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土壤学笔记（三）：离子交换吸附、氧化还原反应和土壤养分: jiangming800403 2017-12-5 16:44; （ 65 ）土壤胶体包括无机胶体、有机胶体和有机 - 无机复合胶体。胶体间的作用包括范德华力（分子间作用力）、氢键和化学键（库仑力），胶体间的相互作用使得土壤成为团聚体。（ 66 ）土壤胶体主要带负电荷，负电荷主要有两种来源，永久电荷与可变电荷。永久电荷主要来源于粘土矿物的同晶替代，如三价铝离子替代四价的硅离子，二价钙、镁、亚铁离子替代三价铝离子。永久电荷蒙脱石最多，高岭石最少，伊利石居中。可变电荷主要是在胶体表面体系中，金属氧化物（主要是三氧化铁，其次是三氧化二铝）的水化物、腐植酸羧基中氢离子和氢氧根的解离。有机胶体所带的电荷都是可变电荷。（ 67 ）土壤胶体带有负电荷，所以土壤胶体表面可以吸附阳离子，并与水溶液中的离子形成一种平衡，这是土壤保肥性的物质基础，当溶液中离子减少后，土壤胶体表面吸附的养分离子就会不断的补给溶液，当然如果胶体吸附离子的能力太强，在一定程度上可能降低当前的肥效。（ 68 ）土壤呈中性的时候负电荷的数量称之为阳离子交换量（ CEC ），也就是单位土壤能吸附的一价阳离子的数量，用 cmol/kg 表示。（ 69 ）有机体胶体中的 CEC 最高（ 150-300 ），其次是蛭石（ 100-150 ）和蒙脱石（ 80-150 ），高岭石最少（ 10-40 ），伊利石居中（ 3-15 ）。（ 70 ）土壤有机质增加， CEC 增大（ 71 ）土壤粘粒含量增加， CEC 增大（ 72 ）硅铝铁率增大， CEC 增大（ CEC 蒙脱伊利高岭）（ 73 ）土壤胶体对阳离子的吸附具有选择性（遵从库伦定律），高价离子的吸附能力大于低价离子，同价离子原子系数越大吸附能力也越大（原子系数越大其水合离子半径越小），但氢离子例外，常见离子吸附能力由强到弱依次为铁、铝、氢、钙、镁、铵、钾、钠。在 CEC 一定情况下，土壤胶体首先结合吸附能力强的离子，或者说吸附能力强的离子会把吸附能力差的离子排挤到土壤溶液中区。氢离子的吸附能力强于大多数土壤养分离子，植物根系呼吸产生二氧化碳会水解出氢离子和氢氧根，氢离子可以从土壤胶体上的养分离子交换到土壤溶液中，并通过根系吸水进入植物体内；而根系上的酶（蛋白质）可以选择性吸收（富集）某种元素，并作为载体携带元素离子通过根系表皮；氢氧离子则主要置换阴离子（硫、磷、硝）。（ 73 ）植物在养分吸收中具有陪补作用，与土壤结合比较弱的离子首先被交换到土壤溶液中，这就会抑制结合能力比较强（目标元素）的吸收，否则就会促进目标元素的吸收，氢离子的吸附能力强于大多数土壤养分离子，所以增加土壤酸性一定程度会促进土壤养分的吸收。（ 74 ）土壤胶体表面的离子交换吸附属于可逆反应。（ 75 ）土壤胶体表面的离子交换以等电荷当量进行，一个单位的钙离子必然交换两个单位的钠离子。（ 76 ）土壤离子交换遵循质量作用定律，大量的结合能力比较差的离子也可以将少数结合能力强的离子排挤掉（化学平衡的移动）（ 77 ）离子饱和度 = 某种离子 /CEC ，某种养分的肥效，不仅仅取决于其浓度，更取决于其饱和度，饱和度高则具有更高的利用效率，沙土与粘土相比， CEC 较低，所以离子饱和度高，可能有更高的利用效率，离子饱和度低则肥效更长。（ 77 ）盐基饱和度 = 交换性盐基离子 /CEC ，中性土和碱性土是盐基饱和土，酸性土是盐基不饱和土。（ 78 ）土壤酸化开始于土壤溶液中的氢离子，氢离子将土壤胶体中的盐基离子交换到土壤中，并使得粘土矿物中的铝离子水解释放更多的氢离子。水溶液中氢离子主要来源于植物根系释放的二氧化碳水解，微生物活动，以及酸雨等。（ 79 ）土壤碱化主要是由于盐土中强碱弱酸盐水解形成氢氧根离子（ 80 ）土壤胶体体系对土壤酸碱变化具有一定的缓冲能力，酸性成分增加时候，土壤将吸附更多的氢离子降低土壤酸性，碱性成分增加时候，土壤胶体将释放氢离子中和土壤的碱性（ 81 ）土壤酸性测量中包括活性酸（溶液中的氢离子，用纯水浸提）和潜性酸（包括胶体中的氢离子），有活性酸必然会生产潜性酸，有潜性酸必然有活性酸，但潜性酸比活性酸多。潜性酸又分为代换性和水解性酸，代换性算用中性盐浸提，水解性酸用强碱弱酸盐浸提。（ 82 ）植物生长需要的 C 、 N 、 S 、 P 等四大有机生命元素和众多的金属矿物元素中，除了 C 来源于大气以外，主要来源于土壤。土壤中的肥力元素主要有机和无机两种形式（矿物盐类一般只有无机形式）。土壤养分一般只有转化为无机的离子形式，才可以被植物根系吸收。无机离子一般存在有四种形式，不溶性盐类、被晶格固定在土壤矿物表面、吸附在土壤胶体表面和存在于土壤溶液中，只有后两种形式才是速效的土壤养分。进入土壤中的肥力元素主要有四条去路，被植物和微生物吸收，固定（包括形成难溶性盐类和晶格固定），淋溶，以气态形式挥发，还有一部分被吸附在土壤胶体表面和存在于土壤水溶液中，这是直接能为土壤吸收利用的养分。（ 83 ）土壤有机碳在碳循环中占有重要地位，土壤有机物除了通过矿化作用直接提供养分以外，对于土壤团粒结构的形成、改善土壤物理性状，提高土壤渗透性、持水性和抗蚀性具有重要作用，还有助于消除土壤的重金属和有机污染物，特别是土壤是重要的有机碳库。增加土壤有机质，对减缓温室效应具有重要作用。（ 84 ）氮广泛存在于大气、水、岩石、生物等地表四大圈层，存在类型多样，主要有氮气、氮的氧化物，氨及铵盐，氮的化合物有很多价态，但最大的氮库是空气中的氮气。大气、水、岩石、生物体中的氮可以通过多种途径，进入土壤，并形成土壤中的速效氮——硝态氮和铵态氮。土壤中氮素的变化主要有无机氮 - 有机氮之间的转化和无机氮之间的转化。无机氮会被植物和微生物吸收并合成有机氮（主要是蛋白质中的氨基酸），有机氮又会发生矿化，释放无机氮（主要是铵离子）。在空气的作用下铵态氮的氧化（硝化），首先被氧化成亚硝酸盐，再进一步氧化成硝酸盐，硝酸盐又会发生反硝化，碱性和中性条件下反硝化的产物主要是氮气，酸性条件下主要是一氧化二氮 (N2O) 。土壤中的铵离子一部分会被土壤胶体吸附，此外还有一部分会被土壤矿物晶格固定。硝酸根离子当中也有一部分会代替氢氧根（羧基）被胶体吸附（但比较少），同时不论是铵态氮还是硝态氮（特别是硝态氮）都容易被淋溶进入地下含水层和地表水体，在水中，也会发生亚消化，硝化和反硝化反应。亚硝化、反硝化作用过程形成氮的气态氧化物和氮气，又会从土壤和水中回到大气。（ 85 ） S 主要以有机物和硫酸盐（包括酸雨）的形式进入土壤。有机硫在土壤中氧化形成硫酸盐，硫酸盐一部分被植物吸收，另一部分发生淋溶，在通气不良的条件下， S 可以被还原为 H2S 气体，回到大气， H2S 是土壤气体中的重要组成部分。 S 有一定的气体产物，土壤中 S 是一个半沉积循环，介于 C 、 N 和金属矿物例子之间。（ 86 ）土壤中 P 及其他矿物元素主要属于沉积型循环，没有气态产物，土壤中的 P 及其他矿物元素除了被吸收以外，一部分发生规定；另一部分随水发生迁移。土壤中磷主要来源于有机物分解、母质风化和使用磷肥。植物根系可吸收土壤深层母质风化释放的磷素，形成有机物，并通过有机物分解归还到地表土壤，这就是生物的富集作用，或者说是土壤 - 生物的物质元素小循环。土壤中的磷除了被植物和微生物吸收以后，主要被土壤吸附和固定，另有少部分发生淋溶，磷酸根离子的迁移性不是很强，在阴离子当中的要弱于氯离子、硝酸根和硫酸根离子。磷酸根离子可以替代氢氧根（羧基）被胶体吸附，酸性土壤中磷的活性最强，水田中磷的活性强于旱田。酸性条件下磷酸根例子可以被 Al 、 Fe 离子固定，碱性条件下，可以与 Ca2+ 离子结合，从而丧失活动性。当然，被固定和吸附的磷在一定环境里也可以重新活化。矿物离子中最重要的是钾离子和钙离子。钾是地壳中含量比较丰富的元素之一，所以土壤中的钾元素大部分来源于母质风化，一部分来源于钾肥（如草木灰）。但土壤中的钾大部分以不溶态的形式存在（如长石），同时钾离子与土壤胶体的结合能力较弱（仅强于氢离子），所以容易被排挤，随水流失，所以一部分土壤中还是比较缺钾的，除了淋溶以外，钾离子还容易发生晶格固定而丧失活性（特别是在北方的土壤当中）。钙是仅次于钾的土壤金属元素，土壤中含钙还是比较丰富的（除了一些强风化、强淋溶的热带土壤），土壤中的钙离子对土壤结构形成起到了重要作用，因为一个钙离子可以和两个胶体电位结合，所以可以作为不同胶体之间的纽带（而单价离子可以中和土壤胶体的电性，使土壤分散）。钙的移动性不是很强，在半干旱条件下，淋溶层以下会出现钙的积累（钙化过程）。土壤中钙的积累又被称为石灰化过程。存在钙积层是草原土壤的特征之一。钙积层为阻碍植物根系发育。所以，草原造林整地的目的之一是为了打破钙积层。还有很重要的一个土壤盐基离子，是钠离子。钠离子对植物生理而言，没有什么作用；在土壤中是一种破坏性的离子，是土壤盐碱化的罪魁祸首。钠离子和土壤胶体的结合强度不高，容易流失，所以土壤盐碱化一般发生在降水量小于潜在蒸发量的、淋溶作用弱的地方。盐化是土壤中盐分的积累（主要是可溶性的氯化钠、硫酸钠、碳酸钠、氯化钙等），由于地下水浅或者排水不畅，盐分随着地下水毛管上升或者随灌溉水进入表层土壤，土壤水分蒸发后，盐分就留在土壤当中，造成土壤盐化。碱化是盐化的进一步发展，即土壤中的强碱弱酸盐（如碳酸钠），水解释放出氢氧根。土壤盐碱化破坏土壤结构（钠离子中和土壤胶体电荷，使团粒结构破坏），毒害植物，直接影响水分、养分吸收，甚至造成植物死亡。岩石风化形成的磷、硫和盐基离子随水流失，从风化壳和土壤中转移到海洋与内陆盆地中，在一定条件下，又形成沉积矿物，这就是物质元素的地质大循环。当然，还有一些难风化的密度比较大的矿物会残留在当地，一定程度上会形成残积型矿床（如砂金、铝土矿、铁矿石等）。（ 87 ）如何提高肥效，防治盐碱化？; 个人分类: 土壤侵蚀与水土保持|15494 次阅读|0 个评论

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