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第八章土壤酸碱性和氧化还原反应
目的要求:
要求学生掌握土壤酸碱性的成因,衡量土壤酸碱性的指标,影响土壤酸碱性的主要因素,土壤酸度类型与土壤的缓冲作用,土壤的氧化还原过程特点及其影响因素,土壤酸碱性,氧化还原状况与肥力的关系.
第一节土壤酸,碱性的形成
一,土壤酸性
(一)土壤酸化过程
土壤胶体上吸附的盐基离子被活性 H + 交换进入土壤溶液后被淋失,土壤胶体上的交换性 H + 不断增加,并出现交换性铝,形成酸性土壤.
1. 土壤中 H + 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. 土壤中铝的活化
当土壤交换性 H + 的饱和度达到一定限度,就会破坏硅酸盐粘粒晶体结构,其水铝片中 Al 转化为活性 Al 3+ ,取代交换性 H 而成为交换性 Al 3+ .这种反应十分迅速.因此,矿质酸性土以交换性 Al 3+ 占绝对优势.
(二)土壤酸的类型
1. 土壤活性酸
扩散于土壤溶液中的氢离子所反映出来的酸度.
土壤 pH 值和酸碱性分级
土壤 pH 8.5
级别极强酸性强酸性微酸性中性碱性强碱性
用水浸提,得到的 pH 值反应土壤活性酸的强弱.用 KCl 浸提,得到的 pH 值除反映土壤溶液中的氢离子外,还反映由 K + 交换出的氢离子和铝离子显出的酸性.故 pH 水通常大于 pH 盐 .
pH 水与 pH 盐差值可反映土壤盐基饱和度,盐基饱和度高的土壤, pH 水与 pH 盐的差值小;盐基饱和度低的土壤, pH 水和 pH 盐的差值就大.
测定土壤 pH 值时的水土比,按国际土壤学会推荐用 2.5:1 ,水土比大时,测出的 pH 值稍偏大.
2. 土壤潜性酸
潜性酸 —— 土壤胶体吸附的 H + , Al 3+ 离子,在被其它阳离子交换进入溶液后,才显示酸性.
(1)代换性酸度:潜在酸度中有一部分要用中性盐类,如氯化钾(KCl)溶液,才能把土壤吸附的氢离子交换出来,形成土壤的代换性酸度(exchange acidity).其反应过程如下:
(2)水解性酸度:潜在酸度中另一部分与土壤结合较牢固的氢离子,只有用基性盐,如弱酸强碱的醋酸钠(NaAc)盐溶液,以水解的方法把土壤吸附的氢离子取代出来,形成土壤的水解性酸度(hydrolytic acidity).
由于土壤中存在着离子的交换,当土壤溶液中氢离子浓度减少时,土壤胶体所吸附的氢离子就会解离出来,补充到溶液中去,彼此的离子相互转化,因此,活性酸度和潜在酸度是经常处于动态平衡状态的.其平衡状态表示如下式:
二,土壤碱性的形成
1. 土壤碱性的形成机理
土壤中碱性物质 — 主要是 Ca , Mg , Na , K 的碳酸盐及重碳酸盐,以及土壤的交换性 Na + .
碱性物质的水解反应是碱性形成的主要机理.
( 1 )碳酸钙水解 ;
( 2 )碳酸钠水解
碳酸钠的来源:土壤矿物质中钠的碳酸化.风化产物硅酸钠与碳酸的作用(析出 SiO 2 ).
中性钠盐与 CaCO 3 的相互作用
( 3 )交换性钠的水解
当土壤胶体吸附的交换性 Na + 积累到一定数量,而土壤溶液的盐浓度较低时, Na + 离解进入溶液,水解产生 NaOH ,并进一步形成碳酸盐 Na 2 CO 3 , NaHCO 3 .
2. 影响土壤碱化的因素
( 1 )气候因素(干湿度)
碱性土分布在干旱,半干旱地区.在干旱,半干旱条件下,蒸发量大于降雨量,土壤中的盐基物质,随着蒸发而表聚,使土壤碱化.
( 2 )生物因素
Na , K , Ca , Mg 等盐基的生物积累.一些植物适应在较干旱条件下生长,而且有富集碱性物质的作用:海蓬子含 Na 2 CO 3 3.75% ,碱蒿含 2.76% .盐蒿含 2.14% ,芦苇含 0.49% .
( 3 )母质
碱性物质的基本来源.基性岩,超基性岩富含碱性物质.含盐基物质多,形成的土壤为碱性.
( 4 )施肥和灌溉
施用碱性肥料或用碱性水灌溉会使土壤碱化.如都江堰水质偏碱,长期用都江堰水灌溉的水稻田土壤 pH 有所提高.
三,土壤酸碱性对土壤肥力的影响
(一)土壤酸碱性对土壤养分有效性的影响
(二)影响土壤微生物活性
(三)影响土壤物化性质 :酸性土壤和碱性土壤的物理性质都很差
(四)主要木本植物适宜pH值范围
大多数木本植物适宜微酸性到微碱性土壤,有些植物要求酸性土壤,在强碱性土壤上一般树种都不能生长.
四,土壤反应的调节
(一)酸性土的调节
改良酸性土壤通常施用石灰,石灰石粉和碱性,生理碱性肥料.
(二)碱性土的调节
改良碱性土可施用石膏,明矾,硫酸亚铁和硫磺等. 此外,改良碱土还需要采取与灌溉,排水,园林植物栽培以及土壤耕作等相结合 .
第二节土壤缓冲性
一,土壤缓冲性的意义
(一)缓冲性
当加入致酸或致碱物质于土壤中时,土壤具有缓和酸碱度的能力称为土壤缓冲性.
常用缓冲容量来表示土壤缓冲酸碱能力的大小,即缓冲一个pH单位所需要的酸或碱的数量.
(二)土壤具有缓冲性的意义
土壤具有缓冲性,使土壤的pH不致因施肥,根系呼吸,有机质分解等引起剧烈变化,为植物生长和微生物活动创造一个稳定良好的土壤环境条件.所以,土壤缓冲性能是影响土壤肥力的重要性质.
二,土壤缓冲作用的机制
1.交换性阳离子的缓冲作用
由于土壤胶体表面吸附有各种阳离子,当土壤溶液中的H+增加时,胶体表面的交换性盐基离子与其交换使土壤溶液中的H+浓度基本不变.
当土壤溶液中的OH-增加时,胶体表面的致酸离子与其交换,使土壤溶液中OH-浓度基本不变.致酸离子中的Al3+水解后可产生3个H+,对碱的缓冲能力特别强.
2.弱酸及其盐类的缓冲作用
土壤中大量存在的碳酸,磷酸,硅酸,腐殖酸和其他有机酸及其盐类构成许多缓冲对,也可以缓冲酸和碱的作用.
当加入酸时:CaCO3+H2SO4 →CaSO4+H2CO3
当加入碱时:H2CO3+KOH →KHCO3+H2O
3.两性物质的缓冲作用
土壤中的一些两性胶体物质,对酸,碱都有中和缓冲作用.
4.铝离子的缓冲作用
在强酸性土壤中,游离的Al3+对碱有缓冲作用,这是由于Al3+结合的六个水分子能解离出2个H+以中和土壤溶液和增加的OH-,而本身形成复合铝离子的结果.反应式如下:
2[Al(H2O)6]3++2OH- → Al2(OH)2(H2O)5]4++4H2O
当pH>5时,复合铝离子及游离Al3+开始互相结合,成为沉淀而失去对碱的缓冲能力.
第三节土壤氧化还原反应
一,土壤氧化还原体系
土壤中同一物质可区分为氧化态 ( 剂 ) 和还原态 ( 剂 ) ,构成相应的氧化还原体系.
1. 土壤空气中O 2 是主要氧化剂,在通气良好的土壤中,氧体系控制氧化还原反应,使多种物质呈氧化态,如 NO 3 - , Fe 3+ , Mn 4+ , SO 4 2 - 等.
2. 土壤有机质特别是新鲜有机物是主要还原剂,在土壤缺O 2 条件下,将氧化物转化为还原态.
3. 土壤中氧化还原体系可分为无机体系和有机体系.
无机体系的反应一般是可逆的,有机体系和微生物参与条件下的反应是半可逆或不可逆的.
4. 土壤氧化还原反应不完全是纯化学反应,在很大程度上有微生物的参与,例如 NH 4 + → NO 2 - → NO 3 - ,分别在亚硝酸细菌和硝酸细菌作用下完成.
5. 土壤是不均匀的多相体系,不同土壤和同一土层不同部位,氧化还原状况会有不同差异.
6. 土壤氧化还原状况随栽培管理措施特别是灌水,排水而变化.
二,土壤氧化还原指标
1 . 强度指标
( 1 )氧化还原电位( Eh ):单位为伏 (V) 或毫伏 (mV)
( 2 )电子活度负对数 —pe
( 3 ) Eh 与 pH 的关系
土壤的氧化还原反应总有 H + 参与, H + 的活度对氧化还原平衡有直接影响.
2. 氧化还原强度指标与数量因素的关系
土壤还原性物质包括有机和无机还原性物质,还原性物质总量可以测定,但很难直接与 Eh 联系起来.当然土壤还原性物质的浓度仍与 Eh 有密切的统计相关性.
三,影响土壤氧化还原的因素
1. 土壤通气性
2. 微生物活动
3. 易分解有机质的含量
4. 植物根系的代谢作用
5. 土壤的 pH
四,土壤氧化还原状况的调节
重点在水田土壤,核心是水,气关系.
1,水分过多的下湿田,深脚烂泥田,排水不畅,渗漏量过小,还原性强, Eh 为负值,还原性物质大量积累,导致作物低产.加强以排水,降低地下水为主的水浆管理,改善土壤的通气条件.
2,缺水,漏水的水稻田,氧化性过强,对水稻生长不利,应蓄水保水和增施有机肥,促进土壤适度还原.