及三价阳离子（Mg2+、Ca2+、Al3+、）所引起的凝聚则比较难于进行分散。它们所形成的土壤结构具有相当的稳定性，特别是Ca2+和腐殖质共同作用下，所形成的土壤结构更好。土壤胶体是溶胶状态时，土壤结构不良，耕性很差，湿时泥泞，干时结块，影响土壤的通气透水性，对植物生育和土壤耕作都是不利的。相反呈凝胶状态时，土壤具有良好的结构和耕性，养分也易于保存。所以在生产上，常施用钙质肥料（如石灰、石膏）改善胶体性质，以及通过排水、晒田、冰冻等方法提高土壤溶液中离子浓度和通过深耕晒垡、冻垡等措施促进胶体脱水，改善土壤结构。土壤肥力的特点不仅在于土壤具有供应水、肥的能力，更重要的是具有协调供水、肥的能力，满足作物生长所需要的水分、养分等生活条件，让作物吃饱、喝足、住得舒服。要能达到这样的要求，良好的耕作是一重要前提，而有机无机复合胶体则是形成土壤良好结构的重要物质基础。第二节 土壤交换吸收性能浑浊的水通过土壤会变清，粪水、臭气通过土壤，臭味会消失或减弱，海水通过土壤会变淡等现象说明，土壤对施入的肥料、盐分或微小颗粒有吸收和保持的能力。土壤吸持各种离子、分子、气体和粗悬浮体的能力称为土壤的吸附性能。它是土壤能保存营养物质并不断地向植物提供养分的主要原因。各种吸收作用都有各自的特点，其中机械的吸收性能是指土壤孔隙对较大的颗粒的阻留作用；物理吸收性能是指土壤细粒靠表面能对分子态物质的吸收；化学吸收性能是指土壤溶液中的可溶性养分与土壤中某些物质起化学反应，形成难溶性物质的作用；而生物吸收性能则是指植物和微生物对土壤中可溶态养分的选择吸收作用。还有交换吸收性能是指土壤溶液中的离子态养分与土壤胶体上的离子进行交换后而被保存在土壤中的作用。它对土壤养分的吸收和释放起着更为重要的作用。一、土壤的阳离子交换吸收作用 土壤胶体多数带负电荷，扩散层的阳离子和土壤溶液中的阳离子进行交换，称为阳离子交换吸收作用。反应过程如下：土壤胶体土壤胶体 H+ K+ Ca2+ K+ K+ K+ K+ +5KCl K+ K+ + 2 CaCl2 + HClCa2+ Ca2+ K+ K+ K+ Ca2+（一）阳离子交换吸收作用的特征 由反应式可知，阳离子交换有两个基本特征：可逆反应 阳离子交换是可逆反应。所谓可逆反应，是指反应同时向两个方向进行，如AB + CD AD+CB 。在一般情况下，反应很快达到平衡，然而反应的任何一个方面都不能彻底完成。土壤在自然状况下，不是单纯吸收某一种离子，而是吸收两种或两种以上的离子。被土壤胶体吸附的任何一种阳离子，不可能被全部代换到溶液中去。等当量交换 在阳离子交换过程中，离子间以离子价为根据做等量交换。如一个当量的钙离子可被一个当量的钾离子所代替，钙离子的当量是40/2=20，而钾离子的当量是39.1/1=39.1，即20克的钙离子可以代换39.1克的钾离子。如果用两价的钙离子去交换一价的钾离子时，一个摩尔离子的钙可以代换两个摩尔离子的钾。（二）阳离子交换能力 一个阳离子把其它阳离子从胶体微粒上代换出来的能力，称为阳离子交换能力。各种阳离子交换能力的大小顺序是：Fe3+ Al3+ H+Ca2+ Mg2+NH4+、K+ Na+。阳离子交换能力的大小受以下三种情况所支配：离子价数 离子交换能力随离子价数的增加而增大。这时由于离子的电荷愈多，与胶体间的电性引力也愈强，因而交换能力增大。阳离子半径和水化程度 在电荷价数相等的离子中，离子半径愈大，其水化半径趋于减小，则交换能力愈强。因为在离子半径增大时，单位表面积的电荷量（即电荷密度）减小，电场强度减弱，所以对极性分子的水的吸引力小，离子外围的水膜薄，水化半径减小，以致同负胶粒间的距离较近，相互吸引力较大，并且具有较强的交换能力。但是，H+的交换能力比两价的Ca2+、Mg2+大，这是因为H+半径极小，水化能力极弱，运动速度又大，因而交换能力强（表21）。表21 离子半径、水化程度与交换能力的关系离子价数原子量离子半径（）交换能力未水化水化H+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+1221111.00840.0824.3239.1010.0123.001.060.781.331.430.9810.0013.305.325.377.90123456离子的浓度 交换作用受质量作用定律的支配，即离子浓度愈大，交换能力愈强。即使某一种离子的交换能力小，但在它的浓度增加后，也能交换胶体上交换能力强的其它离子。例如在钙质土上施用硫酸铵时，高浓度的NH4+可以交换出土壤胶体上的一部分Ca2+，从而NH4+得以保存下来。因此，生产上可以通过增加土壤中某些有益阳离子的数量来控制和调节阳离子交换的方向，以便有目的地调节土壤养分和改良土壤性质。（三）阳离子交换量（代换量或吸收容量） 土壤吸收阳离子能力的大小通常以阳离子交换量来衡量。阳离子交换量是指每百克干土所能吸收的全部交换性阳离子（包括H+与盐基离子）的毫克当量数（me）。土壤交换量的大小是衡量土壤保肥能力等的主要指标。交换量大的土壤，保肥性强，在植物的生育过程中不易脱肥，一次的施肥量可以多些。交换量小的土壤，为了防止养分流失，一次施用化肥的数量不能太多。一般认为，大于20me/100g干土的土壤为保肥力强的土壤；1020me/100g干土，保肥力中等；小于10me/100g干土时，为保肥力弱的土壤。不同土壤的阳离子交换量大小主要决定于下列条件：胶体的数量和种类 土壤质地愈细，胶体的物质愈多，土壤的交换量也愈大。一般砂土的交换量约为15me/100g土，砂壤土为78me/100g土，壤土为1518me/100g土，而粘土则多大2530me/100g土。而有机胶体的交换量可达200500me/100g土。表22 不同土壤胶体的阳离子交换量（me/100g土）胶体种类蒙脱石伊利石高岭石含水氧化铁、铝有机胶体一般范围平均601008020403031510极微200500350土壤酸碱度（PH值） 一般在土壤PH值下降时，H+增多，胶体上的H+不易解离，以致胶体所带负电荷的量较少，阳离子交换量随之降低。反之，土壤溶液愈趋碱性，H+的解离愈多，胶粒的负电荷也愈多，亦即交换量愈大。由于土壤胶体电性通常随着PH值而变化，所以测定阳离子交换量时一般都控制在PH7的条件下进行。我国各地土壤类型不同，各自的交换量和吸收性阳离子的组成亦异。如南方的红壤，随着粘粒含量很高，但开垦以后，腐殖质含量不多，粘粒矿物以高岭石及水化氧化铁、铝为主，加上处于高温多雨的热带、亚热带气候下，土体受到高度淋溶，盐基离子大量损失，致使吸收的离子有相当数量的H+和Al3+，土壤呈酸性和强酸性反应，交换量很低，一般不超过58 me/100g土。在华北或西北干旱地区，土壤腐殖质含量不高，粘粒矿物以蒙脱石、水化云母为主。由于降水量少，淋溶较弱，吸收的离子以钙、镁为主，土壤呈中性或微碱性反应，交换量较高，可达1620 me/100g土或更高。碱化土或碱土的阳离子组成中有相当数量的Na+。据此，土壤吸收的阳离子的组成基本上分为三种类型，以Ca2+为主的中性或微碱性土壤类型；Na+占一定比例的碱化土和碱土类型；以H+、Al3+为主的酸性土壤类型。（四）土壤盐基饱和度 土壤交换性阳离子包括致酸离子如H+、Al3+和盐基离子Ca2+ 、Mg2+、Na+、K+、NH4+等。当胶体所吸附的阳离子都是盐基离子时，土壤呈盐基饱和状态，称为盐基饱和土壤。如果除盐基离子外，还有部分H+（或Al3+）离子，则为盐基不饱和土壤。交换性阳离子中盐基离子所占的百分数称为盐基饱和度。例：土壤的阳离子交换量为13.6 me/100g土（表23），而交换性盐基离子总量为3.6me/100g土，则该土壤的盐基饱和度为：表23 土壤阳离子交换量计算示例交换性阳离子每百克干土中阳离子克数摩尔原子量（即摩尔离子量）离子价离子的克当量每百克干土中当量数毫克当量数H+0.011110.0110盐基离子Ca2+Mg2+K+Na+0.040.0120.01560.0046402439232211201239230.0020.0010.00040.0002210.40.2阳离子交换量H+Ca2+ +Mg2+ +K+Na+=（me）/100g干土13.6由此可知，交换量大的土壤，如果盐基饱和度很低，则只能说明这种土壤保持养分的潜力很大，但不能说明含有较多的养分，相反说明该土壤酸度大，需要采取有效措施进行改良。肥沃的土壤不仅阳离子交换量大，而且盐基饱和度也高。盐基饱和度大的土壤，它的盐基离子分布在扩散层的也多，易于被植物吸收。一般认为，盐基饱和度以保持在7090%时较为理想。具有较高盐基饱和度和阳离子交换量的土壤，不仅有利于养分的积蓄和保存，而且在施肥量较多的情况下，也不会引起“烧苗”，又能不断解吸，供应植物吸收。盐基饱和度的大小与雨量、母质和植被有密切关系。一般干旱地区的土壤盐基饱和度高，多雨地区盐基饱和度低。我国从南到北，从东到西，除少数土壤外，盐基饱和度逐渐增高。大致以北纬33为界，此线以南，除少数受母质影响外，一般盐基饱和度都低。如有的红壤、黄壤，盐基饱和度在20%以下，甚至小于10%，呈强酸性。此线以北，除少数受针叶林植被影响外，多数为饱和度很高的土壤，例如东北的黑土，盐基饱和度可达8095%以上。二、土壤的阴离子交换吸收作用（一）阴离子交换吸收作用 阴离子交换吸收作用是指土壤中带正电荷胶体所吸收的阴离子相互交换的作用。它同阳离子交换作用一样，一般也是可逆反应，迅速达到平衡，并受质量作用定律的支配，平衡转移也与离子浓度有关。但是土壤中的阴离子交换吸收常和化学固定作用等交织在一起，很难截然分开。例如PO43-可以被土壤中的Ca2+、Fe3+和Al3+等化学固定，又能和粘粒表面的OH-相交换而固定在粘粒矿物上。土壤 土壤 OH- OOH- + KH2PO4 O P=O + KOH +2H2O OH- O（二）土壤对阴离子的交换吸收能力 土壤中的阴离子依其被土壤吸收的难易可分为三类：易被土壤吸收的阴离子，如磷酸根离子（HPO4-、HPO42-、PO43-）、硅酸根离子（HSiO3-、SiO32-）及某些有机酸的阴离子，这类离子常与阳离子起化学反应，产生难溶性化合物。很少被吸收，甚至不能被吸收的阴离子，如Cl-、NO3-、 NO2- 等。由于它们不能和溶液中的阳离子形成难溶性盐类，而且不被土壤负电荷吸收，所以极易随水流失。介于上述两者之间的阴离子，如SO42-、CO32-、HCO3- 以及某些有机酸的阴离子。由于土壤吸收SO42-、CO32-的能力较弱，在土壤含有大量Ca2+，且气候比较干燥的条件下，它们能起化学反应，形成难溶性的CaSO4或CaCO3。影响土壤对阴离子交换吸收力的因素主要有：离子价数 阴离子的价数愈高，吸收力愈强。阴离子吸收力的顺序是：Cl-、NO3-SO42-PO43-。Cl-、NO3-很少被吸收。土壤胶体种类及其组成 一般来说，含高岭石，水化氧化铁、铝较多的土壤，对阴离子的吸收作用较大。（三）土壤阴离子交换量 土壤能保持的交换性阴离子的数量称为阴离子交换量，也以每百克干土的毫克当量数表示。土壤阴离子交换量与土壤粘粒矿物成分及土壤酸碱度有关。土壤中含水氧化铁、铝胶体数量增多，则阴离子交换量加大。例如在PH5时，含水氧化铁、铝的阴离子交换量可达100150 me/100g土.三、离子交换吸收对土壤肥力的影响（一）使土壤具有保肥、供肥性能 土壤的保肥与供肥作用主要是通过离子交换实现的。土壤胶体与土壤溶液间能进行可逆的离子交换，既能吸收保蓄养分，减少流失，又能交换出离子态养分，供植物吸收利用。土壤 土壤 保肥 NH4+ = Ca2+ +2NH4+ + Ca2+ 供肥 NH4+ 土壤保肥性能和土壤吸收性能有着不可分割的联系。一般讲，土壤中养分的保存主要靠粘粒矿物和腐殖质。我国土壤中分布最广的粘粒矿物是蒙脱石、伊利石和高岭石。据中科院南京土壤研究所资料，华南、华中地区和丘陵山区红壤中的粘粒矿物以高岭土为主；江西、云南、四川等省的紫色土是以伊利石为主；在冲积物和沉积物上形成的水稻土因地区而有差异，如珠江下游地区以高岭石和伊利石为主，长江中下游和海河下游地区则以蒙脱石和伊利石为主；我国北方地区则以伊利石为主。由于这些粘土矿物表面都带有负电荷，所以能吸附保存各种阳离子态的养料，如Ca2+ 、Mg2+、Na+、K+、NH4+等。粘粒矿物种类不同，所带电荷量也不等，它们保存阳离子态养分的能力也有差异（表21，12）。蒙脱石保存阳离子态养料的能力最大，伊利石次之，高岭石为最小。此外，高岭石表面还有交换性Al3+，不易被肥料中低价离子如NH4+或K+所代替，所以它的保肥能力更小。腐殖质胶体带负电荷，可以保存阳离子态养料。由于土壤形成过程中自然条件等的不同，所形成的腐殖质的组成和功能团的含量也有差异，从而影响它的保肥性能，一般讲，它的阳离子交换量每百克约为350 me，较等量蒙脱石高37倍，较高岭石大3050倍。由于土壤有保肥性，施肥后肥料中的阳离子就能和土壤胶体上所吸附的阳离子进行交换。因此在施用化学肥料时，不仅要了解作物的需要，而且还要考虑到土壤的质地和粘粒矿物的种类及腐殖质的含量等。一般讲，土壤质地较粘重，粘粒矿物以蒙脱石或伊利石为主以及腐殖质含量较多的土壤，保肥能力较强，即使一次施肥较多，养料也不致流失。反之，土壤质地较轻，有机质含量较少时，保肥能力较弱。另外在酸性的红、黄壤上，虽然土壤质地较粘重，但由于粘粒矿物以高岭石为主，有机质含量又很少，宜多施有机肥料，改善土壤结构，增加土壤的保肥性，以提高土壤肥力。（二）使土壤具有缓冲性和稳肥性能 离子交换作用能稳定土壤溶液的酸碱反应。同样，也能使土壤溶液中的养分离子浓度得到调节。在一定范围内，可以避免高浓度或过酸、过碱对植物的危害，并能延长肥料的肥效，防止贪青疯长或脱肥落黄，从而使土壤具有一定的稳肥性能。（三）影响土壤的物理性和耕性 土壤胶体类型及交换性阳离子种类等对土壤物理性和耕性都有影响。土壤含有适当的腐殖质，能促进团粒结构的形成。当土壤交换性阳离子中钠占较大比例时（大于15%），土壤紧实板结，通透性不良。在粘粒矿物种类和数量相同的情况下，土壤的胀缩性随着土壤胶体吸收的阳离子组成而改变，其顺序为：Na+Ca2+Al3+。土壤的粘结性、粘着性取决于土、水界面的面积和性质，钠离子促使土壤胶体分散，增加有效接触面积，使粘结性、粘着性增大，而钙、镁等离子则能使土壤胶体凝聚，从而降低了土壤的粘结性和粘着性。（四）利用离子交换作用可以定向改良土壤 碱土形状不良的主要原因是由于交换性阳离子中含有大量的Na+。如果用Ca2+代换胶体上的Na+，然后通过合理灌排措施，排除钠盐，便可收到改良的效果。土壤 土壤 Na+ Na+ Na+ + CaSO4 + Na2SO4（排洗） Na+ Ca2+四、土壤吸收性能的调节（一）调节土壤胶体状况 对于保肥性能差的砂土，可增加其胶体物质的含量。有条件的可实行翻淤压砂，放淤压砂或掺粘改砂等。施用有机肥料或种植绿肥作物也是改良土壤胶体性状的重要措施。这样，既增加了土壤养分，又改善了土壤的物理性和结构性，从而提高了土壤的保肥与供肥能力。同时也可增强土壤的保水与供水能力，并减少水分的渗漏和养分的损失。（二）调节土壤交换性阳离子的组成 酸性土壤施用石灰，以Ca2+代换胶体上的H+，可改良土壤性质，并使土壤微生物（如固氮菌等）的活动加强。碱性土壤用Ca2+交换Na+，也可以受到良好效果。第三节 土壤酸碱性及缓冲性土壤的酸碱性是气候、植被以及土壤组成共同作用的结果，其中气候起着近于决定性的作用。因此，酸性和碱性土壤的分布和气候常有密切关系。在我国长江以南，地处亚热带和热带，土壤风化和土体淋溶都十分强烈，因而形成了强酸性反应的土壤，其中分布最广的是红、黄壤。在东北山地，处在冷湿的寒温带，降水较多，土体淋溶较强，也可形成弱酸性的土壤。在半干旱和干旱的华北和西北地区，降水少，土体淋溶弱，广泛分布着中性至微碱性的石灰性土壤。强碱化土壤和碱土，只在北方局部低洼地区出现，面积不大。一、土壤酸碱性的表示方法 土壤酸性或碱性通常用土壤溶液的PH值来表示。土壤的PH值表示土壤溶液中H+浓度的负对数值。；也可写成。纯水在室温（25）下解离出相等数量的H+和OH-，其浓度都是10-7摩尔离子/升，纯水反应呈中性，因此规定PH=7为中性。PH值小于7为酸性，PH值大于7为碱性。土壤的酸碱性也以此为准。我国一般土壤的PH值变动范围在49之间，多数土壤的PH值在4.58.5范围内，极少有低于4或高于10的。“南酸北碱”就概括了我国南北方土壤酸碱反应的地区性差异。通常把PH6.57.5的土壤称为中性，PH5.56.5的称为微酸性，PH在5.5以下的称为酸性，PH7.58.5的称为微碱性，PH8.5以上的称为碱性。二、土壤酸度的产生及种类（一）土壤酸性的产生生命活动 植物根系的活动以及土壤有机质的分解均可产生有机酸和二氧化碳。某些微生物产生的无机酸和硝化细菌产生的硝酸，硫细菌产生的硫酸等，都是土壤溶液中H+的来源，其中以普通存在的碳酸有更重要的作用。土壤中还有相当数量的盐基存在，因此，植物生命活动产生的酸并不能使溶液相应变酸。只有在降水多，土壤受到强烈淋溶，将钙、镁、钾、钠等盐基离子淋出土体的情况下，才能使土壤呈酸性反应。所以湿润气候带的土壤，除基性母质上形成的土壤外，几乎普遍呈酸性反应。土壤中活性铝的作用 土壤胶体上吸附的H+达到一定数量后，粘粒矿物的晶体遭到破坏致使粘粒矿物中的铝被溶解出来。土壤溶液中的活性铝按下面反应产生出H+：吸收性H+和Al3+的作用 胶粒上吸收的H+和Al3+可被其它阳离子代换到溶液中去，使土壤变成酸性。土壤 土壤 H+ Ca2+ H+ + Ca2+ + 2H+ H+ H+ 土壤 土壤 Al3+ Ca2+ + 3Ca2+ Ca2+ + 2Al3+ Al3+ Ca2+(二)土壤酸度的种类 土壤中H+的存在明显有两种形式，一是存在于土壤溶液中，一是吸收在胶粒表面。以此，土壤酸度可分为联众基本类型：活性酸度 又称有效酸度，是由土壤溶液中游离的H+所形成，通常用PH值来表示。潜性酸度 土壤胶体表面所吸收的交换性致酸离子（H+、Al3+），只有在转移到土壤溶液中，变成溶液中的H+时，才会使土壤显示酸性，所以这种酸称为潜性酸。通常用100克烘干土中氢离子的毫克当量数表示。土壤潜性酸与活性酸处在动态平衡之中，如下式：土壤胶体上的交换性H+、Al3+土壤溶液中的H+、Al3+（潜性酸） （活性酸）当土壤溶液中H+减少或盐基离子增加时，土壤胶体吸收的H+、Al3+就能脱离胶体进入溶液，变为活性酸。反之亦然。所以潜性酸是土壤酸度的根源，它是土壤酸度的容量指标，而PH值则是土壤酸度的强度指标。三、土壤碱性的产生及土壤碱度（一）土壤碱性的产生土壤中碱性盐的水解 土壤的碱性主要来自土壤中大量存在的碱金属和碱土金属如钠、钾、钙、镁的碳酸盐和重碳酸盐，其中以碳酸钙分布最为广泛。我国华北和西北地区的一些土壤碳酸钙含量较高，统称为石灰性土壤。碳酸盐可以水解：CaCO3 + H2O Ca(OH)2 + H2CO3H2CO3是弱酸，解离度很低，所以溶液呈碱性。其次是土壤空气中含二氧化碳，可与CaCO3作用形成碳酸氢钙。后者的溶解度大为提高，H+浓度也随之增加，从而使碱性降低。但一般土壤空气中二氧化碳含量多在12%以下，所以土壤溶液中的H2CO3含量不可能多到使石灰性土壤出现酸性反应，而是保持在微碱性（PH7.5左右）至碱性（PH8.5下）范围。当土壤溶液中出现易溶性的碱性盐（如碱金属的碳酸盐等强碱弱酸的盐类）时，土壤才会表现强碱性（PH8.5）。Na2CO3水解后的溶液，其PH值可高于910。在有机质高，含硫酸盐和嫌气条件下，Na2SO4被还原成Na2S，Na2S再与CaCO3作用形成Na2CO3，水解后产生大量的OH-。 嫌气细菌 ONa2SO4 + 4RCHO Na2S + 4RC OH (代表有机质)Na2S + CaCO3 Na2CO3 +CaSNa2CO3 +2H2O 2NaOH + H2CO3土壤胶体吸附的钠离子达到一定饱和度时，可起代换水解作用，使土壤呈碱性。土壤 土壤 Na+ + H2O H+ + NaOH (二)土壤碱度 土壤碱性强弱的程度称为碱度。土壤溶液的碱性反应也用PH值表示。含有碳酸钠、碳酸氢钠的土壤，PH值常在8.5以上。我国北方的石灰性土壤的实验室碱度测定值一般为PH7.58.5，而在田间测定为7.08.0.土壤的碱性还决定于土壤胶体上交换性钠离子的数量。通常把交换性钠离子的数量占交换性阳离子数量的百分比，称为土壤碱化度。一般碱化度为510%时，称为弱碱性土，20%的称为碱性土。四、土壤反应对土壤性质及作物生育的影响（一）影响作物的生长发育 不同植物对土壤酸碱性都有一定的要求，如茶树适于在酸性土壤上生长，棉花、苜蓿则耐碱性较强，但一般作物在弱酸、弱碱和中性土壤上都能正常生长。（二）影响养分的有效性 土壤中的氮、磷、钾、钙、镁等的有效性受土壤酸碱性变化的影响很大。图25中各营养元素的条带宽度只表示该元素在不同PH值时对植物的相对有效性，而没有绝对数量的含义。例如，钙、镁、钾在PH68时，其有效性最大，能充分满足植物的需要。氮、硫的最大有效性所要求的PH值与钙、镁相似，而铜和锌则在PH值5.5以下时溶解度最大。从图上可以看出，对植物最适宜的PH值约在6.5左右。（三）影响土壤的物理性质 在碱性土壤中，交换性钠增多，使土粒分散，结构破坏。在酸性土壤中，造成养分淋失、粘粒矿物分解，结构也遭受破坏。（四）影响微生物活动 微生物对土壤的反应也有一定的适应范围。土壤过酸或过碱都不利于有益微生物的活动。如在酸性土壤中，有益微生物（如固氮细菌、硝化细菌等）的活动大大减弱，影响氮、硫、磷等养分的转化。（五）影响植物对养分的吸收 土壤溶液中的碱性物质会促使细胞原生质溶解，破坏植物组织。酸性较强也会引起原生质变性和酶的钝化，影响植物对养分的吸收。酸度过大时，还会抑制植物体内单醣转化为蔗糖、淀粉及其它较复杂的有机化合物的过程。我国北方有大面积的碱性土壤，南方有大面积的酸性土壤。土壤过酸过碱都不利于植物的生长，需要加以改良。我国自古以来就用石灰改良酸性土壤，用石膏、明矾等改良碱性土壤的经验，应该总结提高。五、土壤缓冲性及其产生的原因 土壤缓冲性能是指土壤抵抗外来物质引起酸碱反应剧烈变化的能力，即在土壤中加入酸、碱物质后，土壤的PH值并不相应改变，仍保持其相对稳定的能力。由于土壤具有这种性能，可使土壤的酸碱度经常保持在一定范围内，避免因施肥、根系呼吸、微生物活动、有机质分解等引起土壤反应的显著变化。土壤产生缓冲能力的原因主要有：表24 土壤酸碱度和土壤肥力的关系土壤酸碱度极强酸性强酸性酸性中 性碱性强碱性极强碱性PH3.0 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5主要分布地区或土壤华南沿海的泛酸田华 南 黄 壤华 南 红 壤长江中下游的水稻土多呈中性西北地区和北方的石灰性土壤，苏北盐土含碳酸钠的碱土肥力状况土壤物理性质越酸因钙、镁离子减少，氢离子增多，土壤结构越易破坏，妨碍土壤中水分和空气的调节碱土中由于钠离子的作用，土粒分散，湿时泥泞不透水，干湿坚硬微生物越酸有益细菌活动越弱，而真菌的活动越强适宜于有益细菌如硝化细菌、固氮菌的生长越碱有益菌活动越弱氮素硝态氮的有效性降低氨化作用、硝化作用、固氮作用最为适宜，氮的有效性最高越碱氮的有效性越低磷素越酸磷越易被铁、铝碎固定，磷的有效性降低磷的有效性最高磷与钙结合，有效性降低磷与钠结合，有效性增加钾、钙、镁越酸有效性越低有效含量随PH增高而增高钙镁的有效性降低铁越酸铁越多，作物易受害越碱有效性越低硼、锰、铜、锌越酸有效性越高越碱有效性越低（但PH值8.5以上，硼有效性最高）钼越酸有效性越低越碱有效性越高有毒物质越酸铝离子、有机酸等有毒物质越多盐土中过多的可溶性盐类以及碱土中的碳酸钠对植物有毒害野生指示植物酸性土：铁芒箕、映山红、石松等钙质土：蜈蚣草、铁丝蕨、南天竺等盐土：虾须草、盐蒿、扁竹叶、圣柳等碱土：剪刀股、碱蓬、牛毛草、麻路、藜等石灰、石膏需要除喜酸和耐酸作物外，土壤越酸越需施石灰PH值6.5以上不需施用石灰石膏可以改良碱土化肥施用酸性土壤施用碱性肥料碱性土壤施用酸性肥料（一）土壤具有交换吸收作用 当向土壤加入酸或碱性物质时，这些物质可与胶体上的阳离子进行交换，生成水及中性盐。土壤 土壤 Ca2+ Ca2+ K+ K+ + 2HCl H+ + Ca Cl2 Ca2+ H+土壤 土壤 K+ K+ Ca2+ Ca2+ H+ + Na+ + H2O H+ H+从上列反应式可以看出，盐基饱和度高的土壤，对酸的缓冲能力强；而盐基饱和度低的土壤，对碱的缓冲能力强。因此，土壤对酸或碱的缓冲能力都决定于胶体物质的含量和品质。粘质土壤的缓冲能力大于壤土，而壤土的缓冲能力又比砂土强。腐殖质丰富的土壤比缺乏腐殖质的土壤有较大的缓冲能力。土壤的缓冲性与土壤的吸附性之间存在着一致的关系。（二）土壤溶液中存在着弱酸及其盐类 土壤中含有多种弱酸如碳酸、磷酸、硅酸、有机酸及其盐类，构成缓冲系统，它们对酸碱均有缓冲作用。（三）两性物质 土壤中的蛋白质、氨基酸、胡敏酸等都是两性物质，既能中和酸又能中和碱。RCHCOOH + HCl = RCHCOOH NH2 NH2HCl（氨基酸） （氯化氨基酸）RCHCOOH + NaOH= RCHCOONa +H2O NH2 NH2（氨基酸） （氨基酸钠）土壤缓冲性能在生产上有重要作用。例如施用硫酸铵后，残留硫酸所解离出的H+会使土壤溶液变酸，但因有离子交换作用，H+被吸收到胶体上，而等当量的其它离子如Ca2+等被交换到土壤溶液中，因而土壤溶液不会急剧变酸。采取增施有机肥料及在砂土中掺入塘泥等方法，可以提高土壤的缓冲能力。第四节 土壤孔隙性土壤是一个疏松的多孔体。土粒与土粒之间或土团与土团之间通过点、面的接触，形成大小不等形状各异的空间，这些空间就称为土壤孔隙。土壤孔隙不仅是土壤水分、空气存在和根系活动的场所，而且是物质和能量交换的通道。例如大孔隙可以通气、透水，小孔隙能够保水保肥。土壤孔隙的多少、大小、比例和性质概称为土壤的孔隙性。它包括孔隙类型（孔隙的大小）和孔隙度（孔隙的多少）两个方面。前者决定着气、液两相的比例，后者决定着土壤气、液两相的总量。一、土壤孔隙的类型 通常把土壤孔隙分为空气孔隙、毛管孔隙和无效孔隙三种类型。但三者的大小的具体界限很难划分。直径0.002的极细孔隙中，由于它与根毛的根系差不多，这种孔隙因被水充塞，空气不能流通，有的根毛也难以插入，所以被称为无效孔隙（非活性孔隙）。土壤中能够通过毛管力保持水分的孔隙，称为毛管孔隙（细孔）。土壤中不能保持水而经常充气的孔隙称为空气孔隙。空气孔隙的多少直接影响土壤的通气、排水能力。如果大孔隙里经常充满水，就失去通气作用，气体的正