土壤水分土壤空气和土壤温度教案.docx
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土壤水分土壤空气和土壤温度教案
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第三节土壤水分、土壤空气和土壤温度
一、土壤水分
1、土壤水分的重要性、来源和消耗
重要性
是供应植物养分的介质
是影响植物生长发育的重要生态因子,是土壤生态系统中物质和能量流动的介质
是四大肥力因素之一,是植物生长所需水分的主要来源
参与土壤中许多重要的物理、化学和生物学过程
大气降水
土壤蒸发
来源
农业灌溉水
消耗
植物吸收和蒸腾
地下水
水分渗漏
汽态水的凝结
径流损失
2、土壤水分类型
据土壤水分所受吸引力的大小将土壤水分分为：
1）吸湿水：
靠分子引力吸持在土壤颗粒表面的气态水。
所受吸力很大，31-1万个atm,既不能被植物吸收，
也不能自然蒸发。
吸湿系数吸湿水
2）膜状水：
受剩余分子引力吸引包围在吸湿水表面的液态
水。
所受吸力较小，只有6－31个atm,呈粘滞－液体状态，植
物利用非常有限。
凋萎系数
3）毛管水：
靠毛管力吸附保持在土壤毛管孔隙中的水分。
所受吸力更小，只有0.1－6个atm。
田间持水量（或
膜状水
毛管持水量）
4）重力水：
存在于非毛管孔隙中，受重力作用向下渗漏
或侧向运动的水分。
所受吸力较小0.1。
最大持水量
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3、土壤含水量
1）计算公式
土壤含水量（%）=土壤水分重量/土壤固相重量×100%
=（湿土重－烘干土重）/烘干土重×100%
2）水分常数
概念：
是指土壤能保持的各种水分形态的最大数值。
类型：
4个，饱和持水量（或最大持水量）→田间持水量（或毛管持水量）→调萎系数→吸湿系数
饱和持水量（或最大持水量）：
土壤中的大、小孔隙全部被水分充填时的土壤含水量。
田间持水量（或毛管持水量）：
土壤中的小孔隙（即毛管孔隙）全部被水分充填时的土壤含水量。
凋萎系数（或凋萎点）：
当土壤中的水分含量持续地下隆，直到植物根系从土壤中难以再吸收到水分。
这时，土壤中的一些非常细小的毛管孔隙和土壤颗粒表面仍保持着水分，但数量已经很少，且土壤对水分的吸力大于植物对水分的吸力，以致不能被植物利用，植物在此情况下会因缺水而出现凋萎现象，此时的土壤含水量叫凋萎系数。
凋萎系数＝全部吸湿水＋剩余的膜状水〧1.5×吸湿系数
吸湿系数：
因分子引力吸持而保存在土壤颗粒表面，既不能被植物吸收，也不能自然蒸发，这部分水分的含量。
风干土的含水量就是吸湿系数。
无效水：
土壤吸水力
>15个
atm,
吸湿水、大部分膜状水
据植物生长对水
分的需要
有效水：
土壤吸水力在
15-0.1
个atm，毛管水、小部分膜状水膜
过剩水：
土壤吸水力
<0.1atm，重力水
2、土壤水分类型
土壤有效水分含量=田间持水量-凋萎系数
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二、土壤空气
1．特点：
与近地面空气相比，土壤空气有自己的特点
1）土壤空气不是连续的，而是存在于被固体颗粒隔开的土壤空隙中
2）土壤空气的含水量一般高于大气，通常处于饱和状态
土壤空气具有较高的含水量，一般高于大气，除表层干燥土壤外，通常处于
饱和状态，相对湿度接近100%；
3）CO2含量高于大气，O2含量则低于大气
大气中CO2平均含量为0.03%，土壤空气中的CO2浓度比大气高出8-300倍；大气中O2含量为20.94%，而土壤空气中的O2含量仅为18.0-20.03%。
4）土壤空气中含有较多的还原性气体
土壤空气中含有较多的还原性气体，如CH4、H2、H2S等，而大气中一般极少。
2．原因：
由土壤中众多的生命活动造成
1）土壤中生物体的呼吸活动要消耗O2，产生CO2；
2）土壤有机质的分解转化，也要消耗O2，产生CO2、CH4、NH3、H2S和H2等
3．交换过程（即土壤呼吸作用）
CO2由土壤排出进入大气，O2由大气扩散进入土壤，犹如生物的呼吸过程，
故此又称其为土壤呼吸作用。
4．意义
土壤空气与大气的正常交换为土壤生物的活动和土壤有机质的转化创造了适宜的空气环境条件。
具体为：
1）影响土壤微生物的活动，进而影响有机质的转化方向和速度。
2）影响植物根系和土壤动物的活动。
三、土壤温度
1、土壤热量平衡
收入：
太阳辐射能
支出：
水分蒸发、地面辐射、对流、传导、湍流
收入>支出：
白天和夏季，土温升高
收入<支出：
夜晚和冬季，土温下降
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2、土壤温度的变化
日变化：
影响深度小，平均可达15cm左右
年变化：
影响深度大，平均可达3m左右
规律：
土壤表面最大，随深度增加逐渐缩小，与地上气温的变化相对称（见
图9.10）。
练习题
1.何谓土壤水分有效性？
对于某一土壤来说，为什么有效水分含量不是一个
常数？
2.简述土壤呼吸作用对土壤肥力和全球变化的影响。
第四节土壤养分、土壤酸度与土壤胶体
一、土壤养分
1．类型
宏量营养元素：
9种，C、H、O（源于水和空气）；N、P、K、
1）按植物需要
量大小的不同
Ca、Mg、S（源于土壤）
微量营养元素：
8种，Fe、Cu、Zn、Mn、Mo、Co、B、Cl，都来
自土壤
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无效态（储存态）养分:
存在于固体矿物
2）据植物能
和有机质内部
否直接利用
自由态:
存在于土壤溶液中
有效态养分
吸附态（交换态）:
保存在胶体表面
无效态（储存态）养分：
存在于固体矿物和有机质内部的营养元素或养分，不能被植物直接利用，但却是土壤中营养元素的最大储备库，故此，也将地这些养分称为储存态。
它们经过化学风化和矿质化作用后即可释放出来，转化为植物可利用的有效态养分。
有效态养分：
包括自由态和吸附态（交换态），均为离子态。
自由态存在于土壤溶液中，吸附态被吸附保存在土壤胶体的表面。
两者之间存在着相互调节的动态平衡关系。
在数量上，无效态养分>有效态养分；在有效态养分中，吸附态>自由态。
2．三态之间的动态转化关系：
见P465图9.9。
二、土壤溶液与土壤酸度
1．土壤溶液
1）概念：
是指土壤水分及其所含气体、溶液和悬浮物质的总称，是一种多
相分散系的混合液。
2）组成
无机胶体：
H2SiO3、R2O3、粘土矿物
无机盐类
有机化合物：
腐殖质、有机酸、碳水化合物、蛋白质及其衍生物等
溶解性气体
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3）变化：
表现在组成和浓度两个方面
组成：
盐土：
以易溶性盐类为主。
++2-
1-
2-
盐为主，其次为可溶性的有机质，无
碱土：
以K、Na的CO
、HCO
、SiO
3
3
3
机-无机胶体、悬浮颗粒物质等。
草原土壤：
以Ca（HCO）
2
为主,其次为硫酸盐。
3
森林土壤：
以有机化合物为主，其次是
Ca（HCO3）2为主,其次是离子态养分。
浓度：
森林土壤＜草原土壤＜荒漠土壤＜盐碱土
不同类型的土壤中或同一土壤的不同类型中，
以及在不同的季节里，其成分
和浓度都有变化。
2．土壤酸度
1）根本原因：
土壤溶液中存在H+，土壤胶体上存在H+、AL3+，二者都因土壤
溶液中存在有酸碱物质。
2）类型：
①活性酸度（或有效酸度）：
PH=-log[H+]
强酸性土壤：
PH＜4.5
据PH值大小，将土
酸性土壤：
4.6
＜PH＜6.5
中性土壤：
6.6
PH7.5
壤划分为以下类型
＜＜
碱性土壤：
7.6
＜PH＜8.5
强碱性土壤：
PH＞8.5
②潜在酸度：
是指由土壤胶体上吸附的交换性H+、AL3+所引起的酸度，其大小用cmol/100g土表示。
在一般情况下不显示其酸度，只有当这些H+、AL3+被其它阳离子代换下来进入溶液后才显示酸度。
据测定方法的不同，将其分为以下两
种：
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a代换性酸度：
是指用中性盐（KCl）溶液与土壤相互作用所测定的酸度,也
叫交换性酸度。
H+
K+
+
胶体
+
KCl
胶体
HCl
AL+++
K+
+
+
3KCl
K
K+
胶体
胶体
+
ALCl3
ALCl
＋3H
O
K+
2
AL（OH）＋3HCl
3
3
b水解性酸度：
是指用弱酸强碱盐
（NaAc）溶液与土壤相互作用所测定的
H+、
AL3+的最大可能数量。
NaAc水解：
NaAc＋H2OHAc＋NaOH
由此产生的HAc解离度很小，而NaOH可完全电离。
c两种酸度的关系：
活性酸度和潜在酸度在一定条件下可以相互转化，同属
于一个平衡体系中的两种酸度。
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+
H
AL+++
Na+
+
+4NaOH
Na
胶体
+
3
＋
2
胶体
AL（OH）
HO
+
Na+
Na
+
H
AL+++
Ca++
胶体
2＋
+2Ca
＋H+＋Al3+
潜在酸度
胶体
Ca++
活性酸度
3）影响因素
①母岩母质：
湿润地区，花岗岩→酸性土，石灰岩→中性土
②气候：
主要是降水，降水量多的湿润地区，多为酸性土壤；干旱、少雨
地区，多为中性－碱性土壤。
4）过酸、过碱土壤的改良
土壤的酸碱度影响着植物养分的有效性。
通常，当土壤处于中性时，大多数养分的有效性最高，协调得比较好，土壤过酸、过碱，养分的有效性都较低，大
多数植物难于正常生长。
因此对过酸、过碱土壤要进行改良。
全省约21%的耕地过酸，3%的耕地过碱。
①过酸土壤的改良：
全省约21%的耕地过酸
目标：
降低土壤溶液中和土壤胶体上H+、AL3+的含量，即改良活性酸度和
潜在酸度。
一是施熟石灰（Ca（OH）2），既改良活性酸度，又改良潜在酸度
方法
二是施生理碱性肥料，如NaNO3等，改良潜在酸度
②过碱土壤的改良：
目标：
中和土壤溶液中的[OH-]和Na2CO3，降低胶体上的交换性[Na+]
方法
一是施强酸弱碱盐，如石膏（CaSO4）、硫酸铁（Fe2（SO4）3）等
二是施生理酸性肥料，如（NH4）2SO4
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3．土壤对酸碱的缓冲性能
1）概念：
是指土壤所具有的抵抗在外界化学因子作用下酸碱反应剧烈变化
的性能,即当增加或减少土壤溶液中H+的浓度时，其PH值并不随之增加或降低。
2）原因：
土壤胶体上吸附有代换性阳离子
致酸离子（
H+、AL3+）：
对碱起缓冲作用
包括
盐基离子（
++2+2+
K、Na、Mg、Ca⋯⋯）：
对酸起缓冲作用
土壤的缓冲性能，随阳离子交换量的增加而增大，其中对酸的缓冲作用，随盐基饱和度的增加而增大，对碱的缓冲作用则相反，随盐基饱和度的增加而降低。
3）意义
有助于缓和土壤的酸碱变化，为植物生长和微生物活动创造比较稳定的酸碱环境，提高土壤养分的有效性。
三、土壤胶体和土壤的离子吸收交换作用（补充）
（一）土壤胶体的种类和性质
1．概念：
是指土壤中高度分散、粒径在1-100mum之间的土壤固相颗粒。
土壤中的许多物理化学现象，如土粒的分散和凝聚、离子的吸附与交换、酸
碱性、缓冲性、粘结性和可塑性等，都与胶体有直接的关系。
有机胶体：
土壤中呈分子状态的各种有机化合物,如腐殖质、有机酸、蛋白质及其衍生物等。
无机（矿质）胶体:
粘土矿物，H2SiO3、含水R2O3
2．类型（据植胶体性有机胶体：
土壤中呈分子状态的各种有机化合物
有机-无机复合胶体:
是土壤中胶体的主要存在形式
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有机-无机复合胶体：
是土壤中有机胶体与无机胶体通过各种键力，如氢键、
离子键和金属键等复合在一起的胶体，是土壤中胶体的主要存在形式。
3．性质
1）巨大的比表面和表面能
2）带有电荷（带电性）
3）分散和凝聚性（作用）
凝聚作用
溶胶凝胶
分散作用
实践表明：
在胶体溶液中用二、三价阳离子（如
3+
3+
2+
2+
Fe、AL、Ca、Mg等）
取代一价离子，可降低胶体的电动电位（ζ），导致胶体的凝聚，促进土壤结构的形成和部分养分的保蓄。
此外，降低溶液的PH值也可促进凝聚的发生。
相反，用一价阳离子（特别是Na+）取代高价离子，可以增大胶体的电动电
位（ζ），导致胶体的分散，破坏土壤结构，分散土粒。
（二）土壤离子吸收交换作用
离子交换作用：
是指土壤胶体表面与溶液介质中电荷符号相同的离子相互交
换，称离子吸收交换作用。
阳离子吸收交换作用
包括
阴离子吸收交换作用
1．阳离子交换作用：
最普遍、最重要
如：
胶体
Ca++
＋2KCL
＋
胶体
K＋
＋CaCL
K
2
Na＋胶体Ca++＋3NH4CLNH4-胶体NH4-＋CaCL2＋NaCL
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1）特点：
阳离子交换作用与一般的置换（取代）反应相似，是可逆反应，原有平衡打
破后能迅速建立新的平衡，离子交换按当量定律进行等价交换。
2）影响阳离子交换反应强弱的因素
①阳离子交换能力
其大小随着阳离子价数的增加而增大；等价阳离子随着原子序数的增加而增大；离子运动速度越快（如H+），浓度越大，交换能力越强（如H+）。
土壤中常见阳离子交换能力顺序：
3+3++2+2+2+++
Fe＞AL＞H＞Ca＞Mg＞NH4＞K＞Na
②胶体的种类和数量
胶体所带负电荷数量越多，阳离子交换能力越强。
一般有机胶体的电荷数量
大于无机胶体。
无机胶体中，电荷数量依次是蒙脱石＞伊利石＞高岭石＞含水
R2O3。
有机胶体＞无机胶体
蒙脱石＞伊利石＞高岭石＞含水R2O3
土壤溶液PH值
随PH值升高，阳离子交换能力增强。
原因：
PH值越高，土壤胶体吸附
+
的数量越少，解离
-
H
OH的数量越多，胶体
微粒表面所带的负电荷越多。
3）衡量阳离子交换能力强弱的指标
①阳离子交换量：
概念：
是指土壤胶体所能吸附的各种阳离子的总量，其数值以每千克土壤中
所含各种阳离子的摩尔数来表示，单位是cmol/kg，简写CEC（cationexchange
capacity）。
意义：
CEC的大小可以指示土壤吸附阳离子数量的多少，是衡量土壤保肥性能强弱的指标。
一般认为：
CEC：
＞20cmol/kg,保肥能力强
意义CEC：
10－20cmol/kg,保肥能力中等
CEC：
＞10cmol/kg,保肥能力弱
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缺陷：
不能表明胶体上吸附的阳离子种类。
事实上，胶体吸附的H+和AL3+
与盐基离子的性质明显不同，它们属于致酸离子，可以使土壤溶液呈酸性反应。
为了区别胶体上吸附的致酸离子和盐基离子的数量，专家们提出了盐基饱和度的概念。
②盐基饱和度：
是指土壤胶体上吸附的盐基离子占CEC的百分数。
公式：
盐基饱和度（%）=交换性盐基离子总量/CEC×100
意义：
一般认为，盐基饱和度≥50%，（老教材为70%），土壤为盐基饱和土
壤，这类土壤保肥性能好，养分丰富，呈中性或碱性反应；＜50%，土壤为盐基不饱和土壤，这类土壤保肥能力弱，养分贫乏，呈酸性反应。
2、阴离子交换作用
1）概念：
带正电荷的胶体对土壤溶液介质中阴离子的吸附与交换作用叫土壤阴离子交换作用。
吸附阴离子的胶体主要是Fe（OH）3、AL（OH）3等无机胶体。
2）意义：
阴离子交换作用远不如阳离子交换那样普遍，但对于土壤中N、P、
S等以阴离子形式（如H2PO4-、NO3-、SO42-等）存在的养分供应和保蓄来说却十分
重要。
3）土壤中阴离子交换能力顺序为：
-
-
-
-
-
-2-
-
-
F
＞草酸根＞柠檬酸根＞HPO
＞HCO＞HBO
＞CHCOO＞SCN＞SO
＞CL
＞NO
2
4
3
2
3
3
4
3
练习题
1.为什么湿润、半湿润、干旱地区的土壤PH不同？
2．土壤CEC和盐基饱和度受哪些因素影响？
是如何影响的？
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