土壤溶液化学反应

关于土壤溶液化学反应

第一节土壤溶液的组成与特性第2页,共64页，2024年2月25日，星期天一、土壤溶液的组成种类主要成分次要成分其他10-4~10-2mol/L10-6~10-4mol/L无机盐类阳离子Ca2+、Mg2+、Na+、K+Fe2+、Mn2+、Zn2+、NH4+、Al3+Cr3+、Ni2+、Cl2+、Po2+、Hg2+阴离子HCO3-、Cl-、SO42-H2PO4-、F-、HS-CrO42-、HMoO4+中性物Si(OH)4B(OH)3有机物天然物羟基酸类、氨基酸类、简单化合物糖类、酚酸类蛋白质、乙醇类人造物除草剂、杀菌剂、杀虫剂、PCBs、PAHs、石油烷、烃类、表面活性剂、溶剂等表9-1土壤溶液的无机、有机化合物组成第3页,共64页，2024年2月25日，星期天二、土壤溶液的动态平衡土壤溶液植物土壤空气表面吸附交换性离子降雨、蒸发、排水、施肥有机质、微生物固相及矿物图9-1土壤溶液的动态平衡第4页,共64页，2024年2月25日，星期天第二节土壤酸碱反应第5页,共64页，2024年2月25日，星期天第6页,共64页，2024年2月25日，星期天土壤酸碱性反应

我国土壤的酸碱性反应，大多数在pH4.5~8.5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。第7页,共64页，2024年2月25日，星期天1、土壤中H+的来源：（1）水的解离；（2）碳酸解离；（3）有机酸的解离；（4）酸雨；（5）其它无机酸。一、土壤酸性的形成（一）土壤酸化过程第8页,共64页，2024年2月25日，星期天2、土壤中Al3+的活化

土壤酸化过程始于土壤溶液中活性H+，土壤溶液中H+和土壤胶体上被吸附的盐基离子交换，然后盐基离子遭雨水淋失，并随之出现交换性铝，形成酸性土壤。第9页,共64页，2024年2月25日，星期天土壤活性酸(soilactiveacidity)：自由扩散于土壤溶液中的氢离子浓度直接反应出来的酸度。土壤潜性酸(soilpotentialacidity)：土壤胶粒上吸附着氢离子和铝离子所造成的显出酸性，所以它是土壤酸的潜在来源，故称为潜性酸。

（二）土壤酸的类型统一平衡体系的不同表现形式两者处于的动态平衡中潜性酸是活性酸的储备

第10页,共64页，2024年2月25日，星期天1、强酸性土壤土壤活性酸（溶液H+）的主要来源是Al3+，而不是H+。2、酸性和弱酸性土壤羟基铝离子水解产生H+，胶体交换性H+的解离可能也是土壤溶液中H+的第二个来源。第11页,共64页，2024年2月25日，星期天活性酸和潜性酸的关系 活性酸和潜酸的总和，称为土壤总酸度。由于它通常是用滴定法测定的，故又称之为土壤的滴定酸度。它是土壤的酸度的容量指标。它与pH值在意义上是不同的。

活性酸是土壤酸度的起源，代表土壤酸度的强度；潜在酸是土壤酸度的主体，代表土壤酸度的容量。土壤总酸度＝活性酸度＋潜在酸度第12页,共64页，2024年2月25日，星期天

土壤碱性反应及碱性土壤形成是自然成土条件和土壤内在因素综合作用的结果。碱性土壤的碱性物质主要是钙、镁、钠的碳酸盐和重碳酸盐，以及胶体表面吸附的交换性钠。形成碱性反应的主要机理是碱性物质的水解反应。二、土壤碱性的形成第13页,共64页，2024年2月25日，星期天1、碳酸钙水解2、碳酸钠的水解

第14页,共64页，2024年2月25日，星期天3、交换性钠的水解土壤碱化与盐化有着发生学上的联系。盐土和碱土并非一物“盐碱土”，盐土的pH值一般小于8.5,盐土脱盐才可能形成碱土。第15页,共64页，2024年2月25日，星期天三、土壤酸度的指标（一）土壤酸度的强度指标1、土壤pH：与固相处于平衡的溶液中H+浓度的负对数。我国土壤的酸碱度分为五级：

pH<5.0（强酸性）

pH5.0~6.5（酸性）

pH6.5~7.5（中性）

pH7.5~8.5（碱性）

pH>8.5（强碱性）第16页,共64页，2024年2月25日，星期天土壤pH的测定1.比色法：许多染料随着pH的增减改变颜色，在指示剂反应范围内，便可估计出溶液近视的pH范围。使用单独的或数种混合的染料，很容易测定pH3~8范围内的土壤pH。在测定土壤pH时，土壤样品被指示剂所饱和，在接触几分钟后，倒出一滴浸提液，在薄层中观察它的颜色，借助于比色卡就可以确定近似的pH。指示剂法可精确到0.2pH单位。2.电位测定法是最精确的测定方法。选择一个电极，其电位决定于与之相接触的溶液的氢离子浓度；标准电极为氢电极。另一个电极为参比电极，常选用甘汞电极。甘汞电极被KCl溶液饱和。用两个电极过程电池，测定其电位差，用之确定溶液氢离子浓度。由于水的稀释、溶解、离子解离等综合作用结果。水土比不同，其pH测定结果就有所不同，所以，测定时要统一限制水土比（Soil/solutionratio）为1:1。第17页,共64页，2024年2月25日，星期天第18页,共64页，2024年2月25日，星期天2、石灰位(limepotential)

：表示土壤酸强度的另一指标－石灰位。它将氢离子数量与钙离子数量联系起来，以数学式pH-0.5PCa表示之，即石灰位＝pH-0.5pCa

碱性土壤酸度不仅取决于土壤胶体上吸附的氢、铝离子，在很大程度上取决于致酸离子和盐基离子的相对比例，而盐基离子总是以Ca2+为主，酸性土壤中的交换性盐基离子中Ca2+占总量的65~80%。石灰位作为土壤酸度的强度指标，既反映土壤H+状况，更反映Ca2+有效度，因而能更全面地代表土壤的盐基饱和度和土壤酸度状况。在区分不同类型土壤的酸度是，石灰位的差别较pH的差别更明显。第19页,共64页，2024年2月25日，星期天pH-0.5pCa是Ca(OH)2的化学位的简单函数。上式中为Ca(OH)2在标准状况下的化学位第20页,共64页，2024年2月25日，星期天土壤类型pHpH-0.5pCa水稻土母质相差水稻土母质相差砖红壤5.235.120.113.402.291.11红壤6.565.151.414.933.021.91黄棕壤6.835.711.125.323.911.41表9-2水稻土及其母质的pH与石灰位的比较（于天仁等，1983）第21页,共64页，2024年2月25日，星期天（二）土壤酸度的数量指标

土壤胶体上吸附的氢、铝离子所反映的潜性酸量，可用交换性酸度和水解酸度表示。1、交换性酸度(soilexchangeableacidity)

当用中性盐溶液如1molKCl或0.06molBaCl2溶液(pH=7)浸提土壤时,土壤胶体表面吸附的铝、氢离子的大部分均被浸提剂的阳离子交换而进入溶液，用标准碱液滴定，根据消耗的碱量换算,为交换性氢与交换性铝的总量，即为交换性酸量(包括活性酸)。以（cmol(+)）/kg）为单位。交换性酸量在调节土壤酸度，估算石灰用量时，有重要参考价值。第22页,共64页，2024年2月25日，星期天2、水解性酸度(soilhydrolyticacidity)

用弱酸强碱的盐类溶液（常用的为pH8.2的1MNaAc溶液）浸提,再以NaOH标准液滴定浸出液，根据所消耗的NaOH的用量换算为土壤酸量。这样测得的潜性酸的量称之为土壤的水解性酸。结果:①交换程度比中性盐类溶液更为完全，土壤吸附性H+

、Al3+的绝大部分可被Na+离子交换。②水化氧化物表面的羟基和腐殖质的某些功能团（如羟基、羧基）上部分H+解离而进入浸提液被中和。第23页,共64页，2024年2月25日，星期天第24页,共64页，2024年2月25日，星期天（三）土壤碱性指标1、总碱度

总碱度是指土壤溶液或灌溉水中碳酸根、重碳酸根的总量。我国碱化土壤的总碱度占阴离子总量的50％以上，高的可达90％，故可用总碱度作为土壤碱化程度分级的指标之一。即

石灰性物质所引起的弱碱性反应（pH7.5-8.5)称为石灰性反应，土壤称之为石灰性土壤。石灰性土壤的耕层因受大气或土壤中CO2分压的控制，pH值常在8.0-8.5范围内.第25页,共64页，2024年2月25日，星期天2、碱化度（钠碱化度：ESP）是指土壤胶体吸附的交换性钠离子占阳离子交换量的百分率。

当土壤碱化度达到一定程度，可溶盐含量较低时，土壤就呈极强的碱性反应，土壤理化性质上发生恶劣变化，称为土壤的“碱化作用”（alkalinization)。

将土壤碱化度为5~10％定为轻度碱化土壤，10~15％为中度碱化土壤，15~20％为强碱化土壤。第26页,共64页，2024年2月25日，星期天四、土壤酸碱性的生物环境（一）植物微生物适宜的酸碱度

植物对土壤酸碱性的要求是长期自然选择的结果。大多数植物适宜在中性至微碱性土壤生长。土壤细菌和放线菌适于中性和微碱性环境；真菌可在所有pH范围内活动，强酸性土壤中以真菌占优势。第27页,共64页，2024年2月25日，星期天第28页,共64页，2024年2月25日，星期天（二）土壤酸碱性对养分有效性的影响图9-3植物营养元素的有效性与pH的关系第29页,共64页，2024年2月25日，星期天①土壤pH6.5左右时，各种营养元素的有效度都较高，并适宜多数作物的生长。②pH在微酸性、中性、碱性土壤中，氮、硫、钾的有效度高。③pH6~7的土壤中，磷的有效度最高。pH<5时，因土壤中的活性铁、铝增加，易形成磷酸铁、铝沉淀。而在pH>7时，则易产生磷酸钙沉淀，磷的有效性降低。④在强酸和强碱土壤中，有效性钙和镁的含量低，在pH6.5～8.5的土壤中，有效度较高。⑤铁、锰、铜、锌等微量元素有效度，在酸性和强酸性土壤中高；在pH>7的土壤中，活性铁、锰、铜、锌离子明显下降，并常常出现铁、锰离子的供应不足。⑥在强酸性土壤中，钼的有效度低。pH>6时,其有效度增加。硼的有效度与pH关系较复杂,在强酸性土壤和pH7.0～8.5的石灰性土壤中,有效度均较低，在pH6.0～7.0和在pH>8.5的碱性土壤中,有效度较高。第30页,共64页，2024年2月25日，星期天五、影响土壤酸度的因素（一）盐基饱和度土壤pH<5.05.0~5.55.5~6.06.0~7.0土壤盐基饱和度（%）<3030~6060~8080~100（二）土壤含水量对土壤pH的影响土壤的pH值随土壤含水量增加有上升的趋势。因此，在测定土壤pH值时，应注意土水比。土水比愈小，所测得的pH值愈大。第31页,共64页，2024年2月25日，星期天（三）土壤空气中的CO2分压从上式可知：（1）石灰性土壤的pH值，因CO2的偏压大小而变，所以在测定石灰性土壤pH值时，应在固定的CO2偏压下进行，并必须注意在充分达到平衡后测读。（2）土壤空气中CO2含量不会低于大气CO2的含量，也很少高于10%，因此石灰性土壤的pH总是在pH6.8~8.5之间，所以农业施用石灰来中和土壤酸度是比较安全的，不会使土壤过碱。第32页,共64页，2024年2月25日，星期天

酸性土淹水后pH升高的原因主要是由于在嫌气条件下形成的还原性碳酸铁、锰呈碱性，溶解度较大，因之pH值升高。硫化物（在硫化细菌的作用下）可氧化为硫酸，使土壤pH值急剧下降。（四）土壤氧化还原条件第33页,共64页，2024年2月25日，星期天土壤酸度通常以施用石灰或石灰石粉来调节。可分为：生灰石（CaO）熟石灰[Ca(OH)2]

石灰石粉[CaCO3]六、土壤酸度的调节第34页,共64页，2024年2月25日，星期天石灰需要量＝土壤体积×容重×阳离子交换量×

(1-盐基饱和度)

石灰需要量

影响石灰用量因素有：

（1）土壤潜性酸和pH值、有机质含量、盐基饱和度、土壤质地等土壤性质；（2）作物对酸碱度的适应性；（3）石灰的种类和施用方法等。第35页,共64页，2024年2月25日，星期天假设某红壤的pH为5.0，耕层土壤为2250000公斤/公顷，土壤含水量为20％，阳离子交换量为10Cmol/kg土，盐基饱和度为60%，试计算达到pH=7时，中和活性酸和潜性酸的石灰需要量(理论值)。中和活性酸pH=5时,土壤溶液中[H+]=10-5mol/kg土,则每公顷耕层土壤含H+离子为:2250000×20%×10-5=4.5molH+/公顷同理:pH=7时,每公顷土壤中含H+离子为2250000×20%×10-7=0.045molH+/公顷所以需要中和活性酸量为4.5-0.045=4.455molH+/公顷若以CaO中和:其需要量124.74克中和潜性酸:2250000×(10/100)×(1-60/100)=90000molH+/公顷90000×56/2=2520000克=2520公斤/公顷案例第36页,共64页，2024年2月25日，星期天第三节土壤氧化还原反应

第37页,共64页，2024年2月25日，星期天一、土壤氧化还原体系(soilredoxsystem)第38页,共64页，2024年2月25日，星期天第39页,共64页，2024年2月25日，星期天氧体系 氧体系的氧化反应为：

O2+4e====2H2OE0=1.23V

在25℃时，其Eh为：

如果土壤的pH值是7时，氧的标准电位为0.82V，氧的数量以大气压表示，这时氧的Eh为

Eh=0.82+0.015log[O2]

当氧的分压为0.2时，Eh为0.81V，这就意味着一般土壤的Eh值不会超过810mv，这是土壤通气良好的情况下，最高的氧化电位。第40页,共64页，2024年2月25日，星期天第41页,共64页，2024年2月25日，星期天氮体系土壤中氮的存在形态有有机态和无机态两种，有机态占绝大部分。有机氮转化为无机氮是在微生物的控制下进行的。硫体系土壤中的SO42-还原为S2-或H2S时需要强烈的还原条件，在一般水田中的还原状况达不到，只有在微生物的活动下，能使土壤的Eh值降低至-0.1~-0.2V，因此在有机质较多的土壤中，这种反应能进行。相反从S2-氧化为SO42-，则在大多数通气良好的土壤中都能达到有机体系一般在有机质含量高的渍水土壤中还原性物质较多，如醋酸、丙酮酸、乳酸、甲酸、丁酸、苹果酸、酒石酸和二醇酸等。而在旱地有机质含量少的土壤中还原性物质较少。第42页,共64页，2024年2月25日，星期天土壤氧化还原体系的特点：①土壤中氧化还原体系有无机体系和有机体系两类。②土壤中氧化还原反应虽有纯化学反应，但很大程度上是由生物参与的。③土壤是一个不均匀的多相体系，即使同一田块不同点位都有一定的变异，测Eh时，要选择代表性土样，最好多点测定求平均值。④土壤中氧化还原平衡经常变动，不同时间、空间，不同耕作管理措施等都会改变Eh值。严格地说，土壤氧化还原永远不可能达到真正的平衡。第43页,共64页，2024年2月25日，星期天图9－2铁体系的Eh-pH稳定范围图第44页,共64页，2024年2月25日，星期天1、氧化还原电位（soilredoxpotential)

氧化还原反应的电极反应可表示如下： 氧化态＋ne====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，其平衡电位，称为氧化还原电位，通常以Eh表示。二、土壤氧化还原指标（一）强度指标

第45页,共64页，2024年2月25日，星期天2、电子活度负对数（pe）

氧化还原反应是电子的传递过程。K=[还原态]/[氧化态][e-]n

pe=1/nlgK+1/nlg[氧化态]/[还原态]在氧化体系中pe值为正值，pe值愈大则氧化性愈强；在还原体系中pe值为负值，pe的负值愈大则还原性愈强。第46页,共64页，2024年2月25日，星期天3、Eh和pH的关系式中m是参与反应的质子数。

Eh随pH增加而降低。因此，同一氧化还原反应在碱性溶液中比在酸性溶液中容易进行。

第47页,共64页，2024年2月25日，星期天第48页,共64页，2024年2月25日，星期天（二）氧化还原数量因素土壤Eh大小是由E0和数量因素[氧化态]与[还原态]的浓度比决定的。对于数量因素，虽然已经提出了一些区分土壤中不同氧化还原体系的氧化态物质和还原态物质的方法。但土壤是个复杂体系，测得的氧化还原物质的数量往往难以直接与Eh联系起来。第49页,共64页，2024年2月25日，星期天（一）土壤Eh值范围与植物生长三、土壤氧化还原的生物环境第50页,共64页，2024年2月25日，星期天（二）土壤氧化还原状况对养分有效性与毒性的影响1、氧化还原对元素有效性影响在土壤强还原条件下，高价铁（Fe3+)还原低价铁(Fe2+)，同时硫酸根（SO42-）也还原为硫化物(S2-)，此时，同时可能发生硫化亚铁的沉淀反应(FeS)，使铁的有效度下降。所以在讨论氧化反应的影响时，要综合的分析判断。第51页,共64页，2024年2月25日，星期天Eh<200mv：土壤中的铁锰化合物就从氧化态转化为还原态；Eh<-100mv：低价铁(Fe2+)浓度已超过高价铁(Fe3+)；会使植物产生铁的毒害。Eh<-200mv：可能产生H2S和丁酸等的过量积累，对水稻的含铁氧化还原酶的活动有抑制作用，影响其呼吸、减弱根系吸收养分的能力。在H2S浓度高时，抑制植物根对磷、钾的吸收，甚至出现磷、钾从根内渗出。

水田土壤大量施用绿肥等有机肥时常常发生FeS的过量积累,使稻根发黑,土壤发臭变黑,影响其地上部分的生长发育。2、氧化还原状况与有毒物质积累第52页,共64页，2024年2月25日，星期天1、土壤通气性2、微生物活动3、易分解有机质的含量

在一定的通气条件下，土壤中的易分解的有机愈多，耗氧也愈多，其氧化还原电位就较低。4、土壤中易氧化和还原的无机物的含量

土壤的氧化体和硝酸盐含量高时，可使Eh值下降得较慢。5、植物根系的代谢作用6、土壤的pH值

一般土壤Eh随pH的升高而下降。四、影响土壤氧化还原的因素第53页,共64页，2024年2月25日，星期天第四节土壤中的沉淀溶解和络合解离反应第54页,共64页，2024年2月25日，星期天

难溶电解质尽管难溶，但还是有一部分阴阳离子进入溶液，同时进入溶液的阴阳离子又会在固体表面沉积下来。当这两个过程的速率相等时，难溶电解质的溶解就达到平衡状态，固体的量不再减少。这样的平衡状态叫沉淀溶解平衡，其平衡常数叫溶度积。

AaBb…（固）==aA（液）+bB（液）+…平衡常数K=（[A]a·[B]b…)/(AaBb….)溶度积Ksp=[A]a·[B]b…一、沉淀溶解反应（一）溶度积的应用

第55页,共64页，2024年2月25日，星期天磷酸沉淀作用(化学固定作用)：酸性土：水溶性无定形结晶态闭蓄态溶解度：大小有效性：高低中性、石灰性土：一钙二钙八钙十钙

磷在酸性条件下与Fe3+和Al3+形成难溶化合物；在中性条件下与Ca2+和Mg2+形成易溶化合物；在碱性条件下与Ca2+形成难溶化合物。各种磷酸盐的溶解度相差极大。对于大多数农业土壤，pH值在6~7时磷对作物最有效。第56页,共64页，2024年2月25日，星期天（二）溶度积应用的局限性及影响因素

实际反应比理论推导的假设要复杂得多，在实际应用中有一定的局限性。影响土壤溶解沉淀平衡反应除温度、压力外，主要土壤因素有：1、离子效应、盐效应、络合效应的影响；2、土壤pH和Eh的影响；3、土壤矿物结晶的缺陷和杂质的影响；4、粒径大小的影响。第57页,共64页，2024年2月25日，星期天1、络合物和螯合物金属离子与电子给予体以配位键方式结合的过程称为络合反应，其产物为络合物，又称配位化合物。 二、络合解离反应（一）络合物和络合稳定性

第58页,共64页，2024年2月25日，星期天络合物的组成：

(1)络合物的形成体，常见的是过渡元素的阳离子，如Fe3+、Fe2+、Cu2+、Ag+、Pt2+等。

(2)配位体可以是分子，如NH3、H2O等，也可以是阴离子，如CN-、SCN-、F-、Cl-等。

(3)配位数是直接同中心离子(或原子)络合的配位体的数目，最常见的配位数是6和4。第59页,共64页，2024年2月25日，星期天螯合物：在络合反应中，具有一个以上配位基团的配位体与金属离子络合形成的络合物，如二氨基乙酸合铜。螯合物必须具备环状结构，一般以五元环或六元环为稳定。Cu2+NH3NH3NH3NH3Cu2+CH2NH2NH2NH2NH2CH2CH2CH2络合物螯合物第60页,共64页，2024年2月25日，星期天（