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土壤学第二部分土壤学第二部分 有1000克土样，分别含H+， Mg2+，Ca2+， Na+，K+和Al3+离子8，5，16，1，1和4 cmol，土样中有机质含量为2%（有机质平均CEC约为350 cmol/kg），粘粒含量是25%，求:土壤的CEC土壤盐基饱和度(1) 若土样仅为一种粘粒矿物组成,试推断是何种矿物?思考:1 红壤用酸不断淋洗,最后得到什么胶体?2 南方强酸性土与弱酸性土通过Al3+产生酸度的机理是否相同?为什么?The main sources of net acid inputs are as follows:The dissolution of CO2 in the soil water to form carbonic acid which dissociates according to CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- H+ + CO32-The accumulation and humification of soil organic matter, producing humic residues with a high density of carboxyl and phenolic groups (羧基和酚基) that dissociate H+ ions.Inputs of H2SO4, HNO3 and (NH4)2SO4 from the atmosphere or acid rain.In soils formed on marine muds (海相沉积海相沉积), or coal-bearing sedimentary rocks （碳基沉积岩）（碳基沉积岩）, the oxidation of iron pyrites （黄铁矿）（黄铁矿）FeS2 gives rise to acid sulphate （硫酸盐）（硫酸盐）soils.Nitrification of NH4+ions, producing H+ ions, and NO3- which is susceptible (易受影响的易受影响的) to leaching.Removal ofCa2+ and Mg2+Plant and animalresiduesATMOSPHERESOILAtmospheric inputsOf acidityWet and drydepositionH+ in solutionBiomass activity-acid productionMineralization and nitrification H+NO3Respiration H2CO3Production of organic acidsAcid attack of soil minerals-acid consumptionH+H+SolutionAl3+,Ca2+,Mg2+,K+,H+e.g. Al(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2OCaCO3 + 2H+ Ca2+ + H2O + CO2Root activity-acid productionCation and anion uptakeH+ or OH- releaseRespiration H2CO3Exudation e.g. Citric acidLeachingCation exchange- acid storageExchangeableCa2+Mg2+K+Al3+H+H+,Al3+Ca2+,Mg2+K+Solution+-+-ClayHumus-LeachingIntogroundwaterAl3+ Ca2+Mg2+ K+H+The process of soil acidification土壤酸度的表示方法(Indicative methods of soil acidity)(一)活性酸度 pH值： 是土壤酸度的强度指标(Intensity index) Active acidity due to the H+ and Al3+ ions in the soil solution. 一般地 pHH2O pHKCl 在pH分级方面，各国的均不一致；我国土壤酸碱反应大致呈“南酸北碱”，确切地说是“东南酸而西北碱”的分布趋势；大体分五级： pH酸碱度级别Grade8.5强碱性Strongly alkaline soil(二)交换性酸度Exchange aciditythe titratable (可滴定) hydrogen and aluminum that can replaced from the adsorption complex by a neutral salt solution.+ 4KCl HAl4K+ Al3+ + H+ + 4Cl-Al3+ + H2O Al(OH)3 + 3H+性质：容量指标(Capacity index)；单位：cmol/kg特点:包括活性酸；(1) (2) 不能将胶体上全部的H+ 、Al3+代换下来，因此，它只是潜性酸的大部分，而非全部。Salt-replaceable acidity, involving the aluminum and hydrogen that are easily exchangeable by other cations in a simple unbuffered salt solution such as KCl.Salt-replaceable acidityThe quantity of salt-replaceable acidity (exchangeable acidity) is much higher, commonly more than 100 times that needed to neutralize the soil solution (active) acidity.(三)水解性酸度(Hydrolysis acidity)用弱酸强碱盐类(如NaAc)浸提土壤，将交换性H+ , Al3+置换到土壤溶液中所显示的酸度性质：容量指标(Capacity index)；单位：cmol/kg特点：(1)包括活性酸。(2) 它可以代表土壤总酸度(改良酸性土壤计算石灰施用量的依据)。4NaAc + 4H2O 4NaOH + 4HAcHAl+4NaOH +4HAc 4Na + Al(OH)3 + H2O +4HAcResidual acidity (Hydrolysis acidity)Residual acidity, which is associated with the large quantity of Al3+,H+ and Al(OH)x ions that are bound in nonexchangeable forms by organic matter and silicate (硅酸盐硅酸盐) clays.The residual acidity is far greater than either the active or salt-replaceable acidity. It may be 1000 times greater than the soil solution or active acidity in sandy soil and 50,000 or even 100,000 times greater in a clayey soil high in organic matter.第二节 土壤碱度Section 2 soil alkalinity土壤碱度产生的原因1 土壤中的碱金属和碱土金属盐类的水解(主要是碳酸盐和重碳酸盐)2 有些土壤中的中性盐(Na2SO4)的水解3 胶体上吸附的 Na, Ca, Mg 离子的水解MicelleCa2+ 2H2OMicelleH+H+ Ca2+ 2OH-(soil solid)(soil solution)(soil solid)(soil solution)Sources of alkalinity:Base-forming cationsSources of alkalinityRole of carbonates and bicarbonatesRole of the cations (Na+ versus Ca2+)Influences of saltsNaHCO3Na+ + HCO3-MicelleNa+ H2OMicelleH+ Na+ OH-(soil solid)(soil solution)(soil solid)(soil solution)CO2 + H2OH2CO3H2O + H2CO3 CO3 2- + H2OOH-OH-H+H+1 碱化度碱化度 土壤胶体上交换性Na+占交换性阳离子的比例一般地 Na+ 15% 以上，pH 8.5 的土壤为碱土碱土2 总碱度指标总碱度指标 测定土壤中碱性盐类水解所产生的碱度即：测碳酸盐和重碳酸盐类碱性盐类的 cmol/kg(1)CO32-，HCO3- 的重量百分数土壤碱度的指标Index of soil alkalinity土壤碱化度指标及土壤状况土壤碱化度指标及土壤状况水溶性盐碱化度（cmol/kg）0.60.61.51.52.0Na+饱和度（%）010102020（甚至达90%）土壤状况不发生碱化或轻微碱化明显碱化强烈碱化Index of soil alkalinitySodium statusTwo expressions are used to characterize the sodium states of highly alkaline soils.The exchangeable sodium percentage (ESP) identifies the degree to which the exchangeable complex is saturated with sodium.ESP =Exchangeable Na+, cmol/kgCation exchangeable capacity, cmol/kg 100ESP levels of 15 are associated with pH values of 8.5 and above.Index of soil alkalinityThe sodium adsorption ratio (SAR) is a second more easily measured property that is becoming even more widely use than ESP.The SAR gives information on the comparative concentrations of Na+, Ca2+, and Mg2+ in soil solutions.SAR=Na+(Ca2+Mg2+)1/2Where Na+,Ca2+,and Mg2+ are the concentrations (in mmol/L) of sodium, calcium, and magnesium ions in the soil solution.碱化作用碱化作用(Alkalization)土壤呈碱性时，导致土壤理化性状所发生的各种变化主要表现：土粒高度分散湿时泥泞不透水气干时坚硬结果：导致耕性、物理性质、化学性质、生物性状的恶化产生碱化作用时，碱土中碱金属离子比：Ca：Mg：Na：K=4：1：9：1（一）酸性1 气候 （1）水，温（2）生物活性2 施肥3 灌溉4 酸性红壤的浊流水（串灌）5 母质因素（靠近黄铁矿）影响土壤酸碱性的因素（二）碱性1 气候 干旱蒸发量降水量2 生物因素3 母质 基性超基性岩4 地下水，灌溉水第三节 盐基饱和度，CO2偏压等与土壤pH的关系盐基饱和度的影响饱和：中微碱性H+，Al3+占2040%：酸强酸性盐基饱和度 0% 50% 100%盐基完全不饱和土壤盐基半饱和土壤盐基完全饱和土壤极限极限 pH半中和点半中和点pH中和点中和点pH1、极限、极限pH土壤胶体上吸附的离子全为H+、Al3+时的pH。可表示土壤胶体的最低pH，可反映潜性酸的强度。pH极限：高岭（4.55.0）蒙脱（3.5） 腐殖质实质上判断3种胶体CEC的大小，CEC ， pH极限决定因子：净负电荷数量所以：一般地，南方土壤pH极限北方土壤pH极限pH极限：砖红壤（4.95.2）红壤（4.54.6） 黄棕壤（3.94.1）2、半中和点、半中和点pH土壤胶体上盐基离子饱和度等于非盐基离子（ H+、Al3+ ）饱和度时的pH。3、中和点、中和点pH土壤胶体盐基离子饱和度等于100%时的pH。各种土壤差别不大：8.20.1pH半中和点半中和点=pK二 土壤空气的CO2偏压对pH的影响CaCO3CO2H2O 体系(土壤中)CO2 + H2O H2CO3 2H+ + CO32-K=H+ 2CO32-/H2CO3= H+ 2CO32- /CO2H2OH2O不变,可忽略; CO32-= K CO2/ H+2CaCO3 Ca2+ + CO32-Ksp=Ca2+CO32-/CaCO3= Ca2+CO32-CO32-=Ksp/ Ca2+Ksp/ Ca2+= K CO2/ H+2 H+2= Ca2+ CO2 K/Ksp2pH = K + p Ca2+ + p CO2 (K =-lgK/Ksp)pH = 4.92 0.5lg Ca2+ 0.5lg CO2 公式意义：(1)对石灰性土壤，随Ca2+、CO2的升高，pH下降(2)测定土壤pH值时，要煮沸蒸馏水，排除CO2，冷却后用(3)土壤田间pH高低，受CO2多少的影响pH风干土样 pH田间土样三 土壤水分状况对pH的影响测pH 水：土=1：1(中国) 或2.5：1(国际)规定水土比原因：（1）中性-石灰性土壤，增加水土比会导致pH值上升CaCO3 + H2O H2CO3 + Ca(OH)2Ca2+ + 2OH-Ca + 2H2O HH+ Ca(OH)2Ca2+ + 2OH-（2）酸性土，稀释（加水）会使pH值上升稀释效应?（不祥）各类土壤增加水土比，都会使各类土壤增加水土比，都会使pH值升高值升高四 土壤氧化-还原条件问题：某地红壤，小麦和水稻各种一半，哪一半土壤pH高?pH水稻pH小麦 ?(1)有机质嫌气分解产生NH3(NH4+)，在嫌气条件下不易变成NO3-,而是与土壤中的CO2生成(NH4)2CO3(NH4)2CO3 H2CO3 + NH4OHNH3+ OH-(2)还原条件下，出现Mn2+，Fe2+，可生成MnCO3，FeCO3，水解后呈碱性(3)酸性硫酸盐土(pH 23)，淹水后，硫酸盐还原为硫化物(水解呈碱性)对碱性土： pH水稻pH小麦，为什么? 嫌气条件产生有机酸(多)嫌气条件下微生物释放的CO2向大气扩散慢结论：淹水使酸性土和碱性土趋于中性淹水使酸性土和碱性土趋于中性第四节 土壤的缓冲作用Section 4 soil buffer action定义(Difinition): 当向土壤中加入酸或碱时，土壤所具有的减缓pH改变的作用，叫Soil tend to resist changes in the pH of the soil solution. This resistance, called buffering.原因:1 土壤胶体的阳离子交换作用CaH+H2SO4 3H +CaSO4CaH+NaOH CaNa+H2O2 土壤溶液中多种弱酸及弱酸盐CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2CO33 土壤中的一些两性胶体物质R-CH-COOH + HCl = R-CH-COOHNH2NH3Cl+ NaOH = R-CH-COONaNH3OH4 酸性土壤中的活性Al3+或交换性Al3+对碱的缓冲作用继续加碱，可以出现多个“-OH-”把Al3+“拉起来”，形成多个 “Al-OH-Al” (P.134)条件：pH 蒙脱石伊利石高岭石R2O3粘土壤土砂土2 土壤盐基饱和度CEC相等条件下：盐基饱和度越大大，对酸酸的缓冲性越强强盐基饱和度越小小，对碱碱的缓冲性越强强第五节 土壤反应与肥力关系一、对土壤肥力及植物生长影响1、对养分有效性的影响总体看，pH67范围内各种元素有效性普遍较高养分有效性受土壤酸碱性影响较大（1）由图可见酸性：N,P,K,S,Ca,Mg,B,Mo有效性降低 Fe,Mn,Zn,Cu,Co易过剩碱性：Fe,Mn,Cu,Zn,Co有效性降低pHnOptimal pH value: 5 6nMaximal nutrient availability nHigh pH values:nReduced nutrient availabilitynLow pH values:nReduced nutrient availabilitynToxic levels of Al, Mn（2）原因： 从微生物活性考虑 从溶度积考虑 从发生化学沉淀考虑 从流失考虑 pH8.5时，Na+多，P溶解性增强在酸性：K,Ca,Mg易流失，使土壤中减少2 影响理化性质pH碱化Na+饱和度高土粒分散性状变坏酸化pHH+多(Ca2+,Mg2+流失)3、对植物生长的影响（1）Al3+的毒害（pH5.5）界限：0.2 c mol Al3+ /kg；症状：根系变粗、短，影响养分吸收pH5.56.3时，大部分Al3+沉淀，Al3+毒消除过碱：主要是NaOH的腐蚀（不是毒害）（2）根据植物对酸碱的敏感性分为： 敏感植物和不敏感植物敏感植物指示植物指示植物：一些植物对酸碱性有着不同的爱好，它们只能在某一定的酸碱范围内生长，因为这些植物能对土壤酸碱性 起指示作用，故称之为土壤酸碱性的“指示植物”。耐酸植物：茶树，羽扇豆；耐碱植物：盐蒿，柽柳，碱蓬二 土壤酸碱性的调节（一）酸性土酸性调节1、调节途径：施用石灰（Ca(OH)2,CaO,CaCO3）2、调节机理2H+ + Ca(OH)2 Ca2+ + 2H2O (活性酸)HAl+ Ca(OH)2 CaCa+ Al(OH)3 + H2O (潜性酸)Lime truck spreading lime on the field3、影响中和速度的因素粘粒矿物类型 蒙脱石 Al(OH)2+(在晶层)土壤和石灰颗粒的粗细土壤温度、水温4、石灰用量计算石灰用量=土壤体积容重阳离子交换量(1-盐基饱和度)(二) 对碱性土的调节1 施用有机肥2 施用化学物质 （1）FeSO4 （2）硫磺粉，黄铁矿（FeS）3 施用生理酸性肥料 如：(NH4)2SO4，KCl4 对碱化土壤，施用石膏石膏1 酸性土壤pH对作物的危害主要是( )作用(选:直接, 间接);其主要影响途径是: (1) (2) (3)2 pH 5.5的酸性土,用中性盐BaCl2溶液浸提,被代换出的阳离子,可以被检测出来的可能有( );不会或很少有的为( );因为( )3 酸性土的旱地和水田,用石灰改良,其增产原因( )(选:相同,不同);因为( )4 酸性土施用石灰过多会( )(选:增加,减少)钾的有效性,因为( )作业作业Chapter 6 Soil nutrientThe essential elementsThere are 16 elements without which green plants cannot grow normally and reproduce. On the basis of their concentration in plants, these essential elements are subdivided into:The macronutrients C, H, O, N, P, K ,Ca, Mg, S and Cl which occur at concentration 100 mg kg-1 (plant dry matter basis), andThe micronutrients Fe, Mn, Zn, Cu, B and Mo which are generally 100 10050 40 4020 木本，豆科非豆科，阔叶林针叶林2 气候：通过温度、湿度影响湿度：湿度因素（H）=降雨量/蒸发量 H土壤氮素N=A(1-e-cH)温度： H一定时，温度，土壤氮素N=ce-kt3 质地：粘土中壤土轻壤土砂土4 地势、地形：通过温度、湿度影响5 耕地利用：水田旱地总的来看，影响有机质含量的因素都会影响氮素含量总的来看，影响有机质含量的因素都会影响氮素含量三 土壤氮素的有效化和无效化过程及其调节1 有效化有机态氮矿化(氨化,硝化)无机固定态释放2 无效化(1) NO3-淋失(2) 反硝化作用(嫌气条件)2HNO3+4H+-2H2O2HNO2+2H+-2H2O2NO+2H+-H2ON2O+2H+-H2ON2(3) NH3挥发(4) NH4+的晶格固定3 调节及预防(1) NO3-淋失控制施肥(2)反硝化作用减少NO3-生成(3) NH3挥发深施覆土(4) NH4+的晶格固定增施有机肥保持土壤湿润(5)增强微生物活性NITROGEN CYCLESoil organic matterNH4+NO2-NO3-Plant uptakeNitrificationImmobilizationVolatilizationGaseous lossesN2, N2O, NH3 c l a y c l a y desorption adsorptionN removal by plant(harvest)LeachingGAINSLOSSESMineralizationN fertilizersN fixationlegumesCompostManureLOSSES PHOSPHORUSn 0.2 % plant dry weightnFunctionsnNucleic acids/DNA (genetic code)（核酸/遗传密码）nSugar phosphates（植素？）nATP (energy)nPhospholipids（磷脂）nCoenzymes（辅酵素）nUptake: phosphate anion H2PO4- ; HPO42-nForms insoluble precipitates with Ca, Mg, Al, FenNot mobile in soil (adsorption & precipitation)第二节 土壤中的磷一 含量及形态1 含量 P2O5 0.050.46% P 0.020.2% P2O5=2.29P2 形态(1)有机态核酸,植素,磷脂(2)无机态主要有三类矿物态 磷酸钙,镁,铝,铁等Ca-P, Al-P, Fe-P, O-P代换态 H2PO4-, HPO42-为主,PO43-很少水溶态 H2PO4-, HPO42-,PO43-3 磷(土壤)的有效性速效磷水溶性,一部分吸附-交换态,弱酸弱碱溶性缓效磷-一部分吸附态,一部分矿物态无效磷溶度积大于30的矿物态二 土壤中磷的固定及机制Phosphate fixationOrthophosphate (H2PO4- and HPO42-) is adsorbed by soil particles where its availability steadily declines with time, a process called 1 化学沉淀固定化学沉淀固定Al3+(Fe3+) + H2PO4-+2H2OAl(Fe)(OH)2H2PO4Ca2+ + H2PO4-Ca HPO42 表面反应机制交换反应高岭高岭-OH-OH-OH-O-O-O+ HPO42- P=O+2 H2O+OH-北方土壤Ca+K+ HPO42- Ca-HPO4K表面次生反应CaCO3+ HPO42-CaCO3CaHPO4CaCO3Ca3(PO4)2CaCO3Ca10(PO4)6CO33 闭蓄机制Fe(OH)2H2PO4+OH-Fe(OH)3+H2PO4-pKsp=3335pKsp=3738粉红磷铁矿4 生物同化固定C/P200/1 固定三三 影响土壤磷有效性因素及减少固磷途径影响土壤磷有效性因素及减少固磷途径pH胶体类型及性质土壤有机质土壤氧化还原状况其它因素SiO2/R2O3固磷无定形凝胶结晶态1:1型2:1型包被粘粒, R2O3,CaCO3等HA,FA络合Fe3+,Al3+,Ca2+产生CO2,有机酸等淹水,pH, Fe(OH)2H2PO4水解淹水,还原条件,Fe3+ Fe2+粘土砂土干湿交替经常湿润微生物活性,同化磷POTASSIUMn 1 % plant dry weightnFunctionsnRegulates osmotic pressure（调节渗透压） nRegulates 60 enzyme systems（酶系统）nAids in photosynthesis（促进光合作用）nFavors translocation of photosynthates（助光合产物传输）nRegulates stomata and water use（调节气孔和用水）nEnhances N uptake and protein synthesis（促进N吸收和蛋白质合成）nUptake: potassium cation K+nLimited mobility in soils (adsorption)nMay leach in sandy soils第三节 土壤中的钾一 含量及形态1 含量:矿质土壤(K2O)约1.40%;地壳(K2O)约3.11%2 形态:有机态 约1%无机态矿物态 约98%代换态 约12%(40600 ppm)水溶态 约110 ppm3 有效性: 速效,缓效,无效二 影响土壤含钾量的因素(母质,质地,气候,栽培与施肥) 三 土壤中钾的固定和有效化1 固定： 2:1型粘矿晶格固定,化学沉淀固定影响晶格固定因素2 有效化：无效钾和缓效钾变为速效钾的过程排水,晒田灼烧冻融交替矿物类型水分条件土壤pH酸性土Al3+,Al(OH)2+ KKKKKKKKK+-K+K+K+Soil clay minerals(illite, vermicullite, etc.)Interlattice(K fixed, trapped)Exchange positions(K adsorbed)KKKSoil primary minerals (micas, feldspars)Structural KKKKKIn Soil SolutionPOTASSIUM DYNAMICS IN SOILSPOTASSIUM DYNAMICS IN SOILSPlantuptakeLeaching Soil solution Exchangeable Non-Exchangeable Mineral Fertilizer KKK+KKREADILY AVAILABLE1 - 4 %UNAVAILABLE92%SLOWLY AVAILABLE2 - 6%weatheringdesorptionadsorption第四节 土壤中的硫,钙,镁一 硫的含量与形态1 含量： 温带： 约0.010.20%干旱区湿润区城市附近其它地区2 形态：（1）固体矿物难溶性硫化物和硫酸盐（2）游离态SO42-和S2-（3）交换态SO42-（4）有机态二 硫的转化及影响有效性因素（植物吸收SO42-形态）1 有机态硫的矿化2 硫化物和元素硫的氧化 土壤氧化还原条件和pH影响3 硫酸盐矿物的溶解（1） pH，湿度，温度，通气等影响（2） C/S300400三 土壤中钙和镁形态酸性土石灰性土主以矿物存在植物需要量钙镁，而土壤易缺镁钙镁易淋失，需施用肥料交换性Ca2+,Mg2+占CEC 9095%其中Ca2+:Mg2+510:1第五节 土壤中的微量元素(MnZnCuBMo影响因素:1 母质的矿物成分2 土壤质地和有机质含量3 土壤的酸碱度和淋溶强度4 耕作和施肥二 形态水溶态交换态专性吸附态有机态铁锰氧化物包被态矿物态三三 影响有效度的因素影响有效度的因素(一)影响阳离子型微量元素(Fe, Mn, Cu, Zn)1 土壤酸碱度2 土壤氧化还原状况3 固定作用4 有机质5 土壤质地(二)影响阴离子型微量元素(B, Mo)B: 酸性土石灰性土Mo: 酸性土石灰性土MICRONUTRIENTSn Sulphate salts of Fe-Zn-Mn-CunThese rapidly become unavailable in the soilnChelates (螯合物): available