土壤学第八章 土壤酸碱性和氧化还原过程.docx

1、土壤学第八章 土壤酸碱性和氧化还原过程全文电子教材土壤与土壤资源学（上篇：土壤学）林学专业第八章 土壤酸碱性和氧化还原过程 第一节 土壤酸碱性 一、土壤酸度类型及来源 1、活性酸 由土壤溶液中游离的H+引起的，常用pH值表示，即溶液中氢离子浓度的负对数。 土壤中的水分含有各种可溶的有机、无机成分，有离子态、分子态，还有胶体态的，因此土壤中的水实际上是一种极为稀薄的溶液。 盐碱土中土壤溶液的浓度比较高。 土壤酸碱性主要根据活性酸划分：pH在6.67.4之间为中性。 我国土壤pH一般在4-9之间，在地理分布上由南向北pH逐渐减小，大致以长江为界。长江以南的土壤为酸性和强酸性，长江以北的土壤多为中性

2、或碱性，少数为强碱性。 2、潜性酸 土壤胶体上吸附的氢离子或铝离子，进入溶液后才会显示出酸性，称之为潜性酸，常用1000克烘干土中氢离子的厘摩尔数表示 潜性酸可分为两类： （1）代换性酸：用过量中性盐（氯化钾、氯化钙等）溶液，与土壤胶体发生交换作用，土壤胶体表面的氢离子或铝离子被侵提剂的阳离子所交换，使溶液的酸性增加。测定溶液中氢离子的浓度即得交换性酸的数量。 （2）水解性酸：用过量强碱弱酸盐（CH3COONa）浸提土壤，胶体上的氢离子或铝离子释放到溶液中所表现出来的酸性。 CH3COONa水解产生NaOH，pH值可达8.5，Na+可以把绝大部分的代换性的氢离子和铝离子代换下来，从而形成醋酸，

3、滴定溶液中醋酸的总量即得水解性酸度。 要改变土壤的酸性程度，就必须中和溶液中和胶体上的全部交换性氢离子和铝离子。在酸性土壤改良时，可根据水解性酸来计算所要施用的石灰的量。 3、土壤酸的来源 （1）土壤中H+的来源 由 CO2引起（土壤空气、有机质分解、植物根系和微生物呼吸）； 土壤有机体的分解产生有机酸； 硫化细菌和硝化细菌还可产生硫酸和硝酸； 生理酸性肥料（硫酸铵、硫酸钾等）的施用。 （2）气候对土壤酸化的影响 在多雨潮湿地带，盐基离子被淋失，溶液中的氢离子进入胶体取代盐基离子，导致氢离子积累在土壤胶体上。东北地区的酸性土是在寒冷多雨的气候条件下产生的。 北方和西北地区的降雨量少，淋溶作用弱

4、，导致盐基积累，土壤大部分为石灰性、碱性或中性土壤。 （3）铝离子的来源。 粘土矿物铝氧层中的铝，在较强的酸性条件下释放出来，进入到土壤胶体表面成为代换性的铝离子，其数量比氢离子数量大得多，在土壤中表现为潜性酸。 长江以南的酸性土壤，主要是由于铝离子引起的。 二、土壤碱度1、OH-离子的来源 土壤弱酸强碱盐的水解，碳酸及重碳酸的钾、钠、钙、镁等盐类。如Na2CO3、NaHCO3、CaCO3等；其次是土壤胶体上的Na+的代换水解作用。 2、碱度的表示方法 土壤碱性的高低用pH值表示； 用Na+的饱和度表示。 第二节 土壤酸碱性对植物和养分有效性的影响 一、土壤酸碱性对植物的影响 1、大多数植物在

5、pH9.0或2.5的情况下都难以生长。植物可在很宽的范围内正常生长，但各种植物有自己适宜的pH。 喜酸植物：杜鹃属、越桔属、茶花属、杉木、松树、橡胶树、帚石兰； 喜钙植物：紫花苜蓿、草木犀、南天竺、柏属、椴树、榆树等； 喜盐碱植物：柽柳、沙枣、枸杞等。 2、植物病虫害与土壤酸碱性直接相关： 1）地下害虫往往要求一定范围的pH环境条件如竹蝗喜酸而金龟子喜碱； 2）有些病害只在一定的pH值范围内发作，如悴倒病往往在碱性和中性土壤上发生。 3、土壤活性铝：土壤胶体上吸附的交换性铝和土壤溶液中的铝离子，它是一个重要的生态因子，对自然植被的分布、生长和演替有重大影响； 在强酸性土壤中含铝多，生活在这类土

6、壤上的植物往往耐铝甚至喜铝（帚石兰、茶树）；但对于一些植物来说，如三叶草、紫花苜蓿，铝是有毒性的，土壤中富铝时生长受抑制；研究表明铝中毒是人工林地力衰退的一个重要原因。 二、土壤酸碱性对养分有效性的影响 1、在正常范围内，植物对土壤酸碱性敏感的原因，是由于土壤pH值影响土壤溶液中各种离子的浓度，影响各种元素对植物的有效性； 2、土壤酸碱性对营养元素有效性的影响： （1）氮在68时有效性较高，是由于在小于6时，固氮菌活动降低，而大于8时，硝化作用受到抑制； （2）磷在6.57.5时有效性较高，由于在小于6.5时，易形成磷酸铁、磷酸铝，有效性降低，在高于7.5时，则易形成磷酸二氢钙； 无机磷的固定

7、 （3）酸性土壤的淋溶作用强烈，钾、钙、镁容易流失，导致这些元素缺乏。在pH高于8.5时，土壤钠离子增加，钙、镁离子被取代形成碳酸盐沉淀，因此钙、镁的有效性在pH6-8时最好； （4）铁、锰、铜、锌、钴五种微量元素在酸性土壤中因可溶而有效性高；钼酸盐不溶于酸而溶于碱，在酸性土壤中易缺乏；硼酸盐在pH5-7.5时有效性较好。 三、土壤酸碱性的改良 1、土壤酸性土改良 经常使用石灰。达到中和活性酸、潜性酸、改良土壤结构的目的。 沿海地区使用含钙的贝壳灰。也可用紫色页岩粉、粉煤灰、草木灰等。 生石灰需要量（g/m2 )=阳离子代换量*（1盐基饱和度）*土壤重量*28*1/1000 2、中性和石灰性土

8、壤的人工酸化 露地花卉可用硫磺粉（50g/平方米）或硫酸亚铁（150克/平方米），可降低0.51个pH单位。也可用矾肥水浇制。 3、碱性土壤 施用石膏，还可用磷石膏、硫酸亚铁、硫磺粉、酸性风化煤。 第三节 土壤酸碱缓冲性 一、定义： 在自然条件下，向土壤加入一定量的酸或碱，土壤pH值不因土壤酸碱环境条件的改变而发生剧烈的变化，这说明土壤中具有抵抗酸碱变化的能力，土壤这种特殊的抵抗能力，称为缓冲性。 二、意义： 使土壤酸度保持在一定的范围内，避免因施肥、根的呼吸、微生物活动、有机质分解和湿度的变化而pH值强烈变化，为高等植物和微生物提供一个有利的环境条件。 三、原因： 1、土壤胶体的代换性能 土

9、壤胶体上吸收的盐基离子多，则土壤对酸的缓冲能力强； 当吸附的阳离子主要为氢离子时，对碱的缓冲能力强。 2、土壤中有多种弱酸及其盐类 弱酸种类如：碳酸、重碳酸、硅酸和各种有机酸。 3、两性有机物质 氨基酸是两性化合物，氨基可中和酸，羧基可中和碱。 4、两性无机物质 5、酸性土壤中的铝离子 四、 影响土壤缓冲性的因素 1、粘粒矿物类型：含蒙脱石和伊利石多的土壤，起缓冲性能也要大一些； 2、粘粒的含量：粘粒含量增加，缓冲性增强； 3、有机质含量：有机质多少与土壤缓冲性大小成正相关。 一般来说，土壤缓冲性强弱的顺序是腐殖质土大于粘土大于砂土，故增加土壤有机质和粘粒，就可增加土壤的缓冲性。 第四节 土壤

10、氧化还原反应土壤中的许多化学和生物化学反应都具有氧化还原特征，因此氧化还原反应是发生在土壤（尤其土壤溶液）中的普遍现象，也是土壤的重要化学性质。氧化还原作用始终存在于岩石风化和土壤形成发育过程中，对土壤物质的剖面迁移，土壤微生物活性和有机质转化，养分转化及生物有效性，渍水土壤中有毒物质的形成和积累，以及污染土壤中污染物质的转化与迁移等都有深刻影响。在农林业生产、湿地管理、环境保护等工作中，往往要用到土壤氧化还原反应的有关知识。 一、基本概念（一）氧化还原体系 土壤中有多种氧化物质和还原物质共存，氧化还原反应就发生在这些物质之间。氧化反应实质上是失去电子的反应，还原反应则是得到电子的反应。实际上

11、，氧化反应和还原反应是同时进行的，属于一个反应过程的两个方面。电子受体（氧化剂）接受电子后，从氧化态转变为还原态；电子供体（还原剂）供出电子后，则从还原态转变为氧化态。因此，氧化还原反应的通式可表示为： （91） 土壤中存在着多种有机和无机的氧化还原物质（氧化剂和还原剂），在不同条件下他们参与氧化还原过程的情况也不相同。参加土壤氧化还原反应的物质，除了土壤空气和土壤溶液中的氧以外，还有许多具可变价态的元素，包括C、N、S、Fe、Mn、Cu等；在污染土壤中还可能有As、Se、Cr、Hg、Pb等。种类繁多的氧化还原物质构成了不同的氧化还原体系（redox system）。土壤中主要的氧化还原体系如

12、表91。 表91 土壤中主要的氧化还原体系 体系 物质状态 代表性反应举例 氧化态 还原态 氧体系 O2 O2 - O2 + 4H+ + 4e- 2H2O 有机碳体系 CO2 CO、CH4、还原性有机物等 CO2 + 8H+ + 8e- CH4 + 2H2O 氮体系 NO3- NO2 -、NO、N2O、N2、NH3、NH4+ NO3- +10H+ +8e- NH4+ 3H2O 硫体系 SO24 - S、S2-、H2S SO42- + 10H+ + 8e- H2S+4 H2O 铁体系 Fe3+、Fe(OH)3 、Fe2O3 Fe2+、Fe(OH)2 Fe(OH)3+3H+ e- Fe2+3H2O

13、 锰体系 MnO2、Mn2O3、Mn4+ Mn2+、Mn(OH)2 MnO2+ 4H+ + 2e- Mn2+2H2O 氢体系 H+ H2 2H+ + 2e- H2 （二）、 氧化还原指标 （1）强度指标 1、氧化还原电位（Eh） 氧化还原电位（redox potential）是长期惯用的氧化还原强度指标，它可以被理解为物质（原子、离子、分子）提供或接受电子的趋向或能力。物质接受电子的强列趋势意味着高氧化还原电位，而提供电子的强烈趋势则意味着低氧化还原电位。 氧化还原电极电位的产生，可以Fe3+ + e- Fe2+反应为例加以说明：如果向溶液中插入一铂电极，则Fe2+和铂电极接触时就有一种趋势，

14、将其一个e- 转给铂电极，而使电极趋于带负电荷，Fe2+则被氧化成Fe3+；与此同时，溶液中原有的Fe3+则趋于从铂电极上获取一个e-，使电极带正电荷，而其本身则被还原成Fe2+。上述两种趋势同时存在，方向相反，因此其总的净趋势方向和大小就要看Fe2+ 和Fe3+的相对浓度（活度）而定。也就是说，在这一反应体系中铂电极的电性如何以及电位高低，都决定于电极周围溶液中的Fe3+ Fe2+之比。一个氧化还原反应体系的氧化还原电位可用下列通用公式表达： （92） 上式即能斯特（Nernst）公式。其中，Eh为氧化还原电位，单位为伏或毫伏；E0为该体系的标准氧化还原电位，即当铂电极周围溶液中氧化态/还原态比值为1时，以氢电极为对照所测得的溶液的电位值（E0可从化学手册上查到）；R为气体常数（8.313J）,T为绝对温度，F为法拉第常数（96500库仑），n为反应中转移的电子数；氧化态、还原态分别为氧化态和还原态物质的浓度（活度）。将各常数值代入式（92），在25时，并采用常用对数，则有： （93） （93）式中，Eh的单位为伏特。在给定的氧化还原体系中，E0和n也为常数，所以氧化态/还原态的比值决定了Eh值高低。比值愈大，Eh