1、Chap. 11 土壤孔性,1 土壤孔性的概念 土壤中土粒或团聚体之间以及团聚体内部的空隙叫做土壤孔隙。 土壤孔性包括孔隙度（孔隙的数量）和孔隙类型（孔隙的大小及其比例），前者决定着土壤气、液两相的总量，后者决定着气、液两相的比例。,Chap. 11 土壤孔性,2 土壤孔隙度 土壤孔隙度是单位容积土壤中孔隙容积占整个土体容积的百分数。它表示土壤中各种大小孔隙度的总和。一般是通过土壤容重和土壤密度来计算。 土壤孔隙度= 1- （容重）/相对密度 100%,Chap. 11 土壤孔性,土壤孔隙度=孔隙容积/土壤容积 100% =（土壤容积-土粒容积）/土壤容积 100%=1-（土粒容积/土壤容积）
2、 100% = 1-（土粒重量/土粒密度）/（土壤重量/容重 ） 100%= （1-容重/土粒密度）100%,Chap. 11 土壤孔性,土粒密度：单位容积（无粒间孔隙）的固体土粒的干重。单位为： g/cm3 土粒相对密度：与4 时水的密度的比值。 土粒密度的大小主要决定于土壤矿物的密度和有机质的密度。有机质的密度为 1.25-1.40 g/cm3；矿物密度大多在2.6-2.7之间；一般取土粒（土壤）密度为2.65 g/cm3,Chap. 11 土壤孔性,Chap. 11 土壤孔性,土壤容重：是指单位容积土体（包括孔隙在内的原状土）的干重。单位为g/cm3或t/m3。一般旱地土壤容重大体在1.
3、001.80 g/cm3之间。 土壤容重是一个重要的参数： 反映土壤松紧度 计算土壤的重量 计算土壤中各组分（如土壤水分、有机质、养分和盐分等）的含量 土壤孔隙比,Chap. 11 土壤孔性,3 土壤孔隙类型 当量孔径: 是指与一定的土壤水吸力相当的孔径,它与孔隙的形状及其均匀性无关。土壤水吸力与当量孔径的关系式为：d = 3/T d为孔隙的当量孔径（mm）、 T为土壤水吸力（100Pa） 当量孔径与土壤水吸力成反比，土壤水吸力愈大，则当量孔径愈小。,Chap. 11 土壤孔性,3 土壤孔隙类型 非活性孔：又称无效孔、束缚水孔。 这是土壤中最细微的孔隙，当量孔径一般1.5105Pa。 毛管孔隙
4、：当量孔径约为0.2-0.02mm, 土壤水吸力1.5104Pa-1.5105Pa,具有毛管作用。 通气孔隙：当量孔径0.2mm,相应的土壤水吸力1.5104Pa,毛管作用明显减弱。,Chap. 11 土壤孔性,4 土壤孔隙状况与土壤肥力、作物生长的关系 （1）土壤孔隙状况与土壤肥力 （2）土壤孔隙状况与作物生长 旱作土壤耕层的土壤总孔隙度为50%-56%，通气孔度不低于10%，大小孔隙之比在1:2-4，较为合适。,Chap. 12 土壤结构性,1 土壤结构体和土壤结构性的概念 土壤结构体：又称土壤结构，是指原生土粒（单粒）和次生土粒（复粒）的排列与组合状况。 土壤结构性：土壤结构体的大小、形
5、状、力稳性、水稳性及孔隙状况的综合特征。,Chap. 12 土壤结构性,2 土壤结构（体）的类型 块状结构：其长、宽、高三轴大体近似，边面不明显； 核状结构：长、宽、高三轴大体近似，边面梭角明显，较块状结构小； 团粒结构： 通常是指土壤中近于圆状小团聚体，其粒径为0.25-10mm。农业生产上最理想的团粒结构粒径为2-3mm;,Chap. 12 土壤结构性,2 土壤结构（体）的类型 片状结构：结构体的水平轴特别发达，即沿长、宽方向发展呈薄片状，厚度稍薄，且结构体间较为弯曲者称为鳞片状结构，片状结构的厚度可小于1cm与大于5cm 不等; 柱状结构：结构体的垂直轴特别发达，呈立柱状； 棱柱状结构：
6、棱角明显；,Chap. 12 土壤结构性,Chap. 12 土壤结构性,3 土壤团粒结构与土壤肥力 良好团粒结构具备的条件 有一定的结构形态和大小； 有多级孔隙； 有一定的稳定性； 有抵抗微生物分解破碎的能力。,Chap. 12 土壤结构性,3 土壤团粒结构与土壤肥力 团粒结构对土壤肥力的作用 能协调水分和空气的矛盾； 能协调土壤有机质中养分的消耗和积累 的矛盾； 能稳定土壤温度，调节土热状况； 改良耕性和有利于作物根系伸展。,Chap. 12 土壤结构性,4 土壤团粒结构的形成 土粒的粘聚： 胶体的凝聚作用； 水膜的粘结作用； 胶结作用（简单的无机胶体、粘粒、有机物质） 成型动力： 生物作用
7、； 干湿交替作用； 冻融交替作用；土壤耕作的作用等。,Chap. 12 土壤结构性,5 形成土壤团粒结构的措施 农业措施: 深耕与施肥、 正确的土壤耕作、 合理的轮作制度、 调节土壤阳离子组成、 合理灌溉、晒垡和冻垡。 土壤结构改良剂的应用,Chap. 13 土壤耕性,1 土壤耕性的概念 土壤耕性：是指土壤在耕作时所表现的特性，包括： （1）耕作的难易程度：耕作阻力的大小； （2）耕作质量的好坏：耕后土垡松散、容易耙碎、不成坷垃，土壤松紧孔隙状况适中； （3）适耕期的长短：适宜耕作时间的长短。,Chap. 13 土壤耕性,2 土壤物理机械性 1. 粘结性和粘着性 土壤粘结性: 指土粒与土粒之间
8、由于分子引力而相互粘结在一起的性质。 土壤粘着性: 是土壤在一定含水量的情况下，土粒粘着外物表面的性能。,Chap. 13 土壤耕性,影响土壤粘结性和粘着性的因素有： 土壤质地：土壤愈细，接触面愈大，粘结性和粘着性愈强。 土壤含水量：含水量愈少，土粒距离愈近，分子引力愈大，粘结性愈强，故干燥土块破碎甚为困难。,Chap. 13 土壤耕性,影响土壤粘结性和粘着性的因素有： 土壤结构：团粒结构可使土团接触面减少，因而其粘结性和粘着性降低，土壤疏松易耕。 土壤腐殖质含量：腐殖质含量增加可减弱粘土的粘结性，因为腐殖质在土粒外围形成薄膜，改变了粘粒接触面的性质。 土壤代换性阳离子的组成：不同的阳离子种类
9、可影响土粒的分散和团聚。,Chap. 13 土壤耕性,2 土壤物理机械性 2.可塑性 土壤在一定含水量范围内，可被外力任意改变成各种形状，当在外力解除和土壤干燥后，仍能保持其变形的性能称为可塑性。,Chap. 13 土壤耕性,影响土壤可塑性的因素： 水分含量：干土没有可塑性，当水分含量逐渐增加时，土壤才表现可塑性。 土壤开始呈现可塑状态时的水分含量称为下塑限（塑限）；土壤失去可塑性而开始流动时的土壤含水量，称为上塑限（流限）。上塑限与下塑限含水量之差称为塑性值，也叫塑性指数。塑性值大，土壤的可塑性强。,Chap. 13 土壤耕性,影响土壤可塑性的因素： 土壤质地: 土壤中粘粒愈多，质地愈细，塑
10、性愈强。上塑限、下塑限和塑性值的数值随着粘粒含量的增加而增大，土壤按塑性值分类如下：强塑性土（粘土）17, 塑性土（壤土）17-7，弱塑性土（砂壤）7，无塑性土（砂土）0。,Chap. 13 土壤耕性,影响土壤可塑性的因素： 代换性阳离子：代换性钠离子因水化度大，使土壤分散，因此可塑性增大。相反，钙离子因具有凝聚作用可减少土壤的可塑性。 土壤有机质：有机质能提高土壤上、下塑限，但一般不改变其塑性值。,Chap. 13 土壤耕性,3.胀缩性 土壤吸水后体积膨胀，干燥后体积收缩的特性称为土壤胀缩性。 土壤胀缩性强会对植物根系产生机械损伤，易拉断植物根系。 影响土壤胀缩性的主要因素是土壤胶体，蒙脱石
11、由于晶层间结合不紧，水分容易进入而使晶层间距拉开，其胀缩性远较晶层结合紧密的高岭石大。,Chap. 13 土壤耕性,3 注意土壤耕作、改良土壤耕性 （1）防止压板土壤： 耕作土壤在降雨，灌溉，人、畜践踏与农机具等作用下由松变紧的过程称为土壤压板过程。 （2）注意土壤的宜耕状态和宜耕期： （3）改良土壤耕性： 可通过增施有机肥料、合理排灌、适时耕作等方法改良土壤耕性。 （4）少、免耕技术,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,1 土壤胶体的概念 土壤胶体：土壤中粒径1 m或2 m的矿物质颗粒和腐殖质（分散相）分散在土壤溶液（分散介质）中的分散体系。 粗分散体系 胶体分散体系 分子、离子分散体
12、系,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,2 土壤胶体的类型无机胶体；有机胶体；有机无机复合体含水氧化物 无机胶体层状硅酸盐矿物,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,硅氧片和硅四面体： 硅四面体是由四个氧原子和一个硅原子所组成。 许多硅四面体可以共用氧原子形成一层。氧原子 排列成为中间有空的六角形，称为硅氧片。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,Si,Al,Oxygens,Silicon Tetrahedron,Aluminum Octahedron,Si,Al,Oxygens,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,Share 1 oxygen,Chap. 14 土壤胶体
13、与土壤吸收性能,铝氧片和铝八面体 铝八面体为6个氧原子围绕一个铝原子而构成。 许多个铝八面体相互连接成片称为铝氧片。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,Si,Al,Oxygens,Silicon Tetrahedron,Aluminum Octahedron,Si,Al,Oxygens,Octahedral Sheet,Share 2 oxygens,Silica Tetrahedral Sheet,Aluminum Octahedral Sheet,Kaolinite,Non-Expanding 10 cmol(+)/kg,1:1 Clay,Si Tetra.,Al Oct.,Si
14、Tetra.,2:1 Clay,Montmorillonite,Expanding,100 cmol(+)/kg,H2O,H2O,H2O,H2O,H2O,K,Interlayer K+,K,K,K,K,K,2:1 Clay,Illite,Non-expanding,40 cmol(+)/kg,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,3 土壤胶体的构造 土壤胶体分散系包括胶体微粒（为分散 相）和微粒间溶液（为分散介质）两大部 分。胶体微粒在构造上可分为微粒核、决 定电位离子层和补偿离子层三部分组成。 （1）微粒核： 主要由腐殖质、无定形的SiO2、氧化铝、氧化铁、铝硅酸盐晶体物质、蛋白质分子以
15、及有机无机胶体的分子群所构成。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,3 土壤胶体的构造 （2）双电层：微粒核表面的一层分子，通常解离成离子，形成一层离子层（决定电位离子层）；通过静电引力，在其外围形成一层符号相反而电量相等的离子层（补偿离子层）。又称之为双电层。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,4 土壤胶体的特性 （1）土壤胶体比表面和表面能 比表面（比面）是指单位重量或单位体积的总表面积（cm2/g， cm3/cm3）。 由于表面分子与外界的液体或气体介质相接触，因而在内、外方面受到的是不同分子的吸引力，不能相互抵消，所以具有多余的表
16、面能。这种能量产生于物体表面，故称为表面能。胶体数量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附能力也就愈强。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,4 土壤胶体的特性,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,4 土壤胶体的特性 （2）土壤胶体带有电荷 永久电荷：它是由于粘粒矿物晶层内的同晶替代所产生的电荷。这种电荷不受介质的pH值的影响，主要发生在2：1型粘粒矿物中，在1：1型矿物中极少。 可变电荷： 电荷的的数量和性质随介质pH而改变的电荷。 土壤的pH0值是表征其可变电荷特点的一个重要指标，它被定义为土壤的可变正、负电荷数量相等时的pH值，或称为可变电荷零点、等电点。,Silicon Tet
17、rahedron,Aluminum Octahedron,Mg,Al,Examples of Isomorphic Substitution,Produces a Net Negative Charge,Al3+ for Si4+,Mg2+ for Al3+,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,4 土壤胶体的特性 产生可变电荷可的主要原因有： 粘粒矿物晶面上-OH 基的解离 含水铁、铝氧化物的解离 腐殖质上某些原子团的解离 含水氧化硅的解离 粘粒矿物晶层上的断键等。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,4 土壤胶体的特性 可变电荷土壤：指含有较多铁、铝氧化物，土壤带电性随pH变化而
18、变化的土壤。（主要是酸性土壤） 如：三水铝石 pH低于pH0时，Al2O33H2O 2Al(OH)2+2OH- pH高于pH0时，Al2O33H2O 2Al(OH)2O-+2H+,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,4 土壤胶体的特性 产生可变电荷可的主要原因有： 腐殖质上某些原子团的解离COOH COO-OH O-NH3 +,NH2,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,4 土壤胶体的特性 （3）土壤胶体有凝聚和分散作用 土壤胶体溶液如受到某些因素的影响，使胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶，这种作用叫做胶体的凝聚作用；反之，由凝胶分散成溶胶，叫做胶体的分散作用。 促使胶体凝聚或分散的原
19、因，主要决定于电动电位的高低。而电动电位的高低又取决于扩散层的厚度.,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,4 土壤胶体的特性 凡电荷数量少而水化度大的离子(如Na+)，形成的扩散层厚，电动电位高。使胶体分散；电荷数量多，水化度小的离子(如Ca2+)，形成的扩散层薄，电动电位降至一定程度时，胶体即可凝聚。 电解质种类对胶体的凝聚作用有影响：一般是一价离子 Al3+ Ca2+ Mg2+ H+ NH4+ K+ Na+ 电解质浓度对胶体的凝聚也有很大影响:浓度大,可促使凝胶形成。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 土壤吸收性能是指土壤能吸收和保留土壤溶液中的分
20、子和离子，悬液中的悬浮颗粒、气体以及微生物的能力。土壤吸收性能亦称土壤吸收保肥性能。 1. 土壤吸收性能类型 （1）机械吸收性：是指土壤对固体物体的机械阻留，如施用有机肥时，其中大小不等的颗粒，均可被保留在土壤中。 这种吸收作用取决于土壤的孔隙状况。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 （2）物理吸收性：这种吸收性能是指土壤对分子态物质的保持能力，它表现在某些养分聚集在胶体表面，其浓度比在溶液中为大，另一些物质则胶体表面吸附较少而溶液中浓度较大，前者称为正吸附，后者称为负吸附。 产生这种作用的原因是由于固体颗粒界面上的表面自由能的作用。 气态物质（水气、CO2
21、、NH3等）和细菌的吸附也是物理吸附。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 （3）化学吸附性：是指易溶性盐在土壤中转变为难溶性盐而沉淀保存在土壤中的过程。 这种吸收是纯化学作用过程。 （4）物理化学吸收性：是指土壤对可溶性物质中离子态养分的保持能力。 这种吸收是以物理吸收为基础，又呈现出化学反应相似的特性。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 （5）生物吸收性：是指土壤中植物根系和微生物对营养物质的吸收，这种吸收作用的特点是选择性，并且具有累积和集中养分的作用。 上述五种吸收性不是孤立的，而是相互联系、相互影响的，都具有重要的
22、意义。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 2. 土壤物理化学吸收性能 土壤物理化学吸收性能即是土壤离子交换作用。分为土壤阳离子交换作用和阴离子交换作用 （1）土壤阳离子交换作用K+Ca2+ + 2KCl = K+ + CaCl2 离子从溶液中转移到胶体上的过程，称为离子的吸附过程；原来吸附在胶体上的离子转移到溶液中的过程，称为离子的解吸过程。,土壤胶体,土壤胶体,Cation Exchange Capacity,- - - - - - - - - -,SO I L,Ca+2,Mg+2,Al+3,K+,Ca+2,Mg+2,H+,Ca+2,H+,Ca+2,Mg+
23、2,K+,Al+3,Ca+2,H+,Mg+2,H+,Mg+2,Ca+2,K+,Ca+2,Ca+2,Exchangeable Cations,Al+3,H+,K+,H+,Mg+2,Ca+2,Mg+2,Reserve,Active,Active,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 阳离子交换作用特点： a. 可逆反应 b. 反应迅速 c. 等量交换 它是等量电荷对等量电荷的反应。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 阳离子交换能力 阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换出来有能力。各种阳离子交换能力大小的顺序为： F
24、e3+ Al3+ H+ Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+ 影响阳离子交换能力的因素有： a. 电荷的数量 b. 离子半径和离子水化半径 c. 离子浓度,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 阳离子交换能力 b. 离子半径和离子水化半径 同价离子的半径增大，则单位表面积的电荷量（电荷密度）减少，电场强度减弱，故对极性水分子的吸引力小，离子外围的水膜薄，水化半径减少，因而离负电胶体的距离较近，相互吸引力较大，具有较强的交换能力。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交
25、换吸附作用 土壤阳离子交换量（Cation Exchange Capacity CEC） 阳离子交换量（或吸收容量）是指在一定pH值条件下每1000g干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数（cmol/kg）。 土壤阳离子交换量可以作为土壤保肥力的指标，CEC的大小，受下述因素的影响： a、胶体数量 b、胶体类型 c、土壤pH值,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,Structure of Humic Acid,R-C00-,R-C00-,R-C00-,R-C00-,R-C00-,Contributes to high CEC200 cmol(+)/kg,Chap. 14 土壤胶体与土壤
26、吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 土壤的盐基饱和度 土壤胶体吸附的阳离子分为两类，一类是盐基离子，包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等；另一类是致酸离子，即H+、Al3+。土壤中交换性盐基离子总量cmol/kg占阳离子交换量cmol/kg的百分数称为土壤的盐基饱和度，即： 盐基饱和度 = 交换性盐基总量/阳离子交换量 100%,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 影响交换性阳离子有效度的因素 a. 交换性阳离子的饱和度 离子饱和度：土壤吸附的某离子量占土壤全部阳离子量的百分数。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作
27、用 b. 陪伴（补）离子效应 土壤胶体上同时吸附着多种阳离子，对其中某种离子来说，其余的各种离子都称为它的陪补离子。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 c. 阳离子的非交换性吸收（专性吸附） 专性吸附的阳离子均为非交换性离子，其反应也不完全遵循可逆反应和等量交换的规则。 1） 阳离子与氧化铁、铝及其水合物胶体表面氧的结合作用,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用OH -1 O-M 0 Fe +M2+ Fe +H+OH OHOH -1 O-MOH -1 Fe +MOH Fe +H+OH OH,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收
28、性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 c. 阳离子的非交换性吸收（专性吸附） 2） 矿物固定、晶穴固定：NH4+、K+离子被固定在硅氧四面体联成的六边型晶穴中，不能被交换出来的现象。 阳离子专性吸附的意义： 富集作用地球化学探矿 调控金属元素的生物毒性和生物有效性,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 （2）阴离子的交换吸附 阴离子的交换吸附是指土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子相互交换的作用。 这种交换作用与阳离子交换作用一样，服从质量作用定律，但土壤中的阴离子往往与化学固定等交织在一起，很难分开。,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5
29、土壤胶体的交换吸附作用 （2）阴离子的交换吸附 阴离子吸附类型 a、易于被土壤吸附的阴离子（磷酸根、H2PO4-、HPO42-、PO43-，硅酸根HSiO3-、SiO32-），这些离子也易与阳离子反应产生难溶性化合物； b、很少或根本不被吸附的阴离子（Cl-、NO3-、NO2-） 这些离子常常出现负吸附； c、介于上述两者之间的阴离子（SO42-、CO32-、HCO3-）,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 （2）阴离子的交换吸附 影响土壤对阴离子吸收的因素 a、阴离子的价数 Cl- 、NO3- SO42- PO43- OH- b、胶体组成成分（铁铝氧化物）
30、c、土壤pH值（酸性条件带正电荷多）,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 （2）阴离子的交换吸附 阴离子的专性吸附（又称配位体交换吸附） 某些含氧酸的阴离子（H3SiO4-, H2PO4-, HMoO4-等）以及氟离子（F-）进入黏土矿物或氧化物表面的金属原子的配位壳中，与配位壳中的羟基或水合基重新配位，并直接通过共价键或配位键结合在胶体表面的现象,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 （2）阴离子的交换吸附OH2 + OPO3H2 0 Fe +H2PO4 - Fe +H2O (pHZPC)OH2 OH2OH 0 OPO3H 2- Fe +HPO42- Fe +H2O (pH=ZPC)OH2 OH2,Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 （2）阴离子的交换吸附OH - OPO3 3- Fe +HPO42- Fe +H2O (pHZPC)OH OHZPC=zero point of charge (电荷零点)IEP=isoelectric point (等电点),Chap. 14 土壤胶体与土壤吸收性能,5 土壤胶体的交换吸附作用 （2）阴离子的交换吸附,
