土壤基本性质.docx

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土壤基本性质

第二章土壤基本性质

土壤的性质可以大致分为物理性质、化学性质及生物性质三个方面。

土壤的生物性质主要是指土壤的微生物性质。

应该注意的是，这三类性质往往不是孤立地在起作用，而是紧密联系、相互制约地在对作物产生影响。

三类性质综合表现为土壤肥力（图2—1）。

如土壤有机

如有机质残体和质的转化及

腐殖质对土壤结酶的作用

构性的影响

图2—1土壤性质与肥力的关系

第一节土壤胶体

一、土壤胶体的特点

土壤胶体是土壤固体颗粒中最微细部分。

在胶体化学上，一般把直径在1—100nm之间的物质颗粒称为胶体颗粒。

但在土壤中，由于小于100nm的粘粒便具有胶体性质，所以土壤胶体大小的概念比一般规定的胶体颗粒的上限大10倍。

土壤溶液中有胶体微粒分散存在时，叫做土壤胶体溶液。

二、土壤胶体的种类

土壤胶体按其成分不同，可以分以下三类：

（一）无机胶体

无机胶体主要是极细微的土壤粘粒，包括成分简单的含水氧化物（含水氧化铁、氧化铝、氧化硅）和成分复杂的各种层状铝硅酸盐（高岭石、蒙脱石、水云母等），它们大部分是次生矿物。

含水氧化物和层状铝硅酸盐这两类矿物都是岩石风化和成土过程的产物，都能影响土壤肥力特性，就广义而言统称为黏土矿物。

（二）有机胶体

有机胶体主要是腐殖质，它是土壤有机质腐殖化过程的产物。

由于腐殖质分子大，功能团多，解离后带负电量大，对土壤保肥供肥能力有深刻的影响。

有机胶体是极好的胶结剂，可以把土粒胶结在一起形成良好的土壤结构。

（三）有机无机复合胶体

土壤中的无机胶体和腐殖质胶体绝大部分都结合在一起，形成有机无机复合胶体。

土壤中的有机和无机胶体可以通过多种方式进行结合，但大多数是通过多价离子（如钙、镁、铁、铝等）或功能团（如氨基、羧基、酚羟基、醇羟基等）将带负电荷的粘粒矿物和腐殖质连结成有机无机复合胶体的。

土壤中的微生物一般都吸附在有机胶体和无机胶体颗粒的表面，被此结合成具有活性的土团及土壤结构。

西南农学院的研究结果认为，微生物也是复合胶体的一个组成部分，土壤复合胶体应是土壤微生物—有机—无机复合胶体。

这种复合胶体借助于微生物体内酶和体外酶以及植物根的分泌物，植物遗体及有机肥料等带入的大量酶的活动，在一定温度范围内，通过各类物质的代谢作用，可以调节土体内部热、水、肥，维持其动态平衡，是维持土壤与植物的生理协调的物质基础。

三、土壤胶体的构造

土壤胶体微粒的构造可分为三部分：

微粒核、决定电位离子层和补偿离子层。

决定电位离子层和补偿离子层总称为双电层，见图2—2。

（一）微粒核（胶核）

微粒核是胶体微粒的核心部分，它是由组成胶体微粒的基本物质（黏土矿物、腐殖质、蛋白质等）的分子群所组成。

（二）决定电位离子层（双电层内层）

决定电位离子层是固定在微粒表面并决定胶体微粒电荷和电位的一层离子。

它是由微粒核表面分子解离或从溶液中吸附某些离子而形成。

它能使胶体微粒带电，带电的性质（电荷的符号）决定其吸附阳离子或阴离子，其带电量决定吸附离子的数量。

（三）补偿离子层（双电层外层）

决定电位离子层的存在，必然吸附与其电荷相反的离子围绕在其周围，形成补偿电子层。

这一层离子带着和决定电位离子层电性相反而电量相等的电荷。

补偿离子层按其被决定电位层吸附力的强弱和活动情况，又可分为两层，这两层是逐步过渡的。

1．非活性层

靠近决定电位离子层，所受吸力很强，被吸附很紧，不能自由活动的离子层。

2．扩散层

离决定电位离子层较远，疏散在胶粒的外围，由非活性层逐渐过渡到这一层。

由于决定电位离子层对它的吸力不强，所以它有较大的活动性，呈扩散分布的状态，故叫扩散层。

扩散层的离子可与溶液中的离子互相代换，很容易参加土壤的离子代换作用等多种过程。

此层为胶体微粒的最外层，由这一层逐渐过渡到胶粒间溶液。

四、土壤胶体的性质

土壤胶体对土壤肥力有重大影响，其实质是因为它具有下列主要特性：

（一）胶体具有巨大的表面能

任何物质的分子与分子之间有着互相吸引的力，在物质内部，任何分子都受到周围分子的同等吸力，因此它所受到的各方面的力是均衡的，这些均衡的力相互抵消，而合力就等于零，所以对其它分子的能量没有影响。

但在物体表面上的分子，在它的周围，并不是相同的分子，所以它受到不均衡的吸力。

在它与液体或气体接触的一面，因液体或气体分子对它的吸力小，在这种情况下，分子的合力不等于零，因而，致使表面上的分子，对外表现出有剩余能量，这种能量是由于表面的存在而产生，所以叫做表面能。

表面能的大小取决于物体的表面积，换句话说是取决于比面。

所谓比面就是指每单位重量物体的表面积，可以用下式表示：

...............................................

（1）...

设有半径为r的球形土粒，它的重量应为4/3πr3，球形面积为4πr3，代入

（1）式，则得：

4πr3311

比面==×=1.13（平方厘米/克）……

（2）

4/3πr3×2.652.65rr

从

（2）式中可以看出比面与颗粒半径成反比。

例如半径为0.1厘米的1克砂粒，比面只有11.3平方厘米，而半径为0.0001厘米的1克粘粒，它的比面可达11，300平方厘米。

由此可见，一定重量的物体，颗粒越细，总表面积越大，表面能也越大。

土壤胶体微粒半径很小，比面很大，巨大的比面，使它产生了巨大的表面能。

所以土壤越细，所含胶体微粒越细，表面能越大，吸附分子态物质能力也越强。

（二）胶体具有带电性

胶体颗粒一般都带有电性，土壤胶体也不例外。

土壤胶体带电的主要原因是由于微粒核表面分子本身的解离所致。

土壤有机胶体含有羧基（—COOH）、羟基（—OH）和酚基（—OH），它们在周围溶液中解离出若干数量的氢离子，解离后形成—COO—与O-留在核面上，而使决定电位离子层带负电荷，见图2—3。

一般情况，含水氧化硅胶体外层为硅酸分子（H2SiO3）发生解离：

它们在碱性溶液中则解离出氢离子，使土壤胶体带负电荷。

其解离式为：

这样Fe（OH）2+或FeO+构成决定电位的离子层，而Cl-构成补偿离子层，见图2—4。

它们在碱性溶液中则解离出氢离子，使土壤胶体带负电荷。

其解离式为：

Fe（OH）3+NaOH=Fe（OH）2O-Na++H2O

Fe（OH）2O-被固定在微粒核表面，构成决定电位离子层，而Na+则构成补偿离子层。

这种随着土壤PH值而改变，既能带正电，又能带负电的胶体称为两性胶体。

土壤中粘土矿物多带负电荷。

有机无机复合胶体虽然保留各种组成的原来性质，但由于土壤中含量较多的硅酸和粘土矿物都带有负电荷，而富集于表土的有机胶体也带有负电荷，所以有机无机复合胶体表现出带多量的负电荷。

综上所述，土壤胶体大多数是带负电荷的，因此补偿离子层多由阳离子组成。

由于土壤胶体带电，所以才能吸收、保持许多离子态养分，既能避免流失、又可随时供应植物吸收利用。

（三）胶体的凝聚和分散作用土壤胶体有两种不同的状态：

一种是胶体微粒均匀散布在水中，呈高度分散的溶胶；另一种是胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状的凝胶。

土壤胶体溶液，如受某些因素的影响，使胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶，这种作用叫胶体的凝聚作用。

反之凝胶分散或呈溶胶状态，叫做胶体的分散作用。

土壤胶体所以呈凝胶状态，且具有相当的稳定性，这是由于胶体微粒的带电性和水膜的存在而引起的。

因为同一种胶粒，带有相同的电荷，促使胶粒相互排斥，而水膜又能阻碍胶粒互相粘结，因而使胶体呈溶胶状态。

如果减少土壤水分，促使胶体水膜变薄和提高电解质浓度，或直接加入电解质，以中和胶体的电性，必然会促使胶体粘粒结成较大的颗粒而凝聚。

土壤中带负电荷的胶粒占多数，所以土壤溶液中的离子能使带负电的胶粒凝聚。

实验证明，阳离子的价数越高，半径越大，所产生的凝聚作用越强。

土壤中常见的阳离子，按凝聚力的大小，依次排列如下：

Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+

当土壤干燥和冻结时，土壤溶液所含电解质的浓度增加，同样会引起胶体的凝聚。

此外，土壤中带有相反电荷的胶体，相互接触时也会凝结作用。

溶胶变成凝胶后，如果反复用水冲洗，容易发生分散作用变成溶胶，这种凝聚叫做可逆凝聚。

一般由一价的阳离子（Na+、K+、NH4+）在高浓度时所引起的凝聚为可逆凝聚。

二价及三价阳离子（Mg2+、Ca2+、Al3+、）所引起的凝聚则比较难于进行分散。

它们所形成的土壤结构具有相当的稳定性，特别是Ca2+和腐殖质共同作用下，所形成的土壤结构更好。

土壤胶体是溶胶状态时，土壤结构不良，耕性很差，湿时泥泞，干时结块，影响土壤的通气透水性，对植物生育和土壤耕作都是不利的。

相反呈凝胶状态时，土壤具有良好的结构和耕性，养分也易于保存。

所以在生产上，常施用钙质肥料（如石灰、石膏）改善胶体性质，以及通过排水、晒田、冰冻等方法提高土壤溶液中离子浓度和通过深耕晒垡、冻垡等措施促进胶体脱水，改善土壤结构。

土壤肥力的特点不仅在于土壤具有供应水、肥的能力，更重要的是具有协调供水、肥的能力，满足作物生长所需要的水分、养分等生活条件，让作物吃饱、喝足、住得舒服。

要能达到这样的要求，良好的耕作是一重要前提，而有机无机复合胶体则是形成土壤良好结构的重要物质基础。

第二节土壤交换吸收性能

浑浊的水通过土壤会变清，粪水、臭气通过土壤，臭味会消失或减弱，海水通过土壤会变淡等现象说明，土壤对施入的肥料、盐分或微小颗粒有吸收和保持的能力。

土壤吸持各种离子、分子、气体和粗悬浮体的能力称为土壤的吸附性能。

它是土壤能保存营养物质并不断地向植物提供养分的主要原因。

各种吸收作用都有各自的特点，其中机械的吸收性能是指土壤孔隙对较大的颗粒的阻留作用；物理吸收性能是指土壤细粒靠表面能对分子态物质的吸收；化学吸收性能是指土壤溶液中的可溶性养分与土壤中某些物质起化学反应，形成难溶性物质的作用；而生物吸收性能则是指植物和微生物对土壤中可溶态养分的选择吸收作用。

还有交换吸收性能是指土壤溶液中的离子态养分与土壤胶体上的离子进行交换后而被保存在土壤中的作用。

它对土壤养分的吸收和释放起着更为重要的作用。

一、土壤的阳离子交换吸收作用土壤胶体多数带负电荷，扩散层的阳离子和土壤溶液中的阳离子进行交换，称为阳离子交换吸收作用。

反应过程如下：

H+—K+

Ca2+—K+K+K+

—K++5KClK+K++2CaCl2+HCl

Ca2+—Ca2+K+K+

K+Ca2+

（一）阳离子交换吸收作用的特征由反应式可知，阳离子交换有两个基本特征：

⒈可逆反应阳离子交换是可逆反应。

所谓可逆反应，是指反应同时向两个方向进行，如AB+CDAD+CB。

在一般情况下，反应很快达到平衡，然而反应的任何一个方面都不能彻底完成。

土壤在自然状况下，不是单纯吸收某一种离子，而是吸收两种或两种以上的离子。

被土壤胶体吸附的任何一种阳离子，不可能被全部代换到溶液中去。

⒉等当量交换在阳离子交换过程中，离子间以离子价为根据做等量交换。

如一个当量的钙离子可被一个当量的钾离子所代替，钙离子的当量是40/2=20，而钾离子的当量是39.1/1=39.1，即20克的钙离子可以代换39.1克的钾离子。

如果用两价的钙离子去交换一价的钾离子时，一个摩尔离子的钙可以代换两个摩尔离子的钾。

（二）阳离子交换能力一个阳离子把其它阳离子从胶体微粒上代换出来的能力，称为阳离子交换能力。

各种阳离子交换能力的大小顺序是：

Fe3+＞Al3+＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+、K+＞Na+。

阳离子交换能力的大小受以下三种情况所支配：

⒈离子价数离子交换能力随离子价数的增加而增大。

这时由于离子的电荷愈多，与胶体间的电性引力也愈强，因而交换能力增大。

⒉阳离子半径和水化程度在电荷价数相等的离子中，离子半径愈大，其水化半径趋于减小，则交换能力愈强。

因为在离子