土壤与肥料学教案第四章土壤化学陈宝成.doc

章 节
第四章 土壤化学性质（4学时）
教学目的和要求
学生应掌握土壤胶体的种类、性质、吸收性能；土壤酸碱性及缓冲性；土壤氧化还原反应；土壤养分状况。重点掌握土壤胶体的性质、阴阳离子的交换吸附、土壤酸碱性标准酸碱性对土壤及作物的影响、酸碱性调节措施、土壤酸碱缓冲性原因、土壤氧化还原体系及对作物的影响、土壤养分性态及有效性、土壤保肥供肥及调节。要求学生理论与生产实践相结合，掌握土壤化学性质的内容的优劣及其对生产的影响，并对其能进行调节。
重 点
难 点
4 土壤化学性质
4.1 土壤胶体与吸收性能
重点：土壤胶体的种类、性质；阳离子交换吸附、阴离子交换吸附
难点：阳离子交换作用
4.2 土壤酸碱性与缓冲性
重点： 土壤酸碱指标、影响酸碱性因素、酸碱性对养分及作物影响、酸碱性调节
难点：酸碱性对养分及作物影响
4.3土壤氧化还原反应
重点： 土壤氧化还原电位影响因素 氧化还原电位对作物生长的影响
难点：
4.4土壤养分状况
重点：土壤中养分的存在形态及其有效性 土壤中养分的循环转化 土壤的保肥性、供肥性及其调节
难点：土壤中养分的循环转化
教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、辅助手段）

教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、辅助手段）

教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、辅助手段）

教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、辅助手段）

教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、辅助手段）

教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、辅助手段）

教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、辅助手段）

教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、辅助手段）

4 土壤化学性质
4.1 土壤胶体与吸收性能
学时分配： 50 分钟
教法： 创设问题情景，启发学生思维，采用类举法，结合土壤胶体图片，增加学生对土壤胶体及其作用的认识。
导入： 由学生在以前其它课程接触到的胶体概念切入土壤胶体，介绍土壤胶体的种类、作用等。
问题：
1、土壤胶体的种类有哪些？
2、试述土壤胶体的特征及其对土壤理化性质的影响？
3、为什么南方土壤的阳离子交换量常小于北方土壤？
4、如何理解土壤阳离子交换作用对土壤肥力的重要性？
内容：
一、土壤胶体的概念与种类
1 ．土壤胶体的概念
大小在1-100mm（或1000nm）（在长、宽和高三个方向上，至少有一个方向在此范围内）的土壤固体颗粒。
2.种类：
（1）土壤矿质胶体：高岭石 蒙脱石 蛭石
（2）土壤有机胶体 ：腐殖质等
（3）土壤有机矿质复合胶体：有机无机胶体结合在一起，土壤中数量最多，性质最好
二、土壤胶体的构造和性质
1.胶体构造
土壤胶体分散系
土壤胶团
土壤溶液
胶核
双电层
定位离子层（内层）
补偿离子层
非活性层
扩散层
反离子层
胶粒

2.胶体的性质
（1）巨大的比表面和表面能： 每克胶体的表面积达500平方米左右，有很强的吸附能力，对保肥、保水作用大。
（2）胶体带有电荷 可带负电也可带正电，通常土壤条件下（我国北方多数土壤）所带负电荷多于正电荷。带正电或负电的土壤分别有利于吸附阴离子（如H2PO4- 、HPO42- 、 PO43-）或阳离子（如Fe3 + 、Ca2+ 、Mg2+、K+、NH4+、 Na+）
土壤电荷据来源性质又分为两种：
永久负电荷： 粘土矿物在形成时，晶格内发生同晶置换而产生的电荷。不易改变。
可变电荷：指胶体上随着土壤溶液pH值变化而发生电荷数量（甚至电荷符号）变化的那部分电荷叫可变电荷。易改变。
（3）土壤胶体可改变其状态：水多时为溶胶、水少时为凝胶，是可逆过程。胶体状态的改变，影响土壤保肥供肥状况。
三、土壤的阳离子吸附与交换
1. 阳离子交换作用：土壤胶体颗粒吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子进行交换吸附的作用。
参与交换吸附的阳离子称为交换性阳离子。阳离子交换作用是土壤的养分离子保肥（吸附）和供肥（解吸）的过程。
据性质，交换性阳离子可分两种：
①致酸离子（能使土壤酸度增强）： H+ Al3+
②盐基离子（可与阴离子形成盐）：Fe3 + 、Ca2+ 、Mg2+、K+、NH4+、 Na+
交换吸附作用示意图：
土壤
胶粒
土壤
胶粒
Ca2+
NH4+
+3K+
+ Ca2+ +NH4+

K+
K+
K+

2.交换作用的特征
（1）交换是可逆反应 ：一种离子可被吸附与胶体表明，也可进入溶液。
（2）、等数量电荷交换：交换的电荷数相等。
（3）交换符合质量作用定律：土壤溶液中某种离子的浓度改变，则土壤胶体上吸附的其它离子发生改变，这对施肥、保肥又重要意义。
3 阳离子交换能力
阳离子交换能力受以下因素影响：
（1）电荷的影响 ： 高价离子交换能力＞低价离子
（2）离子半径和离子水化半径 ： 同价离子，离子半径大的、水化半径小的交换能力大。H离子有特殊性，其H3O+半径很小，运动速度快，因此交换能力大于二价离子。
各种单个阳离子交换能力顺序为：
Fe3+ 、Al3+ ＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+
（3）离子浓度： 交换能力弱的离子在浓度足够大的情况下，可以交换吸附浓度低高价离子。
这对施肥以调整养分离子的有效性有意义讲解原因？
举例解释：饿虎难敌群狼，人多力量大
4.介绍两个重要指标：
阳离子交换量（CEC) ：是指在一定pH时每1000g干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。 （其反映土壤含有的养分数量）。
盐基饱和度： 指土壤中交换性盐基离子（ Fe3+ K+、Na+、NH4+、Ca2+ 、Mg2+等）总量占阳离子交换量的百分数。 （其反映土壤养分的有效性的）
5.影响交换性阳离子有效度的因素
交换性阳离子对植物有效性的如何，很大程度上取决于它们从胶体上解吸或交换的难易：
（1）、交换性离子的饱和度 ： 是指土壤吸附某离子的量占土壤阳离子交换量的百分数。某离子饱和度愈大，被交换而解吸的机会愈多，则有效度愈大。集中施肥、近根施肥的道理。
土壤
CEC
/(c mol/kg
交换性Ca量/(c mol/kg)
交换性Ca的饱和度%
Ca的有效度
甲
10
4
40.0
大
乙
40
5
12.5
小
解释表中甲乙土壤的养分有效性。施肥一大片，不如一条线。
（2）.陪补离子效应：与该离子共存的其他离子为陪补离子。陪补离子吸附力强，则该离子有效性强。为什么？举例说明。
（3）.粘土矿物类型：北方蒙脱石吸附离子于晶层间，牢固，有效度低；南方高岭石吸附于表明，有效度高
四、土壤的阴离子吸附与交换
1.定义：
土壤胶体颗粒吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子进行交换吸附的作用。
参与交换吸附的阴离子称为交换性阴离子。阴离子交换作用是土壤的养分离子保肥（吸附）和供肥（解吸）的过程。（简单讲解）
负吸附：土壤溶液中的离子浓度大于胶体表明的离子浓度的现象。北方土壤多数为碱性，易发生负吸附。
2.土壤中主要阴离子吸附状况：
（1）易于被土壤吸收的阴离子 如磷酸根（H2PO4- HPO42- PO43-）、硅酸根（HSiO3-、SiO32-）和某些有机酸的阴离子（如草酸根）
（2）很少被吸收或根本不被吸收的阴离子 如Cl-、NO3-出现负吸附（固体表面浓度低于溶液中浓度）极易随水流失。
（3）介于上述两者之间的阴离子 如SO42-、CO32-、HCO3-、及某些有机酸的阴离子，土壤吸收它们的能力很弱。
鉴于以上情况，施肥、浇水时应注意的问题？

4.2 土壤酸碱性与缓冲性
学时分配：60 分钟
教法： 创设问题情景，启发学生思维，采用类举法，结合土壤酸碱度对作物及土壤的影响，增加学生对土壤酸碱度的认识。
导入： 由土壤酸碱产生的原因开始，进而讲解土壤酸碱影响因素、酸碱指标、酸碱性对作物及土壤的影响，最后讲酸碱调节措施。
问题：
1、试比较活性酸和潜性酸的区别和联系。
2、试述影响土壤酸碱性的因素。
3、什么是土壤缓冲性？有什么作用？
4、试述土壤酸碱性和作物生长的关系
5.土壤酸碱性影响因素有哪些？如何调节土壤的酸碱性？
内容：
一. 土壤酸性的来源与类型
1.来源（简单介绍）
（1）水的解离
（2）碳酸解离
（3）有机酸的解离
（4）酸雨：pH小于5.6的化学物质（如SO2）随降雨到地面如土壤。
（5）其它无机酸：硅酸、磷酸等。
（6）土壤中铝的水解：AL3＋ 为制酸离子
2.类型：
土壤酸可分为活性酸和潜性酸。
土壤活性酸是指与土壤固相处于平衡状态的土壤溶液中的氢离子。
土壤潜性酸是指吸附在土壤胶体表面的交换性致酸离子（H＋和Al3＋）.
土壤潜性酸是活性酸的主要来源和后备，它们始终处于动态平衡之中，是属于一个体系中的两种酸。
两者可以相互转化。土壤中潜性酸的数量比活性酸大很多。但对作物产生直接作用的是活性酸。
3.酸度指标：
土壤酸度有不同的表示方法。
土壤活性酸常用酸性强度指标表示，一般用PH值表示。
pH值大小与土壤酸碱性的对应关系：
pH值： <5 5－6.5 6.5-7.5 7.5-8.5 > 8.5
酸碱度 强酸 酸 中 碱 强碱
二、土壤碱性的来源及指标
1.来源：主要是钙镁钠的碳酸盐和重碳酸盐水解、胶体表面吸附的交换性钠水解。
2.指标：
（1）pH值
（2）总碱度：是指1000克土壤中碳酸根、重碳酸根的厘摩尔数.
（3）碱化度（钠碱化度：ESP）：指土壤胶体吸附的交换性钠离子占阳离子交换量的百分率。
三、影响土壤性酸碱的因素
1.气候因素：温暖湿润－酸性土、 寒冷干燥－碱性土。 原因？
2.生物因素：生物呼吸产生CO2，有机质分解产生有机酸
3.母质影响：基性岩、超基性岩－－土壤偏碱； 酸性岩－－－土壤偏碱
4.人为因素：施肥、浇水
生理酸性肥：硫酸铵、氯化铵、硫酸钾、 氯化钾
生理碱性肥料：硝酸钠、硝酸钙
施有机肥多的土壤， pH值小
一般地，土壤水含量多，pH值大。
5.大气污染：二氧化硫产生酸雨
6.盐基饱和度：盐基饱和度越高，pH值越高。原因？
四、土壤酸碱性对土壤养分和作物生长的影响
1、土壤PH6.5左右时，各种营养元素的有效度都较高，并适宜多数植物的生长。
2、PH在微酸性、中性、碱性土壤中，氮、硫、钾的有效度高。
3、PH6－7的土壤中，磷的有效度最高。PH<5时，因土壤中的活性铁、铝增加，易形成磷酸铁、铝沉淀。而在PH>7时，则易产生磷酸钙沉淀，磷的有效性降低。
4、在强酸和强碱土壤中，有效性钙镁的含量低，在PH6.5－8.5的土壤中，有效度较高。
5、在酸性和强酸性土壤中，铁锰铜锌等微量元素有效度高；在PH>7的土壤中，活性铁锰铜锌离子明显下降，并常常出项铁锰离子的供应不足。
6、在酸性土壤中，钼的有效度低。PH>6时，其有效度增加。硼的有效度与PH的关系较复杂，在酸性土壤和PH7.0－8.5的石灰性土壤中，有效度均较低，在pH6.0－7.0和pH>8.5的碱性土壤中，有效度较高。
7. 有些植物可在很宽的pH范围内正常生长，大多数植物在pH>9.0或<2.5的情况下都难以生长。
喜酸植物：杜鹃属、越桔属、茶花属、杉木、松树、橡胶树、帚石兰
喜钙植物：紫花苜蓿、草木犀、南天竺、柏属、 椴树、榆树等
喜盐碱植物：柽柳、沙枣、枸杞等
五、土壤酸碱性的调节
1. 酸性土壤调节：通常以施用石灰或石灰粉来调节
石灰在土壤中的转化:
Ca(OH)2+2H2O+2CO2=Ca(HCO3)2+2H2O
CACO3 + H2O+CO2 = Ca(HCO3)2
石灰需要量影响因素：
（1）土壤潜酸性和PH、有机质含量、盐基饱和度、土壤质地等土壤性质；
（2）作物对酸碱度的适宜性；
（3）石灰的种类和施用方法等
2. 碱性土壤调节：
用石膏 或 废硫酸亚铁 硫磺
六、土壤缓冲性
1.土壤缓冲性的概念
土壤缓冲性是指土壤抗衡酸碱物质、减缓pH变化的能力。
缓冲性使土壤pH值在自然条件下不致于因外界条件改变而剧烈变化，有利于营养无素平衡供应，维持一个适宜的植物生活环境。
2. 缓冲性的原因：土壤中存在缓冲体系：
碳酸盐体系、硅酸盐体系、交换性阳离子体系、铝体系、有机酸体系
3.缓冲容量：
是指使单位土壤改变一个单位PH所需的酸或碱量，是土壤酸碱缓冲能力强弱的指标。
缓冲性大小关系到土壤酸碱性稳定性及改变土壤pH值需要物质的多少。
4.影响土壤缓冲性的因素：
（1）土壤无机胶体：土壤胶体的阳离子交换量愈大，缓冲性愈强。
（2）土壤质地：粘土>壤土>砂土，
（3）土壤有机质：表土的有机质含量较底土的高，缓冲性也是表土较底土强。

4.3土壤氧化还原反应
学时分配： 20 分钟
教法： 概况讲解土壤氧化还原影响因素及对作物生长的影响
导入： 由土壤氧化还原体系的存在，重点讲解氧化还原的影响因素及对作物的影响。
问题：
试述土壤氧化还原状况和作物生长的关系。如何调节土壤的氧化还原状况？
内容
一. 土壤氧化还原体系
土壤中存在着一系列参与氧化还原反映的物质，并不断地进行着包括化学的和生物化学的复杂的氧化还原反应。这些过程对土壤的肥力和植物生长带来深刻的影响，是土壤溶液中一种重要的化学性质。
土壤氧化还原体系及物质：
有机体系：为还原物质，主要是新鲜的未分解的有机物质如有机酸、糖、酚等有机化合物、微生物体及代谢物。
无机体系：氧化物质，氧体系O 2 、 氮体系NO 3 - 、 铁体系Fe 3+ 、 锰体系Mn 4+、硫体系 SO 4 2-
二. 土壤氧化还原电位及其影响因素
1.定义：由于氧化态物质和还原态物质的浓度关系而产生的电位称为氧化还原电位（ Eh 。单位为 V （伏）和 mV （毫伏）。所以氧化还原电位可以作为土壤通气的指标。
2.影响因素：
① 土壤的通气性
土壤通气状态直接确定了土壤中氧的浓度，在通气良好的土壤中土壤与大气间气体交换迅速，使得土壤中氧浓度较高， En 值高。在排水不良的土壤中，通气空隙减少，使得大气与土壤交换缓慢， O 2 的浓度降低，再加上微生物消耗氧， Eh 下降，所以同一土壤， Eh 可以作为土壤通气状况的相对指标。
② 土壤中易分解的有机质
土壤中许多易分解的有机质可作为微生物需要的养分和能量的来源。在嫌气分解的过程中，微生物夺取有机质中所含的氧，形成多种还原性的物质，所以在淹水条件下，施用新鲜的有机肥料，使土壤的 En 值急剧下降，这种现象在保肥田旱稻苗期经常发生。
③土壤中易氧化物质或易还原物质
土壤中易氧化的物质如 Fe 2+ 、 Mn 2+ 等含量多，说明该土壤具有较强的还原性，并且抗氧化能力也强；反之，易还原物质如 Fe 3+ 、 Mn 4+ 较多时，抗还原能力也大。含铁、锰较多的土壤，灌水后 Eh 不易迅速下降，其原因是具有这种 “ 缓冲能力 ” 。
④ 植物根系的代谢作用
植物根系在其生命活动中，能分泌有机酸物质，降低根际 pH 值，对于一般旱地植物，根际土壤 En 较根外低数十 mv ，而水稻根系能分泌氧，使根际土壤 En 值较根外（非根际土壤）为高。
三、氧化还原电位对作物生长的影响
1.对作物的影响：
作物所需的矿质养分有些需要是呈氧化态是才能被植物吸收。如磷以 H 2 PO 4 - 或 HPO 4 - 形态被吸收，硫以 SO 4 2- 形态被吸收。有效养分则需要还原态才能被吸收，如铁、锰分别以 Fe 2+ 、 Mn 2+ 形态被吸收。而对于氮素而言，无论氧化态（ NO 3 - ）或还原态 NH 4 + 都能被植物吸收，然而旱地以 NO 3 -为主，水地以 NH 4 + 为主。所以氧化还原电位的高低能影响到各种变价养分元素的有效性，过高或过低均会影响到作物的生长。
2.调节氧化还原电位的措施
（1.）加强耕作管理，调节土壤通气性
（2）改善土壤质地
（3）加强排水灌溉
（4）调节土壤有机物质含量及状态
4.4土壤养分状况
学时分配： 50 分钟
教法：结合土壤肥力养分因素及生产实际，举例说明、深入浅出讲授
导入： 由土壤肥力的养分因素开始，讲解养分的种类、形态、有效性、转化及土壤保肥供肥
问题：
1、简述土壤养分的存在形态及对植物的有效性。
2、简述土壤养分的无效化和有效化过程。
3、什么是土壤保肥性和供肥性？如何进行调节？
内容：
一、土壤中养分的存在形态及其有效性
主要介绍氮磷钾等的形态及有效性
1.土壤氮形态及有效性
有效
.土壤全氮
无机态氮
（＜5%）
NO3－—N，
NO2－—N，少量
NH4+—N
溶液态
交换态
固定态
有机态氮
（＞95%）
水溶性
含量＜5%
氨基酸

胺盐

酰胺类化合物
蛋白质
多肽
核蛋白
非水解性
含量＞30%
杂环态化合物等
水解性
速效

2.土壤磷形态及有效性
我国土壤的全磷量（以P2O5计）一般在0.05—0.30%之间，变幅很大。北方比南方高。我省土壤全磷量（P）在0.03—0.06%。土壤全磷量高者，有效磷的供应不一定充足，得看速效磷的含量。

土壤全磷
有机态磷 植素类、核酸类、磷脂类等
占全磷量的10—30%
无机态磷占全磷量的70%以上
磷酸钙镁类化合物 如
（Ca~P)
Ca(H2PO4)2
CaHPO4
Ca3(PO4)2
Ca4H(PO4)3
Ca5(PO4)3F
磷酸铁和磷酸铝类化合物 如(Fe~P、Al~P）
Fe(OH)2·H2PO4
AI(OH)2·H2PO4
闭蓄态磷
由氧化铁胶膜或类似物质包被着的磷酸盐
有效磷

3.土壤钾
地壳和土壤中钾素的含量远比氮、磷多，我国土壤钾的含量变幅较大，，一般在2.5%以下，分布趋势是从南到北逐渐升高。
矿物态钾： ＞90%以上，土壤中的含钾矿物，如钾长石 属于无效性钾。
占1.2％
固定态钾： 非交换性钾，粘土矿物晶格孔穴中的钾， 是缓效性钾。
交换性钾： 土壤胶体表面吸附的钾离子， 是速效性钾。
水溶性钾： 土壤溶液中的钾离子， 是速效性钾，

4. 土壤微量元素的形态
矿物态 ： 存在于固体矿物中。
交换态 ： 吸附于胶体表面的离子。
溶解态 ： 大多为离子形态，

二、土壤中养分的循环转化
1.氮：循环
：
氮转化：
（1）有机态氮的矿化过程
以蛋白质为例：
水解作用 蛋白质在酶的作用下，逐级水解，变为简单的含氮有机物氨基酸的作用。
氨化作用 水解产物氨基酸，在微生物和酶的参与下继续分解，释放出氨的作用。
（2）硝化作用 氨态氮经两种特殊细菌的作用氧化成硝酸的过程。
亚硝化细菌
2NH4+ + 3O2 2NO2－ + 2H2O + 4H＋+660 kj
硝化细菌
2NO2－ + O2 2NO3－ + 1 80.6 kj
（3）反硝化作用
反硝化细菌 反硝化细菌
NO3－ NO2－ N2或 N2O、NO
（4）铵的固定
2∶1型粘粒矿物硅氧片中六方形网孔半径和铵离子半径近似，铵离子很易嵌入网孔被固定。
2.磷
循环：矿物磷 有效磷 作物吸收 有机质矿化
磷的固定：
土壤中速效磷化合物转变为缓效性状态，称为土壤固磷作用。主要有三种固磷机制：
（1）化学沉淀机制
在酸性土壤中，Fe、Al、Mn离子和它们的氧化物、氢氧化物都可与H2PO作用产生难溶性的羟基磷酸盐。
Fe3++H2PO4－+2H2O Fe(OH)2·H2PO4 +2H+
Fe(OH)3+ H2PO4－ Fe(OH)2·H2PO4 +OH－
在石灰性及碱性条件下，土壤中Ca、Ca(HCO3)2和CaCO3 多，它们与磷酸离子产生多种难溶性的磷酸钙盐。
Ca(H2PO4)2 + 2Ca2+ Ca3(PO4)2 + 4H+

（2）表面反应机制 主要发生在酸性土壤固相表面
（3）闭蓄机制 土壤磷酸盐被不溶性的铁铝质或钙质胶膜所包被，失去其有效性。
（4）生物固磷：微生物分解有机质时，有机残体C/P比大于200-300时发生固磷作用。
3.钾：
矿物钾风化释放 作物吸收 有机质矿化

三、土壤的保肥性、供肥性及其调节
1. 土壤保肥性－土壤保储养分的性能，即土壤吸收性。
土壤吸收性指土壤吸持各种离子、分子、气体和悬浮体的能力称为土壤吸收性。
根据吸收方式的不同，可分为五种类型：
（1）机械吸收 土壤对颗粒物质的机械阻留。
（2）物理吸收 土粒吸附分子态物质于表面以减少其表面能。
（3）化学吸收 一些可溶性盐类与土壤中某些物质起化学反应，生成溶解度很低的化合物，保存在土壤中而免于淋失，这种作用称化学吸收又叫化学固定。
（4）物理化学吸收 土壤胶体带电吸附离子可与土壤溶液中的同号离子交换而达到动态平衡，称为物理化学吸收。
（5）生物吸收 植物根系和微生物选择吸收土壤中的养分叫生物吸收。

2.土壤供肥性－土壤供应养分的数量、强度和持续性。
可以通过作物长相、土壤形态、 施肥效应、室内化验结果等来判断。
3.土壤保肥供肥调节
（1）增施有机肥，改善土壤物理、化学、生物性质，提高提供作物需要的有机无机养分。
（2）. 合理施用化肥，调节阳离子组成，改善养分供应状况
（3）.建立合理的耕作制度，用地养地相结合，进行合理轮作。
（4）.合理耕作改土，深耕浅耕相结合
（5）.防止土壤侵蚀，消除障碍因素，保护土壤资源

10