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1、第六章 土壤保性和供肥性,第一节 土壤保肥性、供肥性与植物生长,一、土壤保肥性与供肥性土壤保肥性：指土壤吸持和保存植物养分的能力。作用力：分子吸附力、化学固定作用和离子交换作用，其中离子交换作用是影响土壤保肥性能中最重要的因素之一。土壤中速效性养分转化为贮藏形态的养分就是土壤保肥性的表现,2、土壤供肥性,指土壤向植物提供有效养分的能力，它与土壤强度因素（I)和容量因素（Q)关系密切强度因素：指土壤溶液中的养分浓度容量因素：指土壤溶液中能被植物利用吸收的有效养分的总量,供肥性好指土壤的供肥速度适中，若供肥太猛，会造成土壤养分因来不及被植物吸收而流失。相反，如果土壤的供肥速度太慢，则不能满足植物生
2、长需要，应注意补充速效肥料，因此，要求土壤有较强的保肥能力，又有较强的供肥能力。,二、土壤保肥性、供肥性对植物生长的影响,土壤保肥性差，施到土壤中的肥料容易淋失，造成后期脱肥，即发小苗不发老，对于这种土壤，施肥时应少量多次，防止后期脱肥,第二节 土壤胶体及其基本特性一、土壤胶体(soil colloid)及种类（一）土壤胶体是指土壤中最细微的颗粒，胶体颗粒的直径一般在1-100nm之间，实际上土壤中小于1000nm的粘粒都具有胶体的性质，所以直径在1-1000nm之间的土粒都可归属于土壤胶粒的范围。,（二）土壤胶体的种类及特性,1、无机胶体(inorganic colloid)*（1）含水氧化
3、硅胶体H2SiO3=H+HSiO3-H+SiO32-（2）含水氧化铁、氧化铝胶体Al(OH)3+H+Al(OH)2+H2OAl(OH)3+OH-Al(OH)2O-+H2O,（3）层状硅酸盐矿物*,层状硅酸盐矿物的基本结构单元a、硅氧片和硅四面体 硅氧片是由硅四面体连接而成，一个硅四面体是由四个氧原子和一个硅原子组成。许多硅氧四面体可以共用氧原子而形成一层。氧原子排列成为中间有孔的六角形，称为硅氧片或硅氧层。,b、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铝八面体。许多个铝八面体相互连接成片称为铝氧片。,层状硅酸盐矿物种类及特性,11型矿物，如高岭石类：晶层是由一层硅氧片、一层铝氧
4、片重叠组成的，称为11型矿物，如高岭石类。,其外形大部分为片状，颗粒较大，总表面积小，因而胶体特性、可塑性、粘结性和粘着性弱，在我国南方酸性土壤中含量较多。,这类矿物晶层间作用力是硅片的氧面与铝片的氢氧面之间形成氢键,作用力强，使晶层间紧密连接，晶层间的距离不变，不易膨胀，水分及其它离子难进入，没有或很少有同晶替代现象，电荷量少，其电荷的 主要来源是晶体表面的断键和OH的解离。,这类矿物特点,2：1型蒙脱石类,由两个硅氧片间夹一个铝氧片组合而成，称为21型矿物.,该组矿物顶层和底层两个面都是硅氧面构成，两晶片重叠只通过晶层间形成分子引力。作用力弱，其它分子或离子容易进入，容易膨胀，多同晶替代现
5、象，电荷量大，形成的电荷多为永久电荷。颗粒片状，细微，总表面积大，因而胶体特性、可塑性、粘结性和粘着性强，这类粘粒矿物多出现在我国北方土壤中。,特点：,2：1型水云母(伊利石）类,其结晶构造同蒙脱石类，亦为21型粘粒矿物，其不同点为水云母类矿物在硅氧四面体形成的硅片结构中，由于形成了六角形的蜂窝状结构，该晶穴的直径与K+（或与钾离子半径相当的离子）半径相似，使K+（或与钾离子半径相当的离子）陷入晶穴中，它同时受两层负电的吸附，因而对相邻两层产生了很强的键连作用，称为钾键，钾键比氢键弱但比分子引力大，因而晶格距离小于高岭石而大于蒙脱石，其特性也居于这二者之间。,2、有机胶体(organic co
6、lloid),主要成分:腐殖质（胡敏酸、富啡酸和胡敏素等），还有少量的木质素、蛋白质、纤维素等。特点：颗粒极小、具有巨大的比面和带有电荷、有高度的亲水性、并含有多种功能团，如：羧基、羟基、酚羟基等。这些基团解离出氢离子后的-COO-、-O-等离子留在胶粒上而使胶体带负电。胺基（-NH2）吸收H+后，成为-NH3+则带正电，一般有机胶体带负电。,3.有机无机复合体(organo-mineral complex),土壤无机胶体和有机胶体可以通过多种方式进行结合，但大多数是通过二、三价阳离子（如钙、镁、铁、铝等）或功能团（如羧基、醇羟基等）将带负电荷的粘粒矿物和腐殖质连接起来。这种结合可形成良好的团
7、粒结构，改善土壤保肥性能和多种理化性质。,土粒,土粒,土粒,Ca2+,腐殖质,二、土壤胶体的构造及特性（一）土壤胶体构造：*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,胶核,双电层,决定电位离子层（内）,补偿离子层（外）,非活性离子层,扩散层,（二）、土壤胶体带电性（1）土壤电荷的起因和种类 同晶置换：指硅酸盐矿物中的硅氧片或水铝片中的配位中心离子，被大小相近而电性符号相同的离子所取代，使其晶层结构未变而带上电荷。永久电荷(permanent charge)*：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：
8、1型粘粒矿物中，在1：1型矿物中极少。,（2）、土壤胶体带电性可变电荷(variable charge)*：电荷的的数量和性质随介质pH而改变的电荷。,可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团 的解离：A.含水氧化硅的解离B.粘粒矿物的晶面上的OH和H的解离C.腐殖质上某些官能团的解离D.含水氧化和水铝石表面的分子中OH的解离；pH 3.2,从上述四种情况来看，土壤胶体所带的电荷数量和性质与介质的pH值有密切关系。,（2）土壤的电荷数量*,1、土壤电荷主要集中在胶体部分。,2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础。,3、有机胶体和无机胶体的电荷具有非加和性。,*影响土壤电荷数量的因素主要有：
9、,C.pH值 主要影响可变电荷的数量。,土壤中一般以带负电荷为主。,B.土壤胶体的种类 土壤质地完全相同的两种土壤，它们所带的电荷数量可以完全不同。,A.质地 土壤的质地越粘，土粒越细，其电荷总量也越多。,第三节 土壤吸附保肥作用土壤吸附作用：指分子、离子或原子在固相表面富集的过程。一、土壤吸收性能类型交换性吸附（物理化学吸附）：借静电引力从溶液中吸附带异号电荷的离子或极性分子。专性吸附：是非静电因素引起的土壤对离子的吸附。负吸附：指土粒表面的离子或分子浓度低于整体溶液中离子或分子的浓度现象。反之称为正吸附。,二、土壤阳离子吸附与交换作用,（一）阳离子的静电吸附带负电荷的土壤胶体通常吸附着多种
10、带正电荷的阳离子。,由库仑定律可知:土壤胶体表面所带的负电荷愈多，吸附的阳离子数量就愈多；土壤胶体表面的电荷密度愈大，阳离子所带的电荷愈多，则离子吸附得愈牢。,（二）、土壤阳离子交换作用*1、概念：指土壤胶体表面所吸附的阳离子与土壤溶液中的其它离子相互交换的过程 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,阳离子交换作用特点：,是可逆反应 反应迅速 等价离子交换:它是等量电荷对等量电荷的反应。服从质量作用定律,2、阳离子交换能力,阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体
11、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：Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+,影响阳离子交换能力的因素有：电荷的数量 离子半径和离子水化半径离子浓度,表82 离子半径与吸附力,弱,强,交换能力,3、土壤阳离子交换量(cation exchange capacity,CEC）概念：指在一定pH值条件下每千克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（CEC的）大小可以作为土壤保肥力的指标:CEC20cmol/kg 保肥性强1020cmol/kg 保肥性中等10cmol/kg 保肥力弱,*影响土壤阳离子交换量的因素有：（1）
12、质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳离子交换量也越大。,（2）有机质 OM%CEC（3）胶体的性质及构造蒙脱石 高岭石（4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高，土壤的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。,表8-3 不同类型土壤胶体的阳离子交换量,（1）盐基离子与致酸离子*第一类是氢离子和铝离子，它们是致酸离子，与土壤的酸度有密切关系。第二类是其他的一些金属离子，如Ca2+、Mg2+、K+、NH4+等，在古典化学上，它们都称为盐基离子。,4、土壤的盐基饱和度,（2）盐基饱和度(base saturation percentage)BSP 在土壤胶体所吸附的阳离子中，盐基离子的数量占阳离
13、子交换量的百分比，叫盐基饱和度*。盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应；而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；,100%,三、土壤胶体对阴离子的吸附与交换,（一）土壤吸附的阴离子*（静电吸附）土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三类：1易被吸附的阴离子 最重要是：H2PO4-HPO42-PO43-HsiO3-SiO32-C2O42-2吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子Cl-NO3-NO2-3中间类型的离子：SO42-CO32-各种阴离子被土壤吸附的次序如下：F-草酸根 柠檬酸根 H2PO4-HCO3-HBO3-SO42-Cl-NO3-,（二）阴离子的负吸附所谓阴离子的负吸附，是指距带负电荷
14、的胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。负吸附现象随着土壤胶体的数量和阳离子代换量的增加而增加。但随陪伴阳离子价数的增加而减少。不同的粘粒矿物对负吸附的影响也不同，他们递减的次序为：蒙脱石 伊利石 高岭石,第四节 土壤的供肥性一、土壤的供肥性 土壤的供肥性是指土壤供应作物所必须的各种速效养分的能力土壤供肥能力 土壤供肥能力可以反映土壤供肥性的强弱，土壤供肥能力表现的主要内容有：,1土壤供应速效养分的数量,土壤中各种速效养分的数量可反映农作物根系直接吸收利用养分数量。土壤的供肥容量（供应容量）是指持续地供应某种养分的基础，反映出土壤供应某种养分潜在能力的大小，一般指全量养分。速效养分占全量养分的比
15、值称为供应强度，表明养分转化和供应能力的强弱。如果养分的供应容量大，供应强度也大，表明在一般时间内养分供应充足而不至于脱肥；如果二者均小，表明土壤的供肥能力都很弱，必须考虑及时施肥。,2缓效养分转变为速效养分的速率3速效养分持续供应的时间,二、土壤养分的有效化过程*影响交换性离子有效性的因素主要有：（1）离子饱和度 离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效性就越大（2）土壤中的互补离子效应（3）粘土矿物类型的影响,互补离子与交换性钙的有效性,在土壤胶体上各种交换性盐 基离子之间的相互影响的作用互补离子效应（陪伴离子效应）,三、土壤供肥性的调节 土壤供肥性的调节包括增加速效养分的数量，加强供肥
16、速度，延长供肥时间，使作物所需的各种养分能够全面、充分、持续地供应，以保证作物的高产、优质，具体措施如下：1合理施肥，提高供肥性能建立有机肥料为基础，有机无机相结合，并配合各种肥料的施肥体系，对土壤供肥性和保肥性的调节均是有意义的。,2合理耕作和灌溉，促进养分的转化供应精耕细作，疏松耕层，以耕促肥 合理灌排，调节水、热、气状态，达到以水促肥的目的3用养结合，进行合理的轮、间、套作,4消除有害物质，改善养分的供应状况 土壤中有害物质的存在，会降低土壤微生物的活性并影响到土壤养分的转化及作物对养分的吸收，消除土壤有害物质以及改善植物生长环境，对养分的调节起重要的作用。具体包括：消除酸害和碱害；消除
17、盐害；消除还原性物质毒害；消除污染的毒害。,第五节 影响土壤供肥性的化学条件一、土壤溶液组成和浓度 二、土壤酸碱性土壤酸碱性反应我国土壤的酸碱性反应，大多数在pH4.58.5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,（一）、土壤酸度(soil acidity),1、氢离子的来源：（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,2、土壤酸度的类型（1）活性酸(soil active acidity)土壤活性酸是自由扩散于土壤溶液中的氢离子浓
18、度直接反应出来的酸度。,（2）、潜性酸度(potential acidity)潜性酸度:土壤胶体上吸附的H+、Al3+所引起的酸度。它们只有在转移到土壤溶液中，形成溶液中的H+时，才会显示酸性，故称为潜性酸。通常用1000g烘干土中氢离子的厘摩尔数来表示。土壤潜性酸要比活性酸多得多，相差3-4个数量级。土壤中潜性酸的大小常用土壤交换性酸度和水解性酸度表示之。,a:交换性酸度(exchangeable acidity)：,用过量的中性盐溶液（1mol/L的KCl、NaCl或BaCl2）与土壤作用，将胶体表面上的大部分H+或Al3+交换出来，再以标准碱滴定溶液中的H+，这样测得的酸度称为交换性酸度
19、或代换性酸度,b、水解性酸度(hydrolytic acidity)：用弱酸强碱盐溶液（1mol/L醋酸钠）从土壤中交换出来的氢、铝离子所产生的酸度。水解性酸度一般要比交换性酸度大得多。酸性土壤通常通过施用石灰，人为地调节土壤酸度。酸性土改良中常用水解性酸度的数值作为计算石灰施用量的依据。,3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,二、土壤碱性(soil
20、 alkalinity),1、土壤碱性主要来源土壤中交换性钠的水解所产生的OH-以及弱酸强碱盐类（如Na2CO3和NaHCO3）的水解。土壤中碱性盐类（特别是Na2CO3和NaHCO3）的多少，有时叫做土壤碱度（cmol/kg）。对于土壤溶液或灌溉水、地下水来说，其Na2CO3和NaHCO3含量也叫做碱度（mmol/L或g/L）,（2）碱化度（钠碱化度：ESP）碱化度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)。,（三）影响土壤酸碱性
21、的因素 1.气候（影响盐基饱和度）2.母质与地形3.土壤空气中的CO2的分压（2pH=K+pCa+pCO2）4.生物：针叶林植被下发育的土壤酸性比阔叶林强；生物呼吸产生CO2，硝化菌产生硝酸、硫化菌产硫酸如红树林下发育的土壤。,5、人类活动：施肥（NH42SO4、KCl、NH4Cl酸性和生理酸性肥料，CaO、CaCO3、草木灰等碱性肥料）灌溉（氧化还原条件）酸性土壤淹水后pH升高:碱性土壤淹水后pH降低:碱和碱性盐被溶解淋失有机酸或碳酸类物质增加,（四）、土壤的酸碱反应与植物生长（1）影响土壤养分的转化和供应 影响土壤中微生物活性 影响养分的固定、释放与淋失（2）影响作物生长 主要的栽培植物生
22、长适宜的pH范围,土壤酸碱性与养分的生物有效性,图95 植物营养元素的有效性与pH的关系,（五）强酸性土壤的铝、锰胁迫与毒害,pH6.0;水稻土排水解除锰的毒害。,叶脉间出现褐色斑点进而连成条纹状，灰白色斑点是因稻瘟病引起,叶色无异常,下位叶过早地干枯,水稻锰过剩症,水稻根的锰过剩症,表示锰过剩形成的二段根。一般根系发育显著受阻，从而促进生长后期下位叶干枯,从开花期开始生长受阻叶片皱缩,叶背的叶脉褐色。易出现于将矿山或水坝建设现场排出的水灌溉的农田,叶尖或叶缘出现大小不一的巧克力色斑点。这种斑点有时集中出现,有时单独出现,大豆锰过剩症,柑橘叶片锰过剩引起的巧克力斑点,甘薯锰过剩症由于锰的积累引
23、起坏死斑，同时还可以看到缺铁引起的脉间失绿症，呈浅黄色。,甘薯锰过剩症,甘薯锰过剩症,栽培品种的一片较老的叶子，叶脉间组织出现黑色坏死斑。,坏死斑的扩展和融合形成大面积的坏死，叶片剩余部分变黄，预示着叶片开始衰老。,三、土壤氧化还原反应（一）土壤氧化还原体系,（二）、土壤氧化还原电位（soil redox potential)1、土壤氧化还原电位可用下式表示：,旱地土壤的Eh值多在400700mV之间，大于700mV，表明土壤通气过强；Eh值低于200mV，则土壤通气不良。水田土壤的Eh值变化较大，正常值低于200300mV，长期积水的水稻土可降至100mV甚至下降到负值土壤养分的转化也与Eh
24、值有密切的关系。,2、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。,（三）土壤氧化还原状况对养分有效性的影响,在土壤强还原条件下，高价铁（Fe+)还原低价铁(Fe+)，同时硫酸根（SO4=）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。,（四）氧化还原状况与有毒物质积累,Eh200mv时,土壤中的铁锰化合物就从氧化态转化为还原态,当Eh-100mv时,则低价铁(Fe2+)浓度已超过高价铁(Fe3+),会使植物产生铁的毒害。E
25、h-200mv,就可能产生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。,Fig.945 Roots of rice plants(Oryze sativa);left:dead roots(especially small rootlets)due to Fe toxicity,aggravated by K deficiency;right:roots of
26、 plants in the same soil with a good K supply of the plants.,四、土壤缓冲性(soil buffer power)土壤溶液抵抗酸碱度变化的能力叫土壤缓冲性。1、土壤缓冲作用的机制（1）土壤胶粒上的交换性阳离子 M+H+=H+M+H+MOH=M+H2O,土壤胶粒,土壤胶粒,土壤胶粒,土壤胶粒,土壤缓冲能力的大小和它的阳离子交换量的关，交换量愈大，缓冲性能愈强。不同的盐基饱和度表现出对酸碱的缓冲能力是不同的。,（2）土壤溶液中的弱酸及其盐类的存在 H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2O Na2CO3+2HCl+H2CO3+2Na
27、Cl(3)土壤中两性物质的存在 R-CH-COOH+HCl=R-CH-COOH NH2 NH3Cl R-CH-COOH+NaOH=R-CH-COONa+H2O NH3 NH2(4)酸性土壤中铝离子的缓冲作用2Al(H2O)63+2OH-Al2(OH)2(H2O)84+4H2O,2、土壤缓冲作用的重要性 缓冲性和适宜的植物生活环境 缓冲性和酸碱度改良,五、土壤酸碱性和氧化还原状况的调节（一）土壤酸度的调节,土壤酸度通常以施用石灰或石灰粉来调节。如：生灰石（CaO）、熟石灰Ca(OH)2、石灰石粉【CaCO3】,（三）土壤氧化还原状况的调节,排水供氧氧化（排水烤田）淹水缺氧还原（淹水泡田）,（二）
28、碱性土壤的调节 施用石膏、硫磺、明矾等,影响石灰用量因素（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。,本章小结,了解土壤胶体种类与构造，掌握土壤双电层的结构特征；重点掌握土壤阳离子交换作用的规律、影响阳离子有效性的因素以及阳离子交换对土壤性质的影响。了解土壤阳离子专性吸附的特点与意义及其土壤阴离子交换的特点,1.土壤溶液中的阳离子，一旦被胶体吸附后，便失去活性就永远不能被植物吸收，变成无效态养分了()2.在土壤阳离子代换过程中，电价数高的离子代换力强，故一价阳离子不能代换出被胶体吸附的二价或三价的阳离子()3.土壤阳离子代换量愈高，所含矿质养分愈多，则保肥供肥性能也愈强()4.土壤酸度有三种表示方法，其中pHH2OpHKClpHNaAC()5.盐基饱和度大的土壤，缓冲酸的能力强，盐基饱和度小的缓冲碱的能力强()6.土壤胶体上某交换性离子的饱和度越高，其有效性也越高()7.旱地通气条件良好，则Eh比水田要高(),作业3,一、判断题,二、问答题1.潜在酸与活性酸之间存在什么关系?2.在砂质和粘质土壤上施入同品种等量的化肥，而出现在砂土上见效快，而在粘土上见效慢的现象?3.交换性Al3是南方土壤酸化的主要原因，为什么?4、阴离子H2PO4-和NO3-，在土壤中NO3-容易淋失，原因何在？,
