土壤的孔性.ppt

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 soilporosity 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 soilrelativedensity 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 soilbulkdensity 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 00 1 80g 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 14 1 26g cm3之间比较适宜 计算土壤的重量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 15t m3 求每公倾耕层0 20cm的土重 ms 100 100 0 2 1 15 2300t 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 15t m3 有机质含量为1 则每公倾耕层土壤有机质含量为 2300t 1 23t 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 5 104Pa 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 5 104Pa 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 相互团聚成大小 形态和性质不同的团聚体 这种团聚体称为土壤结构 soilstructure 或叫土壤结构体 3 1 2 1土壤结构的类型 1 块状结构 blockystructure 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 subangularstructure 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 columnarstructure 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 棱角不明显无定形者 称为圆柱状结构 4 片状结构 platystructure 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 spheroidalstructure 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 alternationofdryingandwetting 冻融交替作用 alternationoffreezingandthawing 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 soiltilth 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 soilcolloid 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 inorganiccolloid 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 H2OAl 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1 1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2 1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2 1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 organiccolloid 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 mineralcomplex 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 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 cationexchangecapacity 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 soilreaction 3 3 1土壤酸性 soilacidity 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 activeacidity 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 potentialacidity 潜性酸度是指土壤胶体上吸附的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 exchangeableacidity 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 hydrolyticacidity 用弱酸强碱盐溶液 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 soilalkalini