《土壤地理学》-Ch3-15年版

1、土壤地理学土壤地理学第第3 3章章 土壤流体组成及其诊断特性土壤流体组成及其诊断特性主要内容主要内容3.1 土壤空气及其运动土壤空气及其运动3.2 土壤热量状况土壤热量状况3.3 土壤水分及其特性土壤水分及其特性3.4 土壤分散系及其特性土壤分散系及其特性3.5 土壤肥力与生态系统功能土壤肥力与生态系统功能本章教学重点本章教学重点1、掌握土壤流体物质组成及其主要诊断特性、掌握土壤流体物质组成及其主要诊断特性2、了解土壤空气及其运动、掌握土壤热量状况、了解土壤空气及其运动、掌握土壤热量状况3、认识土壤水分类型、土水势及土壤水分状况、认识土壤水分类型、土水势及土壤水分状况4、理解土壤分散系及其中物

2、质转化过程、理解土壤分散系及其中物质转化过程5、掌握土壤肥力与生态环境功能、掌握土壤肥力与生态环境功能本章知识结构本章知识结构认识土壤流体组成认识土壤流体组成了解土壤空气、土了解土壤空气、土壤水运动特征，土壤水运动特征，土壤水热状况壤水热状况熟悉土壤分散系、粒熟悉土壤分散系、粒子转化、土壤生态环子转化、土壤生态环境功能及其调控境功能及其调控3.2 土壤热量状况土壤热量状况3.4 土壤分散系及特征土壤分散系及特征3.1 土壤空气及其运动土壤空气及其运动3.3 土壤水分及特性土壤水分及特性3.5 土壤生态环境功能土壤生态环境功能3.1 土壤空气及其运动土壤空气及其运动导入导入 土壤气相，即土壤空气

3、，是土壤三相组成之土壤气相，即土壤空气，是土壤三相组成之一。土壤虽然是一个开放系统，但由于土壤孔隙一。土壤虽然是一个开放系统，但由于土壤孔隙中的气体活动特征明显异于大气层，所以土壤空中的气体活动特征明显异于大气层，所以土壤空气与近地大气层空气有着很大的不同。气与近地大气层空气有着很大的不同。1、土壤空气组成、土壤空气组成 位于地球表面的土壤位于地球表面的土壤(圈圈/系统系统)是一个开放系统，与地球表是一个开放系统，与地球表面的其它系统有能量和物质的交互。所以，土壤气相的组成面的其它系统有能量和物质的交互。所以，土壤气相的组成与大气组成也基本相同。与大气组成也基本相同。 土壤气相的主要组成：与大

4、气主要组成相同，即土壤气相的主要组成：与大气主要组成相同，即N2、O2和和CO2，但含量却有较大差别；，但含量却有较大差别； 土壤气相的微量气体：与大气中的微量气体差别较大，它土壤气相的微量气体：与大气中的微量气体差别较大，它们以还原性气体为主，包括：们以还原性气体为主，包括：CH4、H2S、NH3等等各种气体在土壤中的含量各种气体在土壤中的含量 见下页见下页 解释解释1 导致土壤空气中导致土壤空气中N2、O2和和CO2含量含量 与大气层不同的主要原因是与大气层不同的主要原因是土壤呼吸作用。土壤呼吸作用。 土壤呼吸作用：土壤中的有机体土壤呼吸作用：土壤中的有机体-包括植物根系和土壤微生物包括植

5、物根系和土壤微生物-它们的生命活动，以及土壤有机质的转化，都需要吸取氧气，并它们的生命活动，以及土壤有机质的转化，都需要吸取氧气，并释放二氧化碳，土壤中这种与生命活动有关的气体交换作用叫土释放二氧化碳，土壤中这种与生命活动有关的气体交换作用叫土壤呼吸作用。壤呼吸作用。 土壤的呼吸作用的结果是：不断减少土壤空气中的氧气，而不土壤的呼吸作用的结果是：不断减少土壤空气中的氧气，而不断增加其中的二氧化碳，从而导致土壤空气中的氧气比近地大气断增加其中的二氧化碳，从而导致土壤空气中的氧气比近地大气层低，二氧化碳则比大气层高；层低，二氧化碳则比大气层高； 表中没有列出土壤空气中氮气表中没有列出土壤空气中氮气

6、(N2)的含量数据，它与大气中的的含量数据，它与大气中的含量相似含量相似(78%,体积比体积比)； 随着土壤深度增加，随着土壤深度增加，CO2含量明显增大，含量明显增大，O2含量则明显减少；含量则明显减少； 除了土壤呼吸作用外除了土壤呼吸作用外(这是最重要的原因这是最重要的原因)，土壤中的细小孔隙，土壤中的细小孔隙使土壤空气与大气层的气体交换减慢和延缓，也是原因之一。使土壤空气与大气层的气体交换减慢和延缓，也是原因之一。解释解释2地球大气地球大气CO2浓度浓度 若干十万年以来，地球大气的二氧化碳在若干十万年以来，地球大气的二氧化碳在0.020.03%之间之间变化。但自从十八世纪工业革命以来，二

7、氧化碳浓度急剧地和变化。但自从十八世纪工业革命以来，二氧化碳浓度急剧地和大幅度地增加，明显超出大幅度地增加，明显超出0.03而接近而接近0.04%。 这是由于大量使用化石燃料煤、石油、天然气。参看以下这是由于大量使用化石燃料煤、石油、天然气。参看以下两幅示意图。两幅示意图。 把换算为把换算为ppm(v)，见解释，见解释3历史时期二氧化碳变化历史时期二氧化碳变化10万年前万年前40万年前万年前当代地球大气二氧化碳，夏威夷某地，当代地球大气二氧化碳，夏威夷某地，1960年年-2010年年小图：小图：年际变年际变化化解释解释3物质浓度的表示：物质浓度的表示：%与与ppm 百分比百分比(%)是常用物质

8、浓度表示方法，但浓度不能精确表示物是常用物质浓度表示方法，但浓度不能精确表示物质浓度，只能大概或约略地表示质浓度，只能大概或约略地表示 可以精确表示物质浓度的方法是可以精确表示物质浓度的方法是ppm。ppm：parts per millions，百万分之百万分之x，是最重要最常用的物质浓度，是最重要最常用的物质浓度(含量含量)精确比例，指精确比例，指100万万份母体份母体(或基质或基质)中对象物的份数，常用于液相、固相母体中物质浓中对象物的份数，常用于液相、固相母体中物质浓度或含量表示，由于其是比例关系，具体应用于液度或含量表示，由于其是比例关系，具体应用于液/固时有对应浓度固时有对应浓度单位

9、。单位。 液相母体或基质，与液相母体或基质，与ppm对等的浓度单位有：对等的浓度单位有：mg/L、 g/ml 固相母体或基质，与固相母体或基质，与ppm对等的浓度单位有：对等的浓度单位有：mg/kg、 g/g 百分浓度与百分浓度与ppm的换算关系：的换算关系：1%=10000ppm 扩展：气体中物质浓度常用扩展：气体中物质浓度常用“物质重量物质重量/母体气体体积母体气体体积”表示，表示，如大气污染物浓度多以如大气污染物浓度多以mg/m3表示表示(但但PM颗粒物却是以颗粒物却是以 g/m3表示！表示！)。 但前述的但前述的CO2浓度浓度ppm，并不是，并不是mg/m3 ，就是，就是ppm，即在，

10、即在100万万份体积的空气中，份体积的空气中，CO2的体积份数为的体积份数为300400份，若要以份，若要以mg/m3 表示，表示，还需换算。而按惯例，还需换算。而按惯例，CO2多以表示。多以表示。2、土壤气体交换过程土壤的通气性、土壤气体交换过程土壤的通气性 土壤中不断进行的动植物呼吸作用和微生物对有机质物的土壤中不断进行的动植物呼吸作用和微生物对有机质物的生物化学分解作用，使得土壤空气中生物化学分解作用，使得土壤空气中O2不断消耗和不断消耗和CO2逐渐累逐渐累积，其结果是土壤空气中积，其结果是土壤空气中O2、CO2浓度与近地层大气中浓度与近地层大气中O2、CO2浓度之间差异的扩大，这样必然

11、引起浓度之间差异的扩大，这样必然引起O2、CO2气体分子扩散气体分子扩散的发生，见下图。的发生，见下图。 土壤空气与大气层在土壤空气与大气层在O2和和CO2的浓度差，导致两个体系之间的浓度差，导致两个体系之间的气体交换；的气体交换； 按照物理学原理，由于浓度差别导致的气体交换行为叫扩散按照物理学原理，由于浓度差别导致的气体交换行为叫扩散高浓度体系中的气体分子向低浓度体系扩散；高浓度体系中的气体分子向低浓度体系扩散； 影响气体扩散的因素有影响气体扩散的因素有 环境条件，包括：近地大气层的气压、风速、温度环境条件，包括：近地大气层的气压、风速、温度 土壤本身条件，包括：土壤质地、结构、孔隙状况、温

12、度、土壤本身条件，包括：土壤质地、结构、孔隙状况、温度、 土壤水分状况、土壤有机质含量土壤水分状况、土壤有机质含量 总体评价土壤空气与近地大气层的气体交换状况，就是土壤总体评价土壤空气与近地大气层的气体交换状况，就是土壤的通气性。的通气性。 交换状况良好，为通气性；交换状况较差或不良，为厌气性。交换状况良好，为通气性；交换状况较差或不良，为厌气性。3.2 土壤热量状况土壤热量状况导入导入 土壤热量状况是土壤的重要物理性状之一。影响土土壤热量状况是土壤的重要物理性状之一。影响土壤热量状况的主要因素有：壤热量状况的主要因素有： 土壤吸收的净热量；土壤吸收的净热量； 使土壤温度变化所需热量；使土壤温

13、度变化所需热量； 土壤水相态转化及其扩散所需热量；土壤水相态转化及其扩散所需热量； 土壤物质迁移转化所消耗或释放的热量土壤物质迁移转化所消耗或释放的热量1、土壤热量来源与热量平衡、土壤热量来源与热量平衡地球表层能量平衡模式图地球表层能量平衡模式图土壤热量的收入：土壤热量的收入： 太阳辐射、大气逆辐射、大气凝结潜热；太阳辐射、大气逆辐射、大气凝结潜热； 地热；地热； 土壤物质转化过程释放的化学能土壤物质转化过程释放的化学能 人类农业耕作操作中施加给土壤的化学能人类农业耕作操作中施加给土壤的化学能土壤热量的支出：土壤热量的支出： 土壤对太阳辐射的反射；土壤对太阳辐射的反射； 土壤的蒸发与蒸腾作用土

14、壤的蒸发与蒸腾作用最终，土壤系统的热量收支处于基本平衡状态。最终，土壤系统的热量收支处于基本平衡状态。 关于地球表层的能量平衡，气象学有详细完备的讨论，此处关于地球表层的能量平衡，气象学有详细完备的讨论，此处不作深入展开，请参照有关教材。不作深入展开，请参照有关教材。2、土壤的热学性质、土壤的热学性质2.1、土壤热容量、土壤热容量定义定义物质的热容量分质量热容量物质的热容量分质量热容量(或：重量热容量或：重量热容量)和容积热容量。和容积热容量。 1g物质温度升高物质温度升高(或降低或降低)1个单位个单位(常用开尔文温度常用开尔文温度K)所吸收所吸收(或放或放出出)的热量，称质量热容量，单位：的

15、热量，称质量热容量，单位：J/(gK)焦耳焦耳/(克克开尔文度开尔文度) 1cm3的物质温度升高的物质温度升高(或降低或降低) 1个单位个单位(常用开氏度常用开氏度K)所吸收所吸收(放出放出)的热量，称容积热容量，的热量，称容积热容量，单位：单位：J/(cm3 K)焦耳焦耳/(立方厘米立方厘米开尔文度开尔文度) 土壤常见组分的热容量数据见下表土壤常见组分的热容量数据见下表关于热容量的量纲和单位关于热容量的量纲和单位质量热容量的量纲：热量质量热容量的量纲：热量/重量重量温度，温度， 常用单位：常用单位：J/(g K)焦耳焦耳/(克克开尔文度开尔文度)，或：，或：kJ/(kg K)千焦千焦/(千克

16、千克 开尔文度开尔文度) 容积热容量的量纲：热量容积热容量的量纲：热量/长度长度3温度，温度， 常用单位：常用单位：J/cm3 K焦耳焦耳/(立方厘米立方厘米开尔文度开尔文度)，或：，或：MJ/m3 K兆焦兆焦/(立方米立方米开尔文度开尔文度) 热量的旧单位为热量的旧单位为“卡卡(也称：卡路里也称：卡路里)” ，现已取消不用，卡，现已取消不用，卡(cal)与焦耳的换算关系为：与焦耳的换算关系为：1cal=4.18j 水的热容量最大，固体的热容量次之，气体水的热容量最大，固体的热容量次之，气体(如空气如空气)的热容的热容量最小；量最小； 注意，空气的质量热容量似乎不小，这是因为空气的比重很注意，

17、空气的质量热容量似乎不小，这是因为空气的比重很小，比较一下它的容积热容量，极小，就不难得出本结论；小，比较一下它的容积热容量，极小，就不难得出本结论； 不同矿物之间的热容量差别不大不同矿物之间的热容量差别不大(红框部分红框部分)，这是因为它们，这是因为它们的组成元素差别不大。请注意：的组成元素差别不大。请注意：A、这仅是它们的物理性质中、这仅是它们的物理性质中的一种，不代表它们的其它物理性质也可能相似；的一种，不代表它们的其它物理性质也可能相似；B、这些矿、这些矿物的化学性质仍有明显差别，这与组成它们的元素之间的空间物的化学性质仍有明显差别，这与组成它们的元素之间的空间连接关系不同，从而导致它

18、们化学性质的差别。连接关系不同，从而导致它们化学性质的差别。2.2、土壤导热率、土壤导热率 定义：定义： 土壤导热率是指两个相互垂直的单位截面在单位距离土壤导热率是指两个相互垂直的单位截面在单位距离下，土壤温度相差下，土壤温度相差1开氏度开氏度(K)时，在单位时间内所传导的热量，时，在单位时间内所传导的热量，常用符号常用符号k表示，常用单位是表示，常用单位是J/msK，或，或W/mK 土壤导热率是衡量土壤物质传导热量快慢的物理量。例如，土土壤导热率是衡量土壤物质传导热量快慢的物理量。例如，土壤表层吸收热量而增温后，把热量传导至心土层和底土层的速度壤表层吸收热量而增温后，把热量传导至心土层和底土

19、层的速度快慢，但从单位看，是热量的大或小，所以，数值大表示导热率快慢，但从单位看，是热量的大或小，所以，数值大表示导热率快，数值小表示导热率慢快，数值小表示导热率慢 土壤三相组分的热传导率相差巨大：土壤矿物质土壤三相组分的热传导率相差巨大：土壤矿物质(固相固相)导热率导热率最快，在最快，在1.67410.465J/msK之间，水次之，为之间，水次之，为0.586J/msK；空气最小，仅空气最小，仅0.021J/msK， 影响土壤导热率的因素有：土壤孔隙状况、土壤水分含量、土影响土壤导热率的因素有：土壤孔隙状况、土壤水分含量、土壤紧实度，土壤孔隙越小、水分含量越高、结构越紧实，则土壤壤紧实度，土

20、壤孔隙越小、水分含量越高、结构越紧实，则土壤导热率越高。导热率越高。2.3、土壤热扩散率、土壤热扩散率 定义：土壤在吸收一定热量后，通过扩散的形式把热量传送到定义：土壤在吸收一定热量后，通过扩散的形式把热量传送到土壤的其它部分，所引起的土壤温度随时间的变化速率，为土壤土壤的其它部分，所引起的土壤温度随时间的变化速率，为土壤热扩散率，用符号热扩散率，用符号表示，单位为表示，单位为m2/s 土壤热扩散率与土壤导热率土壤热扩散率与土壤导热率k、土壤容积热容量、土壤容积热容量CV都有关系：都有关系： VCk 土壤热扩散率与土壤导热率成正比，与土壤容积热容量成反比。土壤热扩散率与土壤导热率成正比，与土壤

21、容积热容量成反比。怎样理解：怎样理解： 热容量大，表示物质可以吸收热容量大，表示物质可以吸收(“容纳容纳”)更多的热量，当然更不更多的热量，当然更不利于热量的扩散，所以热扩散率与热容量成反比。利于热量的扩散，所以热扩散率与热容量成反比。 导热与热扩散都属于热量的传递，只不过从不同的角度描述，导热与热扩散都属于热量的传递，只不过从不同的角度描述，所以两者成正比。所以两者成正比。土壤三相的热学特性相差也很大，见下表土壤三相的热学特性相差也很大，见下表3、土壤温度状况及其应用、土壤温度状况及其应用 前面介绍了土壤各种热学特性指标，其最终都反映到土壤温度前面介绍了土壤各种热学特性指标，其最终都反映到土

22、壤温度的变化以及变化的快慢上，所以，通过土壤温度归纳土壤热学特的变化以及变化的快慢上，所以，通过土壤温度归纳土壤热学特性，可以把较难理解的土壤热学特性藉土壤温度得到应用和落实性，可以把较难理解的土壤热学特性藉土壤温度得到应用和落实什么叫土壤温度状况？什么叫土壤温度状况？ 根据土壤温度的年变化情况，分为若干类，与相应的土壤类别根据土壤温度的年变化情况，分为若干类，与相应的土壤类别对应，从而体现出前者对应，从而体现出前者(即土壤温度即土壤温度)影响后者影响后者(即土壤类型即土壤类型)发育发展发育发展的因素。的因素。土壤温度状况应用土壤温度状况应用-构成土壤分类系统指标之一构成土壤分类系统指标之一

23、多种土壤分类体系都把土壤温度列为土壤的性状指标，例如，多种土壤分类体系都把土壤温度列为土壤的性状指标，例如，美国土壤系统分类、中国土壤系统分类，等等美国土壤系统分类、中国土壤系统分类，等等土壤温度状况应用中国土壤系统分类中的土壤温度状况土壤温度状况应用中国土壤系统分类中的土壤温度状况关于不同临界温度的意义，参看编辑界面下的备注关于不同临界温度的意义，参看编辑界面下的备注 以年平均温度以年平均温度(T)划分不同的土壤温度状况类型，与我们常划分不同的土壤温度状况类型，与我们常说的说的“年平均温度温度年平均温度温度xx度以上度以上/以下以下”完全相同，不过，这完全相同，不过，这里讨论的是土壤年平均温

24、度，而我们常说的，在多数情况下里讨论的是土壤年平均温度，而我们常说的，在多数情况下是指大气年平均温度；是指大气年平均温度； 美国土壤系统分类下的土壤温度状况分为美国土壤系统分类下的土壤温度状况分为6类，从最低温的类，从最低温的0以下，即以下，即“永冻温度状况永冻温度状况”到最高温的到最高温的“超高温温度状超高温温度状况况”； 中国土壤系统分类下的土壤温度状况分为中国土壤系统分类下的土壤温度状况分为7类，区别在于把类，区别在于把0以下的温度状况分为两类，以下的温度状况分为两类，“永冻土壤温度状况永冻土壤温度状况”和和“寒寒冻土壤温度状况冻土壤温度状况”； 意义：土壤温度的变化基本跟随大气温度的变

25、化，但有一意义：土壤温度的变化基本跟随大气温度的变化，但有一定的滞后性，更能体现出温度对土壤发育形成的影响；这种定的滞后性，更能体现出温度对土壤发育形成的影响；这种带有一定数量化的分类，有利于对土壤的性状也划分数量化带有一定数量化的分类，有利于对土壤的性状也划分数量化的类别；有利于土壤制图、制定土壤管理措施。的类别；有利于土壤制图、制定土壤管理措施。3.3 土壤水分及其特性土壤水分及其特性导入导入 水分是土壤的重要组成部分之一，土壤水水分是土壤的重要组成部分之一，土壤水分含量对土壤形成发育过程及肥力水平高低分含量对土壤形成发育过程及肥力水平高低都有重要的影响作用。都有重要的影响作用。 土壤水分

26、状况及其运动规律是土壤地理学、土壤水分状况及其运动规律是土壤地理学、资源环境科学的重要研究内容之一。资源环境科学的重要研究内容之一。1、土壤水分平衡与全球水平衡、土壤水分平衡与全球水平衡-全球水分循环示意图全球水分循环示意图2、土壤水分类型、土壤水分类型2.1、土壤水分类型的划分、土壤水分类型的划分土壤水在不同季节和天气状况下，其存在状态也会有不同的变土壤水在不同季节和天气状况下，其存在状态也会有不同的变化，这就是土壤水分类型，见下表。化，这就是土壤水分类型，见下表。土壤固态水土壤固态水 包括化学结合水和冰；包括化学结合水和冰； 化学结合水：包括组构水和结晶水化学结合水：包括组构水和结晶水 组

27、构水：一种特殊的化学状态水。土壤矿物表面以组构水：一种特殊的化学状态水。土壤矿物表面以H3O或或OH(羟基水羟基水)，而不是以正常的水分子，而不是以正常的水分子H2O形式存在。当矿物风形式存在。当矿物风化或在高温条件下可释放出来。化或在高温条件下可释放出来。 结晶水：以若干个独立的水分子形式与土壤矿物分子结合，结晶水：以若干个独立的水分子形式与土壤矿物分子结合，构成完整的矿物分子结构，一般以构成完整的矿物分子结构，一般以“矿物分子矿物分子n个水分子个水分子”化学化学分子式表示，例如：分子式表示，例如：CaSO4 2H2O、MgCl2 6H2O等，结晶水在等，结晶水在高温下可释放出来，且含有结晶

28、水的矿物分子释放结晶水后，高温下可释放出来，且含有结晶水的矿物分子释放结晶水后，其化学结构一般不会改变。其化学结构一般不会改变。 冰：顾名思义，冰是存在于寒冷地区的永冻土或冻土层中的冰：顾名思义，冰是存在于寒冷地区的永冻土或冻土层中的水分，由于常年在水分，由于常年在0以下，以冰的形式存在于土壤中。以下，以冰的形式存在于土壤中。液态水液态水 液态水由束缚水和自由水组成；液态水由束缚水和自由水组成； 束缚水：束缚水： 由土壤颗粒表面的吸附作用而保持在土粒表面的膜由土壤颗粒表面的吸附作用而保持在土粒表面的膜状水层。其中，紧靠着土粒表面的水由于后者强大的状水层。其中，紧靠着土粒表面的水由于后者强大的吸

29、附力而不能流动，称为紧束缚水，也叫吸湿水；在吸附力而不能流动，称为紧束缚水，也叫吸湿水；在紧束缚水的外围，也包围着土粒的水，土粒对其吸附紧束缚水的外围，也包围着土粒的水，土粒对其吸附力较弱，有力较弱，有 一定的流动性，称为松束缚水，也叫膜状一定的流动性，称为松束缚水，也叫膜状水。紧束缚水不能为植物利用，松束缚水可为植物部水。紧束缚水不能为植物利用，松束缚水可为植物部分利用。分利用。 自由水自由水 包括毛管水、重力水和地下水；包括毛管水、重力水和地下水； 自由水自由水1-毛管水：毛管水：指在土壤毛管作用力下保持和移动的液态指在土壤毛管作用力下保持和移动的液态水。水。 毛管：是指土壤中细小和连成通

30、道的孔隙，即连续孔隙。毛管：是指土壤中细小和连成通道的孔隙，即连续孔隙。 毛管水包括悬着毛管水和支持毛管水。悬着毛管水，指来毛管水包括悬着毛管水和支持毛管水。悬着毛管水，指来自降水和灌溉等从地面进入土壤的水分，在土壤毛细管作用下自降水和灌溉等从地面进入土壤的水分，在土壤毛细管作用下保持在土壤的上部，类似悬挂，顾名；支持毛管水，以地下水保持在土壤的上部，类似悬挂，顾名；支持毛管水，以地下水来源所形成的毛管水。来源所形成的毛管水。 毛管水的特点是可以上下左右自由移动，是植物可以利用毛管水的特点是可以上下左右自由移动，是植物可以利用的最重要的土壤水分类型。的最重要的土壤水分类型。 说明说明从左到右：

31、从左到右：土壤颗粒组成：土壤颗粒组成： 粘粒为主、粉粒为主、砂粒为主粘粒为主、粉粒为主、砂粒为主土壤质地：细致、中等、粗糙土壤质地：细致、中等、粗糙土壤孔隙大小：土壤孔隙大小： 微孔隙、中等孔隙、大孔隙微孔隙、中等孔隙、大孔隙土壤孔隙中的毛细管效果：土壤孔隙中的毛细管效果： 强、中等、弱强、中等、弱水分上升速度：慢、中等、快水分上升速度：慢、中等、快水分上升高度：高、中等、低水分上升高度：高、中等、低更详细的毛管水描述，请参阅更详细的毛管水描述，请参阅土壤地理学土壤地理学p.80毛细管知识，参阅维基(英文)词条：capillary自由水自由水2-重力水：重力水：借助重力作用而保持在土壤非毛管孔

32、隙中的借助重力作用而保持在土壤非毛管孔隙中的水。水。 非毛管孔隙：土壤中较大的孔隙不具备毛管作用，从毛管作用非毛管孔隙：土壤中较大的孔隙不具备毛管作用，从毛管作用看，属于非毛管孔隙。看，属于非毛管孔隙。 重力水主要在土壤大孔隙中向下移动，或沿坡向侧渗，所以重重力水主要在土壤大孔隙中向下移动，或沿坡向侧渗，所以重力水具有很强的淋溶作用，从化学角度，重力水是一种溶液，可力水具有很强的淋溶作用，从化学角度，重力水是一种溶液，可以溶解土壤中的盐分，并随重力水流出土体，即实现淋溶作用。以溶解土壤中的盐分，并随重力水流出土体，即实现淋溶作用。自由水自由水3-地下水：地下水：当地下水位较高时，土壤中的水实际

33、上就是当地下水位较高时，土壤中的水实际上就是地下水，主要存在于某些水成土中。地下水，主要存在于某些水成土中。气态水：指土壤孔隙中的水汽，其状态和移动特性取决于土壤温气态水：指土壤孔隙中的水汽，其状态和移动特性取决于土壤温度特征和水汽分压特征。度特征和水汽分压特征。2.2、土壤水分的有效性、土壤水分的有效性 概念：土壤水分有效性有两重含义，概念：土壤水分有效性有两重含义， 、水分在土壤中的保持和移动特性；、水分在土壤中的保持和移动特性； 、植物可以利用土壤中水分的效率、植物可以利用土壤中水分的效率(即水对植物的可用性即水对植物的可用性)。 可移动的水分为有效水，液态水从松束缚水到重力水均为有效水

34、，紧束可移动的水分为有效水，液态水从松束缚水到重力水均为有效水，紧束缚水是无效水，地下水视植物类型可为有效水或无效水；缚水是无效水，地下水视植物类型可为有效水或无效水； 能被植物利用的土壤水为有效水；不能为植物利用的土壤水为无效水；能被植物利用的土壤水为有效水；不能为植物利用的土壤水为无效水； 凋萎系数：当植物发生永久凋萎凋萎系数：当植物发生永久凋萎(即植物已经死亡，不能复生即植物已经死亡，不能复生)时，土壤时，土壤中仍然含有少量水分，其含水量即为凋萎系数，含义是令植物致死的水分中仍然含有少量水分，其含水量即为凋萎系数，含义是令植物致死的水分含量；含量； 低于凋萎系数的含水量是无效水，高于凋萎

35、系数的含水量是有效水；低于凋萎系数的含水量是无效水，高于凋萎系数的含水量是有效水； 影响凋萎系数的高低的因素包括：土壤质地、盐分含量、气候条件、甚影响凋萎系数的高低的因素包括：土壤质地、盐分含量、气候条件、甚至不同植物的凋萎系数也有不同。至不同植物的凋萎系数也有不同。 田间持水量：当悬着毛管水达到最大含量时，称为田间持水量；田间持水量：当悬着毛管水达到最大含量时，称为田间持水量；土壤有效水：田间持水量与永久凋萎系数之间的含水量称为土壤有效水：田间持水量与永久凋萎系数之间的含水量称为土壤有效水含量，简称有效水。土壤有效水含量，简称有效水。土壤无效水：含水量在永久凋萎系数以下的水分为无效水。土壤无

36、效水：含水量在永久凋萎系数以下的水分为无效水。饱和水：即自由水，含水量高于最大田间持水量的水分为自饱和水：即自由水，含水量高于最大田间持水量的水分为自由水，自由水对旱生植物而言是无用水。由水，自由水对旱生植物而言是无用水。注意无效水与无用水的区别：无效水是植物不能利用的水，注意无效水与无用水的区别：无效水是植物不能利用的水，无用水对植物而言是没有用的水。无用水对植物而言是没有用的水。归纳以上所述，用图示方式显示土壤水分的有效性，见下两归纳以上所述，用图示方式显示土壤水分的有效性，见下两图图土壤水有效性的数量表示土壤水吸力概念土壤水有效性的数量表示土壤水吸力概念 土壤是大大小小颗粒的聚集体，根据

37、前述，土壤颗粒对水具土壤是大大小小颗粒的聚集体，根据前述，土壤颗粒对水具有一定的吸持能力，宏观表现为土壤吸力。土壤吸力一般用压力有一定的吸持能力，宏观表现为土壤吸力。土壤吸力一般用压力单位表示。单位表示。 常用压力单位：巴常用压力单位：巴(bar)、帕、帕(pa) 1bar=105pa 两个关键土壤水有效性的吸力两个关键土壤水有效性的吸力barpa33. 0,10315或有效水与自由水的分界线：有效水与自由水的分界线：有效水与无效水分界线：有效水与无效水分界线：barpa15,10155或1、土壤吸力与土壤水的有效性、土壤吸力与土壤水的有效性吸力吸力15bar的土壤水为无效水；的土壤水为无效水

38、；吸力在吸力在15bar0.33bar的土壤水为有效水；的土壤水为有效水；吸力吸力0.33bar的土壤水为自由水，或无用水的土壤水为自由水，或无用水吸力吸力Al3+H+Ba2+ Ca2+ Mg2+ NH4+K+Na+Li+ 鉴于土壤胶体主要吸附阳离子，一般情况下讨论的离子交换鉴于土壤胶体主要吸附阳离子，一般情况下讨论的离子交换都是指阳离子交换。都是指阳离子交换。土壤阳离子的组成土壤阳离子的组成 根据土壤胶体吸附的阳离子类型，把它们分为两类：根据土壤胶体吸附的阳离子类型，把它们分为两类： 、酸性阳离子：通常叫交换性酸度、酸性阳离子：通常叫交换性酸度(EA=exchange acidity) ，包

39、括包括H+和和Al3+ ，其中，交换性，其中，交换性H+用用EH表示，交换性表示，交换性Al3+用用EAl表表示。南方红壤系列土壤的酸性比较强主要由示。南方红壤系列土壤的酸性比较强主要由EAl引起。引起。 交换性铝导致酸性源于其水解反应：交换性铝导致酸性源于其水解反应： 、盐基离子：通常叫交换性盐基、盐基离子：通常叫交换性盐基(EB= exchange base)，包，包括括Ca2+、Mg2+、K+、Na+，各组分交换量分别表示为，各组分交换量分别表示为ECa、EMg、EK、ENaH2OH+OH-水分子电离：水分子电离：铝离子夺取水分子铝离子夺取水分子电离的氢氧根离子：电离的氢氧根离子：Al3

40、+3OH-AlOH3土壤溶液中的土壤溶液中的H+浓度相对增大，导致酸性增强。浓度相对增大，导致酸性增强。土壤交换性能的量度土壤交换性能的量度阳离子交换的定量表示阳离子交换的定量表示 、阳离子交换量阳离子交换量(CEC=cation exchnage capacity)：指土壤胶：指土壤胶体吸附的阳离子的总量。体吸附的阳离子的总量。 表示单位：表示单位：mol(+)/kg ，即：摩尔，即：摩尔(+) /kg(土壤土壤) (+:代表阳离子代表阳离子)； 实际较多用其实际较多用其1/100的单位：的单位：cmol(+)/kg，厘摩尔，厘摩尔(+)/kg 土壤阳离子交换量的测定：分别测定交换性酸度和交

41、换性盐基，再按下式土壤阳离子交换量的测定：分别测定交换性酸度和交换性盐基，再按下式计算阳离子交换量，称为有效阳离子交换量计算阳离子交换量，称为有效阳离子交换量(ECEC=effective cation exchnage capacity)： ECEC=EA+EB 有效阳离子交换量交换性酸度有效阳离子交换量交换性酸度+交换性盐基交换性盐基 (注意：注意：EA、EB的单位与的单位与CEC相同相同) 、盐基饱和度、盐基饱和度(BSP=base saturation percent)：交换性阳离：交换性阳离子总量中盐基离子所占百分数子总量中盐基离子所占百分数%100ECECEBBSP影响影响CEC、

42、BSP因素分析因素分析不同气候条件下的土壤不同气候条件下的土壤CEC与与BSP的差别极大的差别极大影响影响CEC的主要因素的主要因素 土壤胶体类型：有机胶体土壤胶体类型：有机胶体蒙脱石蒙脱石高岭石高岭石 土壤质地：质地越细，土壤质地：质地越细，CEC越高越高 土壤粘粒部分的硅铁铝率土壤粘粒部分的硅铁铝率(SiO2/R2O3)： SiO2/R2O3越大，越大，CEC越大越大(即：即：随着土壤风化程度减小，随着土壤风化程度减小，CEC增大。分析：增大。分析：R2O3 ， 铝硅酸盐铝硅酸盐，则，则CEC ) 土壤土壤pH: pH,CEC, pH,CEC(分析：分析：pH，H+, 消耗胶体负电荷，导致

43、消耗胶体负电荷，导致CEC )部分土壤组分阳离子交换量比较部分土壤组分阳离子交换量比较土壤土壤pH与盐基饱和度关系与盐基饱和度关系土壤胶体的凝聚土壤胶体的凝聚/分散与膨胀分散与膨胀/收缩收缩凝聚分散作用凝聚分散作用 土壤胶体的凝聚土壤胶体的凝聚/分散作用的体现之一为土壤团聚体的形成或破坏。分散作用的体现之一为土壤团聚体的形成或破坏。 土壤胶体凝聚与分散的条件：决定于土壤胶体的电动电位土壤胶体凝聚与分散的条件：决定于土壤胶体的电动电位， 增大，增大，胶体微粒互相排斥作用增强，胶粒趋向分离，宏观表现为分散；胶体微粒互相排斥作用增强，胶粒趋向分离，宏观表现为分散； 降低，降低，离子水化程度降低，胶粒

44、互相吸引而沉淀，宏观表现为絮凝，即凝聚。离子水化程度降低，胶粒互相吸引而沉淀，宏观表现为絮凝，即凝聚。 凝聚凝聚/分散作用意义分散作用意义 胶体凝聚：使物质聚积，促进土壤结构的形成与强化，并减少土壤胶体凝聚：使物质聚积，促进土壤结构的形成与强化，并减少土壤养分流失，但降低土壤养分的有效性；养分流失，但降低土壤养分的有效性； 胶体分散：造成土壤结构退化，增加某些污染元素的活性，而导致胶体分散：造成土壤结构退化，增加某些污染元素的活性，而导致加大其毒性，但可使土壤养分有效性增加加大其毒性，但可使土壤养分有效性增加,大写Z,读音zeta絮凝：xuning膨胀膨胀/收缩作用收缩作用 土壤胶体的膨胀土壤

45、胶体的膨胀/收缩作用主要通过次生层状铝硅酸盐的吸水收缩作用主要通过次生层状铝硅酸盐的吸水膨胀，脱水收缩过程而实现。膨胀，脱水收缩过程而实现。 吸水膨胀过程：水分子进入层状铝硅酸盐的硅氧片和吸水膨胀过程：水分子进入层状铝硅酸盐的硅氧片和/或铝氧或铝氧片之间，加大了片与片的距离，宏观表现为体积的增大；片之间，加大了片与片的距离，宏观表现为体积的增大； 脱水收缩过程：水分子从上述结构中脱离，则片与片之间的脱水收缩过程：水分子从上述结构中脱离，则片与片之间的距离缩小，宏观表现为体积缩小。距离缩小，宏观表现为体积缩小。 土壤胶体膨胀土壤胶体膨胀/收缩的典型例子是农田淹水收缩的典型例子是农田淹水/干水过程

46、中的地表干水过程中的地表龟裂。龟裂。3、土壤溶液、土壤溶液 什么叫土壤溶液：土壤溶液是土壤水什么叫土壤溶液：土壤溶液是土壤水(分分)与所含溶质、气体的与所含溶质、气体的总称。总称。 土壤溶液的组成：土壤溶液的组成： A、无机盐类：碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、无机盐类：碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、磷酸盐、氟化物；磷酸盐、氟化物； B、简单有机化合物：乙酸、乙醇、草酸、单糖、二糖等可溶、简单有机化合物：乙酸、乙醇、草酸、单糖、二糖等可溶解于水的有机化合物，它们的特点是化学结构简单解于水的有机化合物，它们的特点是化学结构简单(这是其溶于水这是其溶于水的先决条件的先决条件)

47、，故名；，故名； C、溶解性气体：、溶解性气体：O2、NH3、CO2、N2、H2S； 氧气具有水溶性，如鱼塘增氧、水体有机污染指标之一为溶解氧(DO)；土壤溶液的浓度：土壤溶液的浓度： 湿润地区：浓度最低，湿润地区：浓度最低，0.31.0g/kg(土壤溶液重量土壤溶液重量) 半干旱草原区：半干旱草原区：1.03.0g/kg 盐土溶液：盐土溶液：6.0g/kg土壤溶液溶质来源土壤溶液溶质来源 土壤风化产物；土壤风化产物； 成土过程产物；成土过程产物； 人类活动产物；人类活动产物；影响土壤溶液组成与含量的因素影响土壤溶液组成与含量的因素 土壤固相与液相之间的溶解沉淀过程；土壤固相与液相之间的溶解沉

48、淀过程； 土壤溶液与土壤胶体之间的离子交换过程；土壤溶液与土壤胶体之间的离子交换过程； 土壤液相与气相之间的气体溶解与逃逸过程；土壤液相与气相之间的气体溶解与逃逸过程； 土壤溶液与土壤生物之间的吸收、代谢过程；土壤溶液与土壤生物之间的吸收、代谢过程； 土壤溶液的稀释土壤溶液的稀释(降水降水)与浓缩与浓缩(蒸发与蒸腾蒸发与蒸腾)； 见附图。见附图。pH的概念及水的的概念及水的pH pH：溶液中氢离子活度的负对数：溶液中氢离子活度的负对数：logHpH必要说明：必要说明：1、pH是用较容易理解的等级数值来表示酸碱性；是用较容易理解的等级数值来表示酸碱性；2、为什么要对氢离子浓度取对数？化学上，溶液

49、浓度的标准单位是、为什么要对氢离子浓度取对数？化学上，溶液浓度的标准单位是mol/L，即，即摩尔摩尔/升升，是很大的单位，就算酸性很强的溶液，其氢离子，是很大的单位，就算酸性很强的溶液，其氢离子浓度也很可能低于浓度也很可能低于1mol/L，直接用浓度表示，既不方便，也不好理解。，直接用浓度表示，既不方便，也不好理解。按照按照1mol/L为标准浓度，导出其整数分数：为标准浓度，导出其整数分数：1/10、1/100、1/1000，按上式处理为整数按上式处理为整数pH值，见下表；值，见下表；3、浓度与活度：化学上认为，溶液中的溶质离子的活性与溶质浓度有、浓度与活度：化学上认为，溶液中的溶质离子的活性

50、与溶质浓度有关，浓度越低，活性越高，所以，由溶质离子的含量计算的活性值，关，浓度越低，活性越高，所以，由溶质离子的含量计算的活性值，如如pH，要用活度值，不能用浓度值。但使用活度，又与对象离子的电，要用活度值，不能用浓度值。但使用活度，又与对象离子的电解度有关，在解释上和使用上较为繁琐，有时会简化地直接使用浓度。解度有关，在解释上和使用上较为繁琐，有时会简化地直接使用浓度。pH概念应用水的电离与水概念应用水的电离与水pH的计算：的计算：2141477 10 1010log107,7wwH OHOHKHOHKHOHHOHpHpH 纯水分子的电离：水的电离常数已知：即：则，这就是水的的来源电离常数

51、：电离常数：dissociation constant土壤土壤(溶液溶液)的酸碱性的酸碱性 自然土壤的自然土壤的pH在在pH4 pH10之间；之间； 土壤的风化过程和成土过程对土壤酸碱性有着直接的影响；土壤的风化过程和成土过程对土壤酸碱性有着直接的影响； 人类在改造培熟土壤时，一般会使土壤趋向酸碱性为中性左人类在改造培熟土壤时，一般会使土壤趋向酸碱性为中性左右弱碱性，这在热带亚热带的南方地区以及干旱的西北地区尤右弱碱性，这在热带亚热带的南方地区以及干旱的西北地区尤其明显；其明显； 根据土壤根据土壤pH的高低可以把土壤分为不同的酸碱性级别；的高低可以把土壤分为不同的酸碱性级别； 大多数植物生长所

52、适宜的酸碱性在大多数植物生长所适宜的酸碱性在pH5.58.5之间；之间； 土壤酸性较强时，土壤微生物活性急剧减弱；土壤酸性较强时，土壤微生物活性急剧减弱； 土壤碱性增强时，除少数元素外，大多数元素的有效性都会降土壤碱性增强时，除少数元素外，大多数元素的有效性都会降低。低。 土壤酸碱性图表土壤酸碱性图表1土壤土壤pH与土壤酸碱性分级与土壤酸碱性分级结合课本图结合课本图3-15(p.99)土壤酸碱性图表土壤酸碱性图表2土壤土壤pH与养分有效性与养分有效性结论：结论：1、表中元素，除铝以、表中元素，除铝以外，都是植物生长需外，都是植物生长需要的元素；要的元素；2、多数元素的有效性、多数元素的有效性位

53、于中等酸性中等位于中等酸性中等碱性范围内，这对农碱性范围内，这对农业管理是具有重要启业管理是具有重要启示意义的；示意义的；3、铝对植物是一种有、铝对植物是一种有害元素一般称为害元素一般称为“铝害铝害”，其有效性，其有效性在酸性得到明显提高，在酸性得到明显提高，这正是南方红壤的特这正是南方红壤的特点之一；点之一；4、南方红壤改良目标、南方红壤改良目标之一减少铝害从之一减少铝害从土壤交换性酸度中减土壤交换性酸度中减少交换性铝的份额。少交换性铝的份额。土壤酸碱性图表土壤酸碱性图表3日常生活食品、物料的酸碱性日常生活食品、物料的酸碱性请请注注意意加加框框的的物物项项土壤对酸碱的缓冲性能土壤对酸碱的缓冲

54、性能 定义：土壤具有的抵抗在化学因子作用下酸碱剧烈变化的性能，定义：土壤具有的抵抗在化学因子作用下酸碱剧烈变化的性能，即当减少或增加溶液中即当减少或增加溶液中H+浓度时，其浓度时，其pH并不随之上升或下降。并不随之上升或下降。 土壤缓冲体系的构成：土壤缓冲体系的构成： A、土壤胶体的缓冲作用；、土壤胶体的缓冲作用； B、土壤中的弱酸强碱盐或弱碱强酸盐的缓冲作用；、土壤中的弱酸强碱盐或弱碱强酸盐的缓冲作用； C、酸性土壤中、酸性土壤中Al3+的水化作用对碱的缓冲作用的水化作用对碱的缓冲作用 土壤缓冲作用的意义：土壤缓冲作用的意义： 为植物生长提供比较稳定的化学环境，尤其是稳定的酸碱环为植物生长提供比较稳定的化学环境，尤其是稳定的酸碱环境；境； 是土壤肥力的重要影响因子；是土壤肥力的重要影响因子； 土壤的缓冲能力是有限的。土壤的缓冲能力是有限的。土壤氧化还原反应体系土壤氧化还原反应体系 定义：氧化还原的实质是化学反应过程中电子的得失，失去电定义：氧化还原的实质是化学反应过程中电子的得失，失去电子的过程为氧化，得到电子的过程为还原。但在土壤环境中主要子的过程为氧化，得到电子的过程为还原。但在土壤环境中主要体现为氧气的存在与缺乏所导致的土壤反