土壤肥料学第六章.ppt

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1、第六章 土壤的保肥性与供肥性,第一节 土壤保肥性和供肥性与植物生长第二节 土壤胶体及其基本特性第三节 土壤的吸附保肥作用第四节 土壤的供肥性第五节 影响土壤供肥性的化学条件,第一节 土壤保肥性和供肥性与植物生长一、土壤的保肥性与供肥性土壤保肥性：土壤吸持、保存植物养分的能力。土壤供肥性：土壤向植物提供有效养分的能力。,二、土壤保肥性、供肥性对植物生长的影响 要求土壤既有较好的保肥能力，又有较强的供肥能力。,第二节 土壤胶体及其基本特性一、土壤胶体的概念及种类 土壤胶体：直径小于1m的土壤固体颗粒。分三种类型：（一）土壤无机胶体（矿质胶体）1、层状硅酸盐粘土矿物（2：1型和1：1型等粘土矿物）2

2、、氧化物及其水合物（二）土壤有机胶体 主要是腐殖质及其各种组分，此外还有少量的蛋白质或氨基酸，多肽，多糖类化合物。（三）土壤有机无机复合体,1、层状硅酸盐粘土矿物(晶体)A：构造特征 a、硅氧四面体和硅氧片,硅氧四面体：SiO4-正四面体形状。,（一）土壤无机胶体（矿质胶体）,硅氧片：（单位晶片）,b、铝氧八面体和铝氧片,铝氧八面体：AlO69-,铝氧片,c、单位晶层,1：1型,由一个硅氧片和一个水铝片，通过共用硅氧顶端 的氧原子连接起来的片状晶格构造。,()高岭石类（：型铝硅酸盐矿物）,每个晶层的一面是OH离子组（水铝片上的），另一面是O离子（硅氧片上的），因而叠加时晶层间可形成氢键，使各晶

3、层之间紧密相连从而形成大颗粒，晶粒多呈六角形片状。,其分子结构外形特征为.顶层 底层.许多晶片相互重叠形成高岭矿物,特点：晶层与晶层间距离稳定，连接紧密，内部空隙小，电荷量少，单位个体小，分散度低。多出现于酸性土壤。如高岭石类。,硅氧片,铝氧片,水,水,晶格内的水铝片和硅氧片很少发生同晶替代，因此无永久性电荷。但水铝片上的-在一定条件下解离出氢离子，使高岭石带负电。,高岭石的性质特点：,晶片与晶片之间形成氢键而结合牢固，水分子及其他离子难以进入层间，并且形成较大的颗粒。因此其吸湿性、粘结性和可塑性较弱，富含高岭石的土壤保肥性差。,由两片硅氧片和一片水铝片结合成的一个晶片（层）单元，再相互叠加而

4、成的。,（2）蒙脱石类（：型铝硅酸盐矿物）,每个晶层的两面均由O离子组（硅氧片上的），因而叠加时晶层间不能形成氢键，而是通过“氧桥”联结，这种联结力弱，晶层易碎裂，其晶粒比高岭石小。,胀缩性大，吸湿性强，易在两边硅氧片中以Al3+代Si4+，有时可在硅铝片中，一般以Mg2+代Al3+带负电吸附阳离子。如蒙脱石，这类矿物多出现于北方土壤。如东北、华北的栗钙土、黑钙土和褐土等。,硅氧片,铝氧片,硅氧片,特点：,土壤胶体的类型,蛭石的膨胀性比蒙脱石要小得多，其晶层间距1.45nm，属有限膨胀型。它具有一定的内表面，但较蒙脱石小，晶体颗粒介于蒙脱石和高岭石之间。蛭石在黄棕壤和黄壤中含量较高。,蛭石,也

5、是21型膨胀型粘土矿物，其晶层结构与蒙脱石基本相同，也是两层硅氧片中夹一层水铝片。,与蒙脱石不同的是，硅氧片中的硅大部分被铝所取代，水铝片中的铝也有不少被镁取代，因而具有比蒙脱石高得多的净负电荷，具有很高的吸附阳离子能力，阳离子交换量达150 cmol(+)kg-1。,d、同晶替代 组成矿物的中心离子被电性相同大小相近的离子所替代，而晶格构造保持不变的现象。例如：Al3+与Fe3+Si4+被Al3+Al3+被Mg2+由于同晶替代作用产生负电荷，称为永久电荷。,硅酸盐类粘土矿物的种类及一般特性 a、高岭组：Al4Si4O10(OH)8 1：1型非膨胀型粘土矿物，高岭石、珍珠陶土、迪恺石、埃洛石，

6、热带、亚热带土壤中多。华中、华南、西南。1）1：1型 2）无膨胀性，氢键作用，膨胀性小于5%3）电荷数量少，同晶替代弱或无，负电荷来源断键，CEC：3-15cmol(+)/kg 4)胶体性较弱，较其它粘土矿物粗，塑性，粘结性，吸湿性弱。,b、蒙蛭组 Al4 Si8 O20(OH)4 2：1型膨胀型粘土矿物，蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石，东北 华北 西北较多。1）2：1型 2）胀缩性大，层间分子引力 3）电荷数量多：CEC：80-120cmol(+)/kg 发生铝片Al3+被Mg2+替代。4）胶体性质突出：颗粒细小。0.01-1m,c、水化云母组：(OH)4 K9(AI4 Fe4 Mg4 Mg6

7、)(Si8-y Al9)O20 2：1型非膨胀性粘土矿物，青藏高原 东北 西北 华北 1）2：1型 2）无膨胀性：k+位六边形晶格中，起键联作用。3）电荷数量较多：同晶替代普遍，发生硅片Si4+被Al3+替代，CEC：20-40cmol(+)/kg 4）胶体特性：大小介于前二者之间，力学性质介于前二者之间。,此类胶体包括褐铁矿（2Fe2O33H2O）、水赤铁矿（3Fe2O3H2O）、针铁矿（Fe2O3H2O）、水铝矿（Al2O3H2O）、三水铝矿（Al2O33H2O）等晶质矿物和氢氧化铁Fe(OH)3、氢氧化铝Al(OH)3等非晶质矿物。这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为两性胶体。,2.

8、含水氧化铁、铝：（两性胶体）,土壤胶体的类型,Al(OH)3+H+Al(OH)2+H2O（pH5）,纯净的氢氧化铁的等电点为pH7.1，氢氧化铝等电点为pH8.1，所以它们在大多数酸性或中性土壤中都带正电荷。,土壤胶体的类型,高岭石逐渐代替水云母，铁铝氧化物也迅速增多。,我国土壤粘土矿物的分布,温带干旱的漠境和半漠境地带：,风化程度低，化学风化程度弱，以形成水化度低的水云母为主，蒙脱石不多。,半干旱草原地区：,蒙脱石迅速增加，结晶良好，以蒙脱石和水云母为主。,暖温带湿润地区：,蛭石显著增加，以水云母蛭石为主，说明环境有利于进一步脱钾。,中亚热带以南地区：,土壤胶体的类型,二、有机胶体,特点：高

9、分子有机化合物，高度亲水性。带负电，并且电荷数量多于黏土矿物，因此阳离子交换量大。保肥性强，但不稳定（因受微生物作用而分解）,主要是腐殖质。少量的木素、蛋白质、纤维素等。,腐殖质的电荷是由腐殖质含的羧基（-COOH）、羟基（-OH）、酚羟基解离出H+、-COO-、-O-等离子留在胶粒上而使胶粒带负电。,一般每千克腐殖质的代换量在200 cmol(+)kg-1左右，高者可达5001000 cmol(+)kg-1,三、有机无机复合胶体,游离松结态腐殖质-通过Ca2+而结合。吸着联结态腐殖质-有机胶体与铁铝胶体的结合。紧结态腐殖质-有机胶体与无机胶体的直接结合。,有机胶体以薄膜状紧密盖覆于粘土矿物表

10、面通过阳离子与-COOH、-OH等官能团形成复合体。,结合方式,土壤胶体的类型,二、土壤胶体的基本构造,三、土壤胶体的性质（一）土壤胶体具有巨大的比表面积和表面能（二）胶体带电性（三）土壤胶体凝聚与分散,（一）土壤胶体的比表面积和表面能 比表面积也可叫做比面积，是指每单位重量（或体积）物体的总表面积：比面积表面积/重量 土壤在风化及成土因素作用下，其固相颗粒都是在不断破碎，粒径逐渐变小，比面积都是在不断增加的。如高岭石比面积的典型值是1020m2/g，蒙脱石是600800m2/g，由于表面的存在而产生的能量，叫做表面能。物质的比面积越大，吸附能力也越强，由于土壤胶体具有巨大的表面积，因而具有巨

11、大的表面能。,（二）胶体带有电荷1、胶体带电的原因（1）同晶置换：硅酸盐矿物中的硅氧片或水铝片中的配位中心离子，被大小相近而电性相同的离子所取代，但其晶层结构未变。（2）表面分子的解离：基团解离出H+，大多数土壤胶体产生电荷的原因。（3）断键：粘土矿物破碎、腐殖质胶体的碳键断裂。（4）胶体表面从介质中吸附离子：吸附H+，带正电荷；吸附PO43-、OH-产生负电荷；NH2基质子化，产生正电荷。,2土壤胶体电荷的种类（1）永久电荷 一般同晶置换发生在矿物的结晶过程，一旦晶体形成，它所具有的电荷就不受外界环境（如pH、电解质浓度等）的影响，故称为永久电荷（恒电荷、结构电荷）。同晶置换产生的电荷。（2

12、）可变电荷 其主要是由胶体表面分子的电离引起的，其次来自矿质胶体晶格的断键。胶体所带电荷受pH值等影响，这种电荷称为可变电荷。由断键、表面分子解离和吸附离子产生的电荷,（三）土壤胶体的分散性与凝聚性 土壤胶体有两种存在的状态，一种是胶体微粒相当充分的分散在介质中形成的一种外观颇似溶液的胶体溶液，称为溶胶。另一种是在外因作用下，胶体微粒聚合在一起形成的处于凝聚状态的胶体，称为凝胶。土壤胶体分散在土壤溶液中，由于胶粒有一定的电动电位，有一定厚度的扩散层相隔，而使之能均匀分散呈溶胶态，这就是胶体的分散性。当加入电解质时，胶粒的电动电位降低趋近零，扩散层减薄进而消失，使胶粒相聚成团，此时由溶胶转变为凝

13、胶，这就是胶体的凝聚性。溶胶转变为凝胶，这一过程称为凝聚；凝胶也可以转变为溶胶，这一过程称为分散。,一般规律是：离子价越大，其凝聚作用越强，同价阳离子中，离子半径大的，水膜厚度小的离子凝聚作用强。土壤中常见的阳离子引起胶体凝聚作用大小的顺序:Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+一价离子引起的凝聚是可逆的，二三价离子引起的凝聚作用一般是不可逆的。,第三节 土壤的吸附保肥性能一、土壤吸附性能的一般概念1土壤吸附 土壤是一个多孔体，同时在土壤表面具有大的表面能及电荷，是土壤具有明显的吸附性能，表现在土壤颗粒表面具有能够吸附阴阳离子、气体、液体等物质的能力，称土壤的吸附性能。,2土壤

14、吸附的类型（1）交换性吸附 是土壤胶粒带有电荷借静电引力从溶液中吸附带异号电荷的离子或极性分子。（2）专性吸附 它是指离子通过表面交换与晶体的阳离子共用1个或2个氧原子，形成共价键而被土壤吸附的现象。（3）负吸附 是指土粒表面的离子或分子浓度低于整体溶液中该离子或分子的浓度的现象。,二、土壤阳离子吸附与交换作用1阳离子的静电吸附2阳离子的交换作用概念 是指土壤胶体表面能吸附的阳离子（主要是扩散层中的阳离子）与土壤溶液中的阳离子相互交换的作用。,阳离子的交换能力 是指一种阳离子将胶体另一种阳离子交换出来的能力。影响阳离子交换能力的因素：a.离子电荷数量的影响b.离子的半径及水化程度 c.离子浓度

15、,离子半径及水化程度与交换力的关系,土壤的阳离子交换量 是指pH值为7时每kg干土所吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数，以cmol（+）/kg表示。一般用CEC表示。,影响因素：1）胶体种类：有蒙伊高 2）土壤质地：细，有机质多，粘土矿物多 3）pH：pH下降，CEC降低,不同质地土壤的阳离子交换量,单位：cmolkg土,盐基饱和度(BS)土壤中交换性盐基离子总量占阳离子交换量的百分数称为盐基饱和度。,3阳离子的专性吸附过渡金属离子铁、铝、锰等的氧化物均为非交换态,三、土壤对阴离子的吸附与交换作用土壤对阴离子的静电吸附特点：产生静电吸附的阴离子主要为Cl-、NO3-、ClO4-等；浓度、离子价、

16、互补离子等对阴离子交换作用的影响和阳离子相似；数量与土壤pH值有关。,三、土壤对阴离子的吸附与交换作用阴离子的负吸附 是指电解质溶液加入土壤后阴离子浓度相对增大的现象。大多数土壤在一般情况下主要带负电荷，因此会造成对土壤的阴离子的排斥，表现出较强的负吸附。阴离子的专性吸附 发生于胶体双电层内层，直接与胶体表面的配位离子（配位基）置换，故又称为配位基交换。主要发生在铁、铝氧化物的表面。,第四节 土壤的供肥性,一、土壤的供肥能力土壤的供肥性能是指土壤供应作物所必需的各种速效养分的能力，也就是将缓效养分迅速转化为速效养分的能力。,土壤供肥能力表现的主要内容有：1土壤中各种速效养分的数量速效养分：土壤

17、溶液溶解态养分，包括胶体表面容易吸收利用的养分。供肥容量供肥强度,2缓效养分转变为速效养分的速率缓效养分：土壤中的固态（矿质态和有机态）养分，须经过各种化学和生物化学作用逐步转化为溶解态或交换态后才能被植物吸收利用。转化速率,3速效养分持续供应的时间土壤肥劲大小的表现时间长，土壤养分含量丰富，不易脱肥时间短，养分供应不足，容易脱肥,二、土壤养分的有效化过程土壤胶体上吸附的养分离子对植物的有效性，取决于解离和被交换的难易，影响因素：1离子的饱和度 土壤中某种交换性阳离子的数量占阳离子交换量的百分数。饱和度越大，被解吸和交换的机会越多，有效性越大。“集中施肥”2互补离子的影响 与某种交换性阳离子共

18、存的其他交换性阳离子称为互补离子。3粘土矿物的种类,三、土壤供肥性的调节合理施肥，提高供肥性能合理耕作和灌溉，促进养分的转化供应用养结合，进行合理的轮、间、套作消除有毒物质，改善养分供应状况,第五节 影响土壤供肥性的化学因素,一、土壤溶液组成和浓度土壤溶液：土壤的液相部分，含有各种无机、有机可溶物质和悬浮胶粒。组成为：无机物：钾钠钙镁铵等有机物：可溶性蛋白质、糖类、氨基酸、腐殖酸胶体物质：硅酸、铁、铝的氢氧化物和一些有机物浓度：非常稀薄的不饱和溶液，浓度随土壤类型、土体深度、水、气、热状况及外界施肥而变化。,二、土壤酸碱反应1土壤酸性反应 土壤酸性是根据氢离子存在的方式，按其为溶液态或胶体吸附

19、态分为两大类型：活性酸和潜性酸,活性酸,潜性酸,土壤酸,代换性酸,水解性酸,1）活性酸：土壤溶液中的氢离子所表现出来的酸度。用pH表示,代换性酸度：用过量的中性盐（KCl、NaCl等)浸提土壤，溶液中金属离子与土壤中H+、Al3+离子交换作用，而表现出来的酸度。,用方程式说明Al3+是潜性酸度的主要来源,2）潜性酸：土壤胶体上吸附的氢离子和铝离子所引起的酸度。,水解性酸度：用强碱弱酸盐（如醋酸钠）浸提土壤，溶液中金属离子可将土壤胶体吸附的H+、Al3+离子代换出来，同时生成弱酸（如醋酸），此时测定该弱酸的酸度。,水解性酸度大于交换性酸度,活性酸度与潜性酸度的关系,统一平衡体系的不同表现形式两者

20、可以相互转化，并在一定条件下处于暂时的平衡态潜性酸度是活性酸度的储备,（二）土壤碱性反应,土壤溶液中的OH-离子1、来源：碱金属和碱土金属的碳酸盐类水解和土壤胶体上吸附性Na离子的水解。Na2CO3+H2O 2Na+2OH-+H2CO3,土壤胶体上吸附阳离子（Na+、K+、Mg2+）的饱和度增加，可引起交换性阳离子的水解作用：土壤胶体|-xNa+yH2O 土壤胶体|-(x-y)Na+、yH+yNaOH,2、表示方法：（1）总碱度：碳酸盐碱度和重碳酸盐碱度的总量。总碱度CO32-+HCO3-cmol(+)/L土壤碱化程度分级指标之一,不同碳酸盐和重碳酸盐对碱度的贡献不同：CaCO3、MgCO3

21、难溶，石灰性土壤 pH 7.5-8.5，Na2CO3 pH 10，NaHCO3、Ca(HCO3)2 pH 7.5-8.5,（2）碱化度（ESP）土壤胶体吸附的交换性钠离子占阳离子交换量的百分率。ESP交换性钠/CEC100碱土分类及碱化土壤改良利用的指标和依据,（三）影响土壤酸碱性的因素1、气候2、地形3、母质4、植被5、人类活动6、盐基饱和度7、氧化还原条件,（四）土壤酸碱性反应对土壤养分和作物生长的影响,（五）土壤酸碱反应的调节 1、酸性土施用石灰 2、施用S、硫化铁、废硫酸、FeSO4 3、施用生理酸性肥料 4、碱土施用石膏,三、土壤的缓冲性,土壤溶液的缓冲性能：土壤中加入少量酸或碱时，

22、土壤pH不做相应改变，土壤这种抗拒酸碱改变的能力。,缓冲量：单位质量土壤改变pH单位所需酸或碱的数量（mol/L）。,产生的原因 1）弱酸及其盐类，构成一个缓冲系 例如：碳酸盐体系，在通常CO2浓度下，CaCO3石灰性土壤pH在7.5-8.5H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2O 例如：硅酸盐体系，Mg2SiO4+4H+=Mg2+Si(OH)4,2）土壤胶体作用 胶体-Ca2+2H+=胶体-2H+Ca2+胶体-H+NaOH=胶体-Na+H2O盐基饱和度大对酸缓冲作用强；盐基饱和度小对碱缓冲作用强。,3）铝缓冲作用 在pH5.0酸性土壤中，Al3+对碱具有缓冲能力。,由R.K.Scho

23、field 提出的模型（条件：pH5),4）土壤中两性物质蛋白质、氨基酸、腐殖酸、无机磷酸等,四、土壤氧化还原反应（一）土壤的氧化还原体系,（二）土壤氧化还原电位Eh（mv）：土壤中氧化态物质和还原态物质在氧化还原电极（铂电极）上达到平衡时的电极电位，称氧化还原电位。可以作为土壤通气性的指标！,（三）土壤氧化还原电位与土壤养分有效性和作物生长的关系存在形态影响吸收Eh负值，产生H2S，对作物产生毒害旱地，Eh过高，表明水分过少,（四）影响土壤氧化还原电位的因素土壤的通气性土壤中易分解的有机质土壤中易氧化物质或易还原物质 植物根系的代谢作用,复习思考题,1.简述土壤保肥性和供肥性的关系。2.土壤胶体有何特性？简述其对土壤肥力的影响？3.影响土壤保肥性和供肥性的因素主要有哪些？如何调节？4.试比较高岭石与蒙脱石晶层构造上的差异。5.简述土壤酸碱性类型，如何调节土壤的酸碱性？6.土壤氧化还原状况对作物生长有何影响？,