09 土壤孔性.ppt

第1页：土壤孔性的概念

§1 土壤孔性的概念

土壤孔隙

土壤中土粒或团聚体之间以及团聚体内部的空隙。

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）；前者决定土壤气、液两相的总量，后者决定气、液两相的比例。

第2页：土壤孔隙度及其计算

§2 土壤孔隙度

土壤孔隙度

单位容积土壤中孔隙容积占整个土体容积的百分数，表示各种大小孔隙度的总和，一般通过土壤容重和土壤密度计算。

土壤孔隙度＝[1－（容重/相对密度）]×100%

第3页：土壤孔隙度计算公式推导

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）]×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%

第4页：土粒密度与相对密度

• 土粒密度：单位容积（无粒间孔隙）的固体土粒的干重，单位 g/cm³
• 土粒相对密度：与4℃时水的密度的比值
• 有机质密度1.25—1.40 g/cm³；矿物密度大多在2.6—2.7之间；一般取土粒密度为2.65 g/cm³

第5页：土粒密度测定示意图

本页以示意图形式说明土粒密度与土粒相对密度的概念及测定原理，具体标注见图中所示。

第6页：土壤容重

土壤容重

单位容积土体（包括孔隙在内的原状土）的干重，单位 g/cm³ 或 t/m³；一般旱地土壤容重大体在1.00—1.80 g/cm³ 之间。

• 反映土壤松紧度
• 计算土壤的重量
• 计算土壤中水分、有机质、养分和盐分等各组分的含量
• 计算土壤孔隙比

第7页：土壤孔隙的当量孔径

§3 土壤孔隙类型

当量孔径

与一定的土壤水吸力相当的孔径，与孔隙的形状及其均匀性无关。

d ＝ 3/T（d 为孔隙的当量孔径 mm；T 为土壤水吸力，以100Pa为单位）

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。

第8页：土壤孔隙类型划分

第9页：孔隙状况与土壤肥力及作物生长

§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

第10页：土壤结构体与土壤结构性

§1 土壤结构体和土壤结构性的概念

土壤结构体（土壤结构）

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、形状、力稳性、水稳性及孔隙状况的综合特征。

第11页：土壤结构体类型（一）

§2 土壤结构（体）的类型

• 块状结构：长、宽、高三轴大体近似，边面不明显
• 核状结构：三轴大体近似，边面梭角明显，较块状结构小
• 团粒结构：近于圆状小团聚体，粒径0.25—10mm；农业生产上最理想的团粒结构粒径为2—3mm

第12页：土壤结构体类型（二）

• 片状结构：水平轴特别发达，呈薄片状；结构体间较为弯曲者称为鳞片状结构，厚度小于1cm至大于5cm不等
• 柱状结构：垂直轴特别发达，呈立柱状
• 棱柱状结构：棱角明显

第13页：土壤结构体形态示意图

本页以示意图形式展示土壤结构体的类型与形态特征，各类结构体的形状与名称见图中标注。

第14页：良好团粒结构具备的条件

§3 土壤团粒结构与土壤肥力

良好团粒结构具备的条件：

• ① 有一定的结构形态和大小
• ② 有多级孔隙
• ③ 有一定的稳定性
• ④ 有抵抗微生物分解破碎的能力

第15页：团粒结构对土壤肥力的作用

团粒结构对土壤肥力的作用

• ① 能协调水分和空气的矛盾
• ② 能协调土壤有机质中养分的消耗和积累的矛盾
• ③ 能稳定土壤温度，调节土热状况
• ④ 改良耕性和有利于作物根系伸展

第16页：土壤团粒结构的形成

§4 土壤团粒结构的形成

土粒的粘聚

① 胶体的凝聚作用；② 水膜的粘结作用；③ 胶结作用（简单的无机胶体、粘粒、有机物质）。

成型动力

① 生物作用；② 干湿交替作用；③ 冻融交替作用；④ 土壤耕作的作用等。

第17页：形成团粒结构的措施

§5 形成土壤团粒结构的措施

• 农业措施：① 深耕与施肥；② 正确的土壤耕作；③ 合理的轮作制度；④ 调节土壤阳离子组成；⑤ 合理灌溉、晒垡和冻垡
• 土壤结构改良剂的应用

第18页：土壤耕性的概念

§1 土壤耕性的概念

土壤耕性

土壤在耕作时所表现的特性，包括耕作的难易程度（耕作阻力的大小）、耕作质量的好坏（耕后土垡松散、容易耙碎、不成坷垃、松紧孔隙状况适中）、适耕期的长短（适宜耕作时间的长短）。

第19页：土壤粘结性和粘着性

§2 土壤物理机械性

土壤粘结性

土粒与土粒之间由于分子引力而相互粘结在一起的性质。

土壤粘着性

土壤在一定含水量情况下，土粒粘着外物表面的性能。

第20页：粘结性粘着性的影响因素（一）

影响土壤粘结性和粘着性的因素

• ① 土壤质地：土壤愈细，接触面愈大，粘结性和粘着性愈强
• ② 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

第21页：粘结性粘着性的影响因素（二）

• ③ 土壤结构：团粒结构使土团接触面减少，粘结性和粘着性降低，土壤疏松易耕
• ④ 土壤腐殖质含量：腐殖质在土粒外围形成薄膜，改变粘粒接触面性质，可减弱粘土的粘结性
• ⑤ 土壤代换性阳离子的组成：不同阳离子种类可影响土粒的分散和团聚

第22页：土壤可塑性

2. 可塑性

土壤可塑性

土壤在一定含水量范围内，可被外力任意改变成各种形状，当外力解除和土壤干燥后仍能保持其变形的性能。

第23页：塑限、流限与塑性值

影响土壤可塑性的因素：① 水分含量

• 干土没有可塑性，水分逐渐增加时才表现可塑性
• 下塑限（塑限）：土壤开始呈现可塑状态时的水分含量
• 上塑限（流限）：土壤失去可塑性而开始流动时的土壤含水量
• 塑性值（塑性指数）：上塑限与下塑限含水量之差，塑性值大则土壤可塑性强

第24页：土壤按塑性值分类

土壤按塑性值分类

说明：源文中弱塑性土（砂壤）仅标注「＞7」，未给出下限；按土壤塑性分类的通行分级，其塑性值区间应为7—1，此处据此补全。

第25页：阳离子与有机质对塑性的影响

• ③ 代换性阳离子：代换性钠离子水化度大，使土壤分散，可塑性增大；钙离子具有凝聚作用，可减少土壤的可塑性
• ④ 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

第26页：土壤胀缩性

3. 胀缩性

土壤胀缩性

土壤吸水后体积膨胀、干燥后体积收缩的特性。

• 胀缩性强会对植物根系产生机械损伤，易拉断植物根系
• 主要影响因素是土壤胶体：蒙脱石晶层间结合不紧，水分易进入使晶层间距拉开，其胀缩性远较晶层结合紧密的高岭石大

第27页：土壤耕作与改良耕性

§3 注意土壤耕作、改良土壤耕性

• （1）防止压板土壤：土壤在降雨、灌溉、人畜践踏与农机具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
• （4）少、免耕技术

第28页：土壤胶体的概念

§1 土壤胶体的概念

土壤胶体

土壤中粒径＜1µm 或 2µm 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。

按分散程度可分为：粗分散体系、胶体分散体系、分子与离子分散体系。

第29页：土壤胶体的类型

§2 土壤胶体的类型

• 无机胶体：层状硅酸盐矿物、含水氧化物
• 有机胶体
• 有机无机复合体

第30页：硅氧片和硅四面体

硅氧片和硅四面体

硅四面体由四个氧原子和一个硅原子组成。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。

第31页：硅氧四面体结构图

本页为硅氧四面体与铝氧八面体的结构示意图（Silicon Tetrahedron / Aluminum Octahedron），原子排布见图中标注。

第32页：硅四面体共用一个氧原子

本页示意相邻硅四面体共用1个氧原子（Share 1 oxygen）的连接方式，即硅氧片的形成。

第33页：铝氧片和铝八面体

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。

第34页：硅氧片与铝氧片结构图

本页示意硅氧四面体片与铝氧八面体片的结构及层状排列，原子连接方式见图中标注。

第35页：八面体片共用两个氧原子

本页示意铝氧八面体之间共用2个氧原子（Octahedral Sheet, Share 2 oxygens）的连接方式。

第36页：高岭石的1:1型晶层

1:1型粘土矿物——高岭石（Kaolinite）

• 晶层：硅氧片 + 铝氧片
• 非膨胀型（Non-Expanding）
• 阳离子交换量约10 cmol(+)/kg

第37页：蒙脱石的2:1型晶层

2:1型粘土矿物——蒙脱石（Montmorillonite）

• 晶层：硅氧片—铝氧片—硅氧片
• 膨胀型（Expanding），层间可进入大量水分子
• 阳离子交换量约100 cmol(+)/kg

第38页：伊利石的2:1型晶层

2:1型粘土矿物——伊利石（Illite）

• 晶层：硅氧片—铝氧片—硅氧片
• 非膨胀型，层间由钾离子（Interlayer K⁺）固定
• 阳离子交换量约40 cmol(+)/kg

第39页：土壤胶体的构造与微粒核

§3 土壤胶体的构造

• 土壤胶体分散系包括胶体微粒（分散相）和微粒间溶液（分散介质）两大部分；胶体微粒在构造上分为微粒核、决定电位离子层和补偿离子层三部分
• （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、蛋白质分子以及有机无机胶体的分子群所构成

第40页：土壤胶体的双电层

（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），又称双电层。

第41页：土壤胶体构造示意图

本页以示意图形式展示土壤胶体微粒的构造，包括微粒核、决定电位离子层与补偿离子层（双电层），各层标注见图中所示。

第42页：土壤胶体的比表面和表面能

§4 土壤胶体的特性

比表面（比面）

单位重量或单位体积的总表面积（cm²/g，cm³/cm³）。

表面能

表面分子与外界液体或气体介质相接触，内外所受吸引力不能相互抵消而具有的多余能量。胶体数量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附能力愈强。

第43页：土壤胶体特性示意图

本页以示意图形式说明土壤胶体的比表面与表面能及其吸附作用，具体标注与数值见图中所示。

第44页：土壤胶体的永久电荷与可变电荷

（2）土壤胶体带有电荷

永久电荷

由于粘粒矿物晶层内的同晶替代所产生的电荷，不受介质 pH 影响，主要发生在2:1型粘粒矿物中，1:1型矿物中极少。

可变电荷

电荷的数量和性质随介质 pH 而改变的电荷。

pH0

土壤可变正、负电荷数量相等时的 pH 值，又称可变电荷零点、等电点。

第45页：同晶替代产生永久电荷

本页为同晶替代示意图（Examples of Isomorphic Substitution）：硅氧四面体中 Al³⁺ 替代 Si⁴⁺、铝氧八面体中 Mg²⁺ 替代 Al³⁺，使晶层产生净负电荷（Net Negative Charge），即永久电荷的来源。

第46页：可变电荷的产生原因

产生可变电荷的主要原因

• ① 粘粒矿物晶面上－OH 基的解离
• ② 含水铁、铝氧化物的解离
• ③ 腐殖质上某些原子团的解离
• ④ 含水氧化硅的解离
• ⑤ 粘粒矿物晶层上的断键等

第47页：可变电荷土壤与三水铝石

可变电荷土壤：含有较多铁、铝氧化物，土壤带电性随 pH 变化而变化的土壤（主要是酸性土壤）。

• 如三水铝石：pH 低于 pH0 时，Al₂O₃·3H₂O → 2Al(OH)₂⁺ ＋ 2OH⁻（表面带正电）
• pH 高于 pH0 时，Al₂O₃·3H₂O → 2Al(OH)₂O⁻ ＋ 2H⁺（表面带负电）

第48页：腐殖质原子团的解离

本页示意腐殖质上某些原子团的解离：COOH → COO⁻、－OH → O⁻、－NH₃⁺ → NH₂，这些解离是土壤可变电荷的重要来源。

第49页：土壤胶体的凝聚和分散作用

（3）土壤胶体有凝聚和分散作用

凝聚作用

胶体溶液受某些因素影响使胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶。

分散作用

由凝胶分散成溶胶。

促使胶体凝聚或分散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。

第50页：离子与电解质的凝聚作用

• 电荷数量少而水化度大的离子（如 Na⁺）：形成扩散层厚，电动电位高，使胶体分散
• 电荷数量多、水化度小的离子（如 Ca²⁺）：扩散层薄，电动电位降低到一定程度时胶体即可凝聚
• 电解质种类的影响：一般一价离子＜二价离子＜三价离子，即 Fe³⁺＞Al³⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞H⁺＞NH₄⁺＞K⁺＞Na⁺
• 电解质浓度大，可促使凝胶形成

第51页：土壤吸收性能与机械吸收性

§5 土壤胶体的交换吸附作用

土壤吸收性能（土壤吸收保肥性能）

土壤能吸收和保留土壤溶液中的分子和离子、悬液中的悬浮颗粒、气体以及微生物的能力。

1. 土壤吸收性能类型：

（1）机械吸收性

土壤对固体物体的机械阻留，如施用有机肥时大小不等的颗粒均可被保留在土壤中，取决于土壤的孔隙状况。

第52页：土壤物理吸收性

（2）物理吸收性

土壤对分子态物质的保持能力，某些养分聚集在胶体表面使浓度比溶液中大（正吸附），另一些则胶体表面吸附较少（负吸附）；产生原因是固体颗粒界面上的表面自由能。气态物质（水汽、CO₂、NH₃等）和细菌的吸附也属物理吸附。

第53页：化学吸附性与物理化学吸收性

（3）化学吸附性

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，属纯化学作用过程。

（4）物理化学吸收性

土壤对可溶性物质中离子态养分的保持能力，以物理吸收为基础又呈现出化学反应相似的特性。

第54页：土壤生物吸收性

（5）生物吸收性

土壤中植物根系和微生物对营养物质的吸收，特点是具有选择性，并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，都具有重要的意义。

第55页：土壤阳离子交换作用

2. 土壤物理化学吸收性能（土壤离子交换作用）

（1）土壤阳离子交换作用：

• 离子的吸附过程：离子从溶液中转移到胶体上
• 离子的解吸过程：原来吸附在胶体上的离子转移到溶液中
• 交换示例：土壤胶体－Ca²⁺ ＋ 2KCl ＝ 土壤胶体－2K⁺ ＋ CaCl₂

第56页：阳离子交换量示意图

本页为阳离子交换量示意图（Cation Exchange Capacity），示意图土壤胶体表面的交换性阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、K⁺、H⁺）及其活性态与储备态分布，标注见图中所示。

第57页：阳离子交换作用的特点

① 阳离子交换作用特点

• a. 可逆反应
• b. 反应迅速
• c. 等量交换：等量电荷对等量电荷的反应

第58页：阳离子交换能力顺序

② 阳离子交换能力

各种阳离子交换能力大小的顺序：Fe³⁺＞Al³⁺＞H⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞NH₄⁺＞K⁺＞Na⁺

• a. 电荷的数量
• b. 离子半径和离子水化半径
• c. 离子浓度

第59页：离子半径与水化半径的影响

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，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。

第60页：阳离子交换能力示意图

本页以示意图形式说明离子半径与水化半径对阳离子交换能力的影响，水膜厚度与距离关系见图中标注。

第61页：土壤阳离子交换量CEC

③ 土壤阳离子交换量（CEC）

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），可作为土壤保肥力的指标。

CEC 的大小受下述因素影响：a 胶体数量；b 胶体类型；c 土壤 pH 值。

第62页：阳离子交换量示意图

本页以示意图形式说明土壤阳离子交换量（CEC）及其影响因素，胶体表面交换位点的标注见图中所示。

第63页：腐殖质结构与高交换量

本页为腐殖质分子结构示意图（Structure of Humic Acid）：R-COO⁻ 等官能团解离产生大量负电荷位点，使腐殖质具有高达 200 cmol(+)/kg 的阳离子交换量。

第64页：土壤盐基饱和度

④ 土壤的盐基饱和度

土壤胶体吸附的阳离子分为两类：盐基离子（Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、NH₄⁺等）和致酸离子（H⁺、Al³⁺）。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土壤的盐基饱和度。

盐基饱和度＝[交换性盐基总量/阳离子交换量]×100%

第65页：交换性阳离子的饱和度效应

⑤ 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。

第66页：陪补离子效应

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。

第67页：阳离子的非交换性吸收

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

第68页：阳离子专性吸附示意图

本页示意阳离子在氧化铁、铝胶体表面的专性吸附：表面－OH 与 M²⁺ 结合形成 O－M 配位并释放 H⁺，反应式与结构见图中标注。

第69页：晶穴固定与专性吸附意义

• 2）矿物固定、晶穴固定：NH₄⁺、K⁺ 被固定在硅氧四面体联成的六边形晶穴中，不能被交换出来
• 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

第70页：阴离子的交换吸附

（2）阴离子的交换吸附

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，与阳离子交换一样服从质量作用定律，但常与化学固定交织在一起，很难分开。

第71页：土壤阴离子吸附类型

① 阴离子吸附类型

第72页：影响阴离子吸收的因素

② 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）
• c. 土壤 pH 值（酸性条件下带正电荷多）

第73页：阴离子的专性吸附

③ 阴离子的专性吸附（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。

第74页：阴离子专性吸附示意图（酸性条件）

本页示意 pH＜ZPC 条件下 H₂PO₄⁻ 在氧化铁表面的配位体交换吸附：表面－OH₂⁺ 被磷酸根取代并释放 H₂O，反应式见图中标注。

第75页：阴离子专性吸附示意图（中性至碱性）

本页示意 pH＝ZPC 与 pH＞ZPC 条件下 HPO₄²⁻ 在氧化铁表面的配位体交换吸附及产物差异。ZPC＝zero point of charge（电荷零点），IEP＝isoelectric point（等电点）。

第76页：阴离子交换吸附示意图

本页以示意图形式展示土壤带正电荷胶体表面的阴离子交换吸附过程，反应位点与离子标注见图中所示。