土壤学第二章-土壤性质水文

,第二章土壤的基本性质（Soilbasiccharacteristics）,2-1土壤孔隙性与结构性,2-2土壤胶体与离子交换作用,2-3土壤酸碱性,2-4土壤通气性与氧化还原性,2-5土壤热性质,2-6土壤养分状况,2-1土壤孔隙性与结构性2-1soilporosity、structure,一、土壤孔隙性,土壤孔性：土壤孔隙的数量、大小及其比例等性质,（一）四个概念,1.土粒容重：又称土粒（相对）密度，是单位体积固体土粒的烘干重（与4时同体积水重之比）。受土壤矿物组成、土壤有机质含量的影响。一般取值为2.65（gcm-3）。,2.土壤容重（soilbulkdensity）：（1）概念：单位体积土体（包括粒间孔隙）的烘干重，单位为gcm-3或tm-3。（原状土壤的“密度”）旱地土壤在1.141.26g/cm3之间最适宜。,（2）影响因素：土壤的矿物组成和含量土壤有机质含量土壤质地土壤结构土壤松紧度人类活动,3.土壤孔隙度：土壤孔隙的数量指标，即单位体积土壤中孔隙体积占整个土壤体积的百分数。,土壤孔隙比：土壤中孔隙体积与土粒体积的比值。,结构良好的耕层土壤的孔隙比应1,（二）土壤孔隙类型,1.当量孔径：与一定的土壤水吸力相当的孔径，它与土壤孔隙的形状及其均匀度无关。,d：当量孔径，mmS：土壤水吸力，100Pa（mbar）,2.土壤孔隙类型：,无效孔隙（非活性孔隙）（inactivepore）：d1.5105Pa几乎始终充满无效水，与土粒大小和分散度有关,毛管孔隙（capillarypore）：0.002mmS1.5104Pa可保持毛管水，也可通气,通气孔隙（aerationpore）：d0.02mm，S1.5104Pa经常被空气占据，重力水的通道,用质量为100g、体积为100cm3的环刀取原状土，环刀与土壤的总质量为240g，105下烘干8h后称重为220g。已知该土壤的孔隙度为52%，求土粒密度和土壤容重。,二、土壤结构性,土壤结构：土壤各粒级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，这些团聚体称为土壤结构，或土壤结构体。,（一）土壤结构体的类型,块状结构体（blocky）：“坷垃”，近立方体，,2.核状结构体（subangular）：“蒜瓣土”，棱角明显，表面常有褐色胶膜，多出现于缺乏有机质的心、底土。,3.柱状、棱柱状结构体（columnar）：“立土”，纵轴大于水平轴，立柱状，边面不明显的称柱状，边面棱角明显的称棱柱状。常出现于底土层。,片状结构体（platy）：“卧土”，水平轴大于纵轴，扁平状，厚度1-5mm。常出现与犁底层和雨后或灌溉地表结壳。,上述结构体的共性：个体较大，内部紧实致密，由粒径较均一的土壤颗粒直接团聚而成，粒间孔隙小而少，孔径相近。,团粒结构（spheroidal）：“米糁子”，近似球形，疏松多孔的小团聚体，直径0.2510mm之间；X+,由大到小顺序：Fe3+、Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+、K+Na+,（3）离子浓度同一种离子，浓度越大、交换能力越大。,（2）离子半径、离子水化半径同价离子，离子半径越大、水化半径越小，交换能力越大。(H+除外),3.土壤阳离子交换量(Cationexchangecapacity，CEC)一定pH条件下，每kg干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数，单位是cmol/kg或cmol(+)/kg。CEC是土壤保肥性的重要指标。,20cmol(+)/kg保肥性强2010cmol(+)/kg保肥性中矿质胶体2:1型粘土矿物1：1粘土矿物铁、铝氧化物,影响因素：（1）胶体数量土壤胶体物质越多，CEC越大,4.盐基饱和度(Basesaturationpercentage)土壤中交换性盐基离子（K+、Na+、NH4+、Ca2+、Mg2+等）总量占阳离子交换量的百分数。,盐基离子(Bases)：K+、Na+、NH4+、Ca2+、Mg2+等阳离子。,酸离子（Acidicions）：H+、Al3+离子。,盐基饱和度与土壤酸碱性的关系：我国干旱半干旱的北方地区，土壤盐基饱和度大，土壤的pH值高；多雨湿润的南方地区，土壤盐基饱和度小，土壤pH值低。,盐基饱和度与土壤肥力的关系：盐基饱和度80%肥沃；盐基饱和度50%80%肥力中等；盐基饱和度PO43-SO42-NO3-、Cl-（2）胶体组分：水化氧化铁、氧化铝胶体含量越高，土壤吸收阴离子的能力越强（3）土壤pH值：pH值越低，土壤吸收阴离子的能力越强,（三）土壤离子交换作用对土壤的影响,1.影响土壤物理性状Na使土壤颗粒分散，结构破坏Ca使土壤颗粒凝聚，形成水稳性结构体,2.影响土壤养分有效性养分离子从土壤胶体上被交换到土壤溶液中，易被作物吸收（有效性提高），但也易流失,提问,求两土壤的CEC、盐基饱和度，并比较两土壤的保肥性。,2-3土壤的酸碱反应,土壤酸碱性产生的原因（一）气候因素热带地区气温高、降雨量大，造成土壤中盐基成分的淋失，使土壤逐渐酸化；干旱地区，降雨量远远低于蒸发量，盐基成分易积累，使土壤向碱化方向演化。我国“南酸北碱”。（二）母岩、母质因素母岩为酸性岩易发育为酸性土壤，基性岩则相反。（三）生物因素生物产生的CO2溶于水产生的H+易导致土壤酸化。植被不同，残体成分不同，影响土壤酸碱性。（四）施肥和灌溉长期施用酸性化肥如(NH4)2SO4、KCl等造成土壤酸化等。,一、土壤酸性（Soilacidity）由土壤溶液中的H+和土壤胶体上吸附的酸离子（H+和Al3）引起的土壤反应。,（一）活性酸度（activeacidity）土壤溶液中游离的H所直接显示的酸度。用pH值表示：pHlgH是土壤酸碱性的强度指标,（二）潜性酸度（potentialacidity）土壤胶体上吸附的H、Al3所引起的酸度，只有转移到土壤溶液中形成游离的H才显示出酸性。用1kg烘干土中氢离子（或正电荷）的厘摩尔数（cmol）表示：cmol(H+)/kg或cmol(+)/kg是土壤酸性的容量（数量）指标是土壤酸度的主体,1.交换性酸度(exchangeableacidity)用过量的中性盐溶液（1mol/LKCl、NaCl等）浸提土壤时，土壤胶体表面上的H+、Al3大部分进入到土壤溶液，再用标准碱液滴定测得的酸度。,2.水解性酸度(Hydrolyticacidity)用过量的弱酸强碱盐溶液（1mol/LNaOAc）浸提土壤时，从土壤中交换出来的H+、Al3进入土壤溶液所产生的酸度。,实验测得的水解性酸度包括了潜性酸度和活性酸度的总和，可作为酸性土壤改良时计算石灰施用量的依据,二、土壤碱性（Soilbasicity/alkalinity）由土壤中的交换性Na以及Na的弱酸盐（Na2CO3、NaHCO3）水解所产生的OH-引起的土壤反应。,表示方法：1、pH值2、总碱度总碱度CO32-+HCO3-cmol(+)/L,3、碱化度（degreeofalkalisation）,三、土壤缓冲性（Soilbufferpower）土壤抗衡酸、碱物质，减缓土壤pH值变化的能力。常用土壤缓冲容量表示，即缓冲一个pH单位所需要的酸或碱的数量。实际上，土壤对营养元素、污染物质、氧化还原及外界环境变化等的减缓能力都属于广义土壤缓冲性的范围。,（一）土壤酸碱缓冲作用的机制,影响因素：,1.土壤胶体上的交换性阳离子加入酸：,加入碱：,阳离子交换量越大，酸碱缓冲能力越强,盐基饱和度越大，对酸的缓冲能力越强；盐基饱和度越小，对碱的缓冲能力越强,2.土壤溶液中的弱酸及其盐,碳酸及其盐类、硅酸及其盐类弱酸缓冲碱，弱酸盐缓冲酸,H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2ONa2CO3+2HCl=H2CO3+NaCl,3.土壤中的两性物质同时含有酸性基团(如羧基)与碱性基团(羟基、胺基),4.酸性土壤中铝体系pH5，Al3+与OH-结合为Al（OH）3沉淀，失去对碱的缓冲能力,（二）土壤酸碱缓冲作用的作用,1.使土壤的pH不致因施肥、根系呼吸、有机质分解等引起剧烈变化，为植物生长和微生物活动创造一个稳定良好的土壤环境条件。,2.土壤酸、碱性改良时应充分考虑到土壤的缓冲性。,四、土壤酸碱反应与生物环境,1.影响土壤养分的有效性,土壤pH在6.5左右各种营养元素的有效性最大N、K、S在中、碱性土壤中的有效性大P在pH67时有效性最大，pH7时易产生磷酸钙沉淀Ca、Mg在pH6.58.5时有效性最大Fe、Mn、Cu、Zn在酸性条件下有效性大；Mo在pH6时有效性增大；B在pH6.07.0的中性土壤和pH8的强碱性土壤中有效性大，在酸性土壤和石灰性土壤中有效性低,2.影响土壤微生物的活性细菌和放线菌适于中性微碱性环境，在pH5.5的强酸性土壤中活性降低真菌对pH的适应范围很宽,3.影响土壤粘土矿物类型和结构性酸性土中的H+和Na+使土壤颗粒易于分散，结构易破坏酸性条件下易形成高岭石，碱性条件下易形成伊利石,4.作物的酸碱适应性,2-4土壤的通气性与氧化还原性,（一）土壤通气性的含义,即土壤气体交换的性能，指土壤与近地表大气之间的气体交换以及土体内部的气体交换过程。,一、土壤的通气性,（二）土壤空气的运动,1.土壤空气扩散（soilairdiffusion）,F：单位时间通单位面积的气体量D：扩散系数dcdx：气体浓度（分压）梯度,FDdcdx,气体浓度（分压）梯度是土壤气体扩散作用的主要动力，它使土壤气体各组分从浓度高的地方向浓度低的地方运动：O2进入土壤，CO2排出土壤土壤呼吸（soilrespiration）,2.土壤空气整体交换,土壤空气在温度、气压、风、降雨或灌水等因素的作用下整体排出土壤，同时大气也整体进入，又称整体流动，交换速度较快。推动力：总气压梯度,（三）影响土壤通气性的因素,1.土壤与大气间的温度和气压差,2.土壤含水量的变化,3.土壤通气孔隙的大小、数量、联通状况,4.土壤与大气间的O2、CO2浓度差,（四）土壤通气性的指标,1.土壤呼吸系数,单位时间内、单位面积的土壤表面扩散出的CO2与O2体积的比率一般应接近1，大于1说明土壤通气性差,2.土壤中氧的扩散率（ODR）,单位时间（1min）内扩散通过每cm2土层的氧的g数，g/(cm2min),3.土壤通气量,单位时间内、单位压力下，通过单位体积土壤的空气总量（CO2O2），mL/(cm3s),4.土壤通气孔隙度,土壤中通气孔隙的百分率，10-20为宜,5.土壤氧化还原电位,（一）土壤中的氧化还原体系,五、土壤的氧化还原性,由土壤溶液中氧化物态物质和还原态物质的浓度变化而产生的电位（V或mV）。,E0：标准氧化还原电位，体系中氧化态和还原态物质浓度相等时的电位，因pH不同而异n：反应中电子转移数,（二）土壤的氧化还原电位（soilredoxpotential，Eh）,土壤中主要的氧化剂是大气中的氧进入土壤中，与土壤中的化合物起作用，得到两个电子而还原为O2-；土壤氧化态物质浓度越大，Eh值越大，故Eh可以反应土壤氧的分压，进而可以评价土壤通气性的强弱。,2-5土壤热性质,一、土壤热量来源与平衡,（一）来源1太阳的辐射能主要来源，地球大气圈顶部获得的平均太阳辐射强度为1.9cal/cm2/min太阳常数2.生物热土壤微生物分解有机质过程中释放的热量3.地球内热由地球内部的岩浆传导至地表的热。,（二）土壤热量平衡,二、土壤热性质,（一）土壤热容量（Soilheatcapacity）单位质量或单位容积的土壤在温度每升高或降低1K时所吸收或放出热量。,质量热容量（C）：J/(gK)。容积热容量（Cv）：J/(cm3K)Cv=Cd,C(Cv)越大，土壤温度变化越慢；反之，土温变化频繁。,主要影响因素：土壤含水量，通过灌排调节土壤温度,一年四季中，如何调控土壤含水量以稳定土温？,（二）土壤导热率（Soilthermalconductivity,）在单位厚度（1cm）土层的温差为1K时，每秒经单位面积（1cm2）土壤断面的热量焦耳数。单位：J/(cmKS)。,