第3章 土壤化学性质与过程-2

1、土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程郭笑彤12015-04-03土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程土壤的化学土壤的化学性质与过程性质与过程土壤胶体土壤胶体及表面化及表面化学特性学特性土壤胶体土壤胶体离子交换离子交换反应反应氧化还氧化还原反应原反应土壤土壤缓冲性缓冲性土壤酸土壤酸碱性碱性土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程土壤酸碱性-土壤酸、碱性的形成土壤酸碱性反应我国土壤的酸碱性反应，大多数在pH4.58.5之间。在地理分布上有“东南酸西北碱”的规律性。大致可以长江为界（北纬33），长江以南的土壤为酸性或强酸性，长江以北的土壤多为中性或碱性。我国土壤的酸碱性南北差异很大。土壤的化

2、学性质与过程土壤的化学性质与过程土壤酸碱性-土壤酸、碱性的形成土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程土壤酸化（formation of soil acidity）1Climate factor 气候因素 2Biology factor 生物因素3Fertilization and irrigation 施肥和灌溉的影响 氢离子的来源：（1）water electrolyze 水的解离： （2）carbonic acid electrolyze 碳酸解离： （3）organic acid electrolyze 有机酸的解离： （4）acid rain 酸雨or other mineral a

3、cid 其它无机酸 （5）Al3+ activate（6）植物对阳离子的吸收作用土壤酸碱性-土壤酸度(soil acidity)土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程carbonic acid electrolyte carbonic acid electrolyte 碳酸解离：碳酸解离： COCO2 2 + H + H2 2O HO H2 2COCO3 3 H H+ + + HCO + HCO3 3- - 2H2H+ + + CO+ CO3 32-2-酸的水解酸的水解Organic acid electrolyte Organic acid electrolyte 有机酸的解离有机酸的解离

4、 Acid rainAcid rain酸雨酸雨 : pH5.6: pH30%,30%,表层含盐量表层含盐量0.5%9.09.0定为定为碱土碱土(alkaline soil) (alkaline soil) 。而将土壤碱化度为而将土壤碱化度为5 51010定为定为轻度碱化土壤，轻度碱化土壤，10101515为中度碱化土壤，为中度碱化土壤，15152020为强碱化为强碱化土壤。土壤。土壤酸碱性-土壤碱度指标 土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程（一）土壤胶体类型和性质对（一）土壤胶体类型和性质对pHpH值的影响值的影响 土壤胶体的土壤胶体的极限极限pHpH值值 当土壤胶体上吸附的阳离子全部是致

5、酸离子，称为盐当土壤胶体上吸附的阳离子全部是致酸离子，称为盐基完全不饱和态。此时土壤的基完全不饱和态。此时土壤的pHpH值，称为土壤的极限值，称为土壤的极限pHpH值。值。 土壤胶体土壤胶体酸基的解离度酸基的解离度对对pHpH值影响值影响致酸离子解离度的大小的排列顺序：致酸离子解离度的大小的排列顺序：有机胶体有机胶体 蒙脱石蒙脱石 含水云母和拜来石含水云母和拜来石 高岭石高岭石 含水含水氧化铁、铝氧化铁、铝土壤酸碱性-影响土壤影响土壤pH值的因素值的因素土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程（二）土壤吸附性阳离子组成和盐基饱和度对（二）土壤吸附性阳离子组成和盐基饱和度对pHpH的的影响影响

6、氢铝质土壤是酸性；氢铝质土壤是酸性； 钙质土钙质土 pHpH值大多数在值大多数在7 7左右，呈中性反应；左右，呈中性反应； 钠质土壤钠质土壤 pHpH值可达值可达8.58.5以上，呈碱性反应。以上，呈碱性反应。 盐基饱和度大小，反应土壤潜性酸及活性强度的大小。盐基饱和度大小，反应土壤潜性酸及活性强度的大小。（三）土壤含水量对土壤（三）土壤含水量对土壤pHpH的影响的影响 土壤的土壤的pH值随土壤含水量减少有上升的趋势。因此，值随土壤含水量减少有上升的趋势。因此，在测定土壤在测定土壤pH值时值时,应注意土水比。土水比愈大，所测得的应注意土水比。土水比愈大，所测得的pH值愈大。值愈大。土壤酸碱性-

7、影响土壤影响土壤pH值的因素值的因素土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程（四）碳酸盐水解与（四）碳酸盐水解与CO2CO2浓度浓度 pH = 6.03 2/3 log (co2分压分压)由于土壤空气中由于土壤空气中CO2浓度在浓度在0.03%10%之间，故之间，故pH在在6.78.5之间。之间。 石灰性土壤的实际石灰性土壤的实际pH值一般值一般 在在7.58.5之间，呈微碱性之间，呈微碱性。3Log0.1=-1Log0.01=-2Log0.0003=-3.52从上式可知：从上式可知：COCO2 2分压愈大（浓度愈高，土壤分压愈大（浓度愈高，土壤pHpH值愈低）值愈低）（1 1）石灰性土壤的）

8、石灰性土壤的pHpH值，因值，因COCO2 2的偏压大小而变，所的偏压大小而变，所以在测定石灰性土壤以在测定石灰性土壤pHpH值时，应在固定的值时，应在固定的COCO2 2偏压下偏压下进行，并必须注意在充分达到平衡后测读。进行，并必须注意在充分达到平衡后测读。（2 2）土壤空气中）土壤空气中COCO2 2含量不会低于大气含量不会低于大气COCO2 2的含量，的含量，也很少高出也很少高出10%10%，因此，因此, ,石灰性土壤的石灰性土壤的pHpH总是在总是在pH6.8-pH6.8-8.58.5之间，所以农业施用石灰来中和土壤酸度是比较安之间，所以农业施用石灰来中和土壤酸度是比较安全的，不会使土

9、壤过碱。全的，不会使土壤过碱。石灰性物质所引起的弱碱性反应（石灰性物质所引起的弱碱性反应（pH7.5-8.5)pH7.5-8.5)称为石灰称为石灰性反应性反应, ,土壤称之为石灰性土壤。土壤称之为石灰性土壤。土壤酸碱性-影响土壤影响土壤pH值的因素值的因素土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程Natural ChangesHuman-induced Changes Chemical fertilizer usage Acid deposition from the atmosphere Disposal of acid-forming organic wastes Irrigation pr

10、actices Drainage of some coastal wetlands土壤酸碱性-影响土壤影响土壤pH值的因素值的因素土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程植物对土壤酸碱性的影响与相应土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程碱性土粉色酸性土蓝色中性土紫色八八仙仙花花( (Hydrangea macrophylla) )植物对土壤酸碱性的影响与相应土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程耐耐AlAlAlAl敏感敏感植物对土壤酸碱性的影响与相应土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程小小 结结 Soil pHSoil pH 土壤土壤 H H+ + 和和 OHOH- -的来源的来源 土

11、壤酸的类型土壤酸的类型 交换酸度交换酸度 土壤酸碱缓冲性的机理土壤酸碱缓冲性的机理 土壤土壤pHpH与营养元素有效性与营养元素有效性过酸、过碱土壤的生产障碍过酸、过碱土壤的生产障碍强酸性土壤强碱性土壤植物根系铝毒植物根系铝毒铁缺乏铁缺乏植物根系锰毒锰缺乏钙/镁缺乏锌缺乏豆科植物缺钼盐分过多(部分)磷被铁/铝固定磷被钙磷被钙/ /镁固定镁固定细菌生长受阻氮转化降低土壤酸碱性改良南方南方酸性土壤施加酸性土壤施加 CaCOCaCO3 3, , CaMgCaMg(CO(CO3 3) )2 2, , CaCa(OH)(OH)2 2 CaCOCaCO3 3 + 2H + 2H+ + CaCa2+2+ +

12、H + H2 2O +COO +CO2 2H+Al3+ Ca2+ + 4HCO3-Ca2+Ca2+ Al(OH)3 + H2O + 4 CO2 北方土壤北方土壤: FeSO: FeSO4 4 , , S S FeSO FeSO4 4 + 1/4O+ 1/4O2 2 + + 1 H1 H2 2OO FeOH + H FeOH + H2 2SOSO4 4南果北种南果北种南花北养南花北养土壤酸碱性改良土壤氧化还原反应-氧化还原过程 元素氧化数元素氧化数发生变化发生变化的的反应称为反应称为氧化还原反应，氧化还原反应，失去电子成为氧化反应，反之为还原反应。失去电子成为氧化反应，反之为还原反应。 土壤中发

13、生的伴随有氧化还原反应的物质转化过土壤中发生的伴随有氧化还原反应的物质转化过程，即土壤氧化还原过程。程，即土壤氧化还原过程。0+40-2氧化反应还原反应C C6 6H H1212OO6 6 + 6O+ 6O2 2 = 6 CO = 6 CO2 2 + 6 H + 6 H2 2OO土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程（一）土壤的氧化还原电位（一）土壤的氧化还原电位（soil redox potential)soil redox potential)氧化反应和还原反应的实质是氧化反应和还原反应的实质是电子转移电子转移，氧化还原反应的电，氧化还原反应的电极反应可表示如下：极反应可表示如下： 氧化

14、态氧化态 ne = ne = 还原态还原态氧化还原反应中的氧化态和还原态同时在电极上达到平衡，氧化还原反应中的氧化态和还原态同时在电极上达到平衡，其平衡电位，称为氧化还原电位，通常以其平衡电位，称为氧化还原电位，通常以EhEh表示。表示。 （二）电子活度负对数（二）电子活度负对数( (pepe) )在氧化还原过程中溶液内在氧化还原过程中溶液内自由电子活度的负对数值自由电子活度的负对数值. .pe = -log a土壤氧化还原反应-氧化还原指标土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程E0：体系中氧化剂与还原剂活度比为1的时候的Eh值土壤中氧化还原电位的计算土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程

15、土壤中主要元素的氧化还原形态O2-最主要的电子受体土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程 旱地土壤旱地土壤： 其其EhEh一般在一般在200mV200mV以上以上, , 多数变化于多数变化于300300400400至至600600700mV700mV之间之间 水田土壤水田土壤 ：EhEh往往低于往往低于200200300mV, 300mV, 长期淹水的水长期淹水的水稻土则可低于稻土则可低于100100-100mV -100mV 农田土壤的Eh值土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程Eh Eh 300mV 300mV 好气条件太强好气条件太强, , 有机质分解过旺有机质分解过旺, , 易造成

16、易造成养分的大量损失。养分的大量损失。 FeFe、MnMn完全以高价化合物存在完全以高价化合物存在, ,溶解度溶解度极小极小, , 植物易造成缺植物易造成缺FeFe而发生而发生“失绿病失绿病”，也会因缺，也会因缺MnMn而发生而发生“灰斑灰斑”、“白斑白斑”病病 Eh对植物生长的影响-Fe-Mn土壤的化学性质与过程土壤的化学性质与过程Eh Eh 300mV300mV 当当EhEh值值200mV 黏土黏土 沙土沙土碳酸盐体系碳酸盐体系 CaCOCaCO3 3 + H + H2 2O + HO + H+ + Ca Ca2+2+ + H + H2 2COCO3 3 + + OHOH- -pH = 6

17、.03 pH = 6.03 2/3 log pCO2/3 log pCO2 2 pH 8.56.7pH 8.56.7H H+ + + HCO + HCO3 3- -H H+ + + CO + CO3 32-2-K1K2土壤的酸碱缓冲体系土壤的酸碱缓冲体系弱酸体系弱酸体系l硅酸盐体系硅酸盐体系 MgMg2 2SiOSiO4 4 + 4 H + 4 H+ + Mg Mg2+2+ + Si(OH) + Si(OH)4 4 l 有机酸体系有机酸体系羧基，羧基， RCOOHRCOOH土壤的酸碱缓冲体系土壤的酸碱缓冲体系弱酸体系弱酸体系 盐基饱和度盐基饱和度p大大_对酸的缓冲能力强对酸的缓冲能力强p小小_

18、对碱的缓冲能力强。对碱的缓冲能力强。M+ H+H H+ + M+H+ MOHMM+ + H2O土壤的酸碱缓冲体系土壤的酸碱缓冲体系 阳离子交换体系阳离子交换体系AlOOOOOO-H+H+H+ 3 H+矿物表面晶格中的Al3H2OOOO-矿物表面交换态H+溶液态H+Al3+Al3+交换态Al3+溶液态Al3+Al3+AlOH2+H2OH2OH2OH2OH+H+H+H+pKa=5.0pKa=5.1Al(OH)2+Al(OH)30H2OH2OH+H+pKa=6.7土壤的酸碱缓冲体系土壤的酸碱缓冲体系 活性铝活性铝 R-CH-COOH + HCl R CH-COOH R-CH-COOH + NaOH R CH-COONa + H2ONH2NH3ClNH2NH2土壤的酸碱缓冲体系土壤的酸碱缓冲体系 两性胶体两性胶体土壤的酸碱缓冲体系适用范围土壤的酸碱缓冲体系适用范围 土壤酸、碱缓冲容量和滴定曲线土壤酸、碱缓冲容量和滴定曲线 在土壤悬液中连续加在土壤悬液中连续加入标准酸或碱液，测入标准酸或碱液，测定定pHpH的变化的变化, ,以纵座以纵座标表示标表示pHpH，横座标，横座标表示加的酸或碱量，表示加的酸或碱量，绘制滴定曲线，又称绘制滴定曲线，又称缓冲曲线缓冲曲线。 砖红壤、红壤和黄棕壤胶体的中和曲线（于天仁，1987） 单位质量土壤，改变一个单位质量土壤，改变一个pHpH值需要加的酸碱