土壤的组成和性质

土壤的组成和性质一、土壤的组成土壤是环境中特有的组成部分，是位于陆地表面呈连续分布，具有肥力并能生长植物的疏松层，它是一个复杂的体系。它的组成包括固相（矿物质、有机质）、液相（土壤水分或溶液）和气相（土壤空气）等三相物质四种成分有机地组合在一起构成的一种特殊物质。按容积计，在较理想的土壤中，矿物质约占38—45%，有机质约占5—12%，土壤孔隙约占50%，土壤水分和空气存在于土壤孔隙内，三相之间亦经常变动而相互消长。按重量计，矿物质可占固相部分的90—95%以上，有机质约占1—10%左右。（一）土壤矿物质土壤矿物质来源于地壳岩石（母岩）和母质，它对土壤的性质、结构和功能影响很大。土壤中的矿物质由岩石风化和成土过程中形成的不同大小的矿物颗粒（或土粒）组成的。自然界的土壤都是由很多大小不同的土粒，按不同的比例组合而成，各粒级在土壤中所占的相对比例或重量百分数称为土壤的机械组成，也叫土壤质地。（二）土壤有机质进入土壤中的有机物质包括植物、动物及微生物等死亡残体，经分解转化逐渐形成有机质，即腐殖质，土壤腐殖质是土壤有机质的主要部分，约占有机质总量的50—65%。腐殖质不是单一分子的有机质，而是在组成、结构和性质上具有共同特征，又有差异的一系列高分子有机化合物，腐殖质在土壤中可以呈腐殖酸或腐殖酸盐类存在，亦可以铁、铝的凝胶状态存在，也可与粘粒紧密结合，以有机-无机复合体等形态存在。这些存在形态对土壤一系列的物理化学性质有很大影响，对土壤肥力有重大作用。土壤有机质的化学组成包括：糖类（碳水化合物）、木质素、有机氮、脂肪、蜡质、单宁、木栓质、角质、有机磷及灰分等。土壤中的有机质组成化合物类别成分在土壤中的作用腐殖质植物残体静微生物降解转化合成含芳香核、甲氧基（-OCH）、羟基（-OH）官能团。化学元素主要是C、H、O及N、酚羟基、羧基羰基改进土壤的物理化学性质，促进营养物质的交换、吸附和固定糖类纤维素、半纤维素、淀粉、果胶质、甲壳素等土壤中微生物的主要养料，帮助改造土壤结构脂肪、蜡质及树脂可溶于溶剂的类脂类化合物，后者是酸、醇型的萜烯聚合含氧衍生物防止土壤结构的破坏，但多数对植物有毒性有机氮氨基酸、氨基糖、单宁、角质等提供土壤微生物养分、提供土壤氮肥磷化合物磷酸酯、磷脂、环己六环等植物磷酸盐的来源灰分残留物结合在有机体中除C、H、O、N、P外的Ca、Mg、K、Na、Si、Fe、S、Al、Mn、Cl及I、Zn、B、F二、土壤的物理化学性质一）土壤的物理性质土壤结构：一般把土壤颗粒（包括单独颗粒、复粒和团聚体）的空间排列方式及其稳定程度，孔隙的分布和结合的状况称为土壤的结构。土壤中的Ca2+、Fe3+等多价阳离子及有机质，腐殖质都有胶结剂的作用，参与土壤颗粒的团聚。还有根系对土壤的穿插、挤压或微生物活动，都可提高土壤保水、保肥能力。二）土壤胶体及土壤吸收交换性土壤胶体是指土壤颗粒中直径小于2μm或小于1μm，具有胶体性质的微粒，一般土壤中的粘土矿物和腐殖质都具有胶体性质。直径小于2μm的土壤胶粒大有大量的负电荷（≥80%），而大于2μm的土粒只带有少量的负电荷。土壤的许多重要性质，如保肥、供肥能力、土壤污染与净化、酸碱反应、缓冲作用、氧化-还原反应以及其他物理性质都和土壤胶体有关。1、土壤胶体的类型及其构造1）有机胶体：主要是腐殖质和生物活动的产物，它是高分子有机物，具有极大的表面积。2）无机胶体：主要是细颗粒的粘土微粒，能够强烈吸附土壤溶液中的有机物及高价金属离子。3）有机无机复合胶体：是由一部分矿物胶体和腐殖质胶体结合在一起所形成，这种结合可能是通过金属离子的桥键，也可能通过交换阳离子周围的水分子氢键来完成。2、土壤胶体的性质1）巨大的表面积和表面能2）电荷性质土壤胶体带有一定电荷，通常，土壤无机胶体如SiO2﹒nH2O离解出H+，而SiO32-留在胶核表面，使胶体带负电荷；土壤腐殖质分子中的羧基及羟基离解H+后，胶体表面的R—COO–及RO–表现负电性。两性胶体在不同酸度条件下可以带负电，也可以带正电，例如Al(OH)，可呈：Al(OH)3+H+≒Al(OH)2++H2OAl(OH)3+OH_≒Al(OH)2O_+H2O3）分散性和凝聚性：胶体微粒分散在水中成为胶体溶液，称为溶胶，胶体微粒相互凝聚呈无定形的凝胶体称为凝胶，在酸性条件下，土壤胶体主要是阴离子胶体，它在阳离子作用下凝聚。阳离子对土壤负胶体的凝聚能力随离子价数增高、半径增大而增大。常见阳离子凝聚能力大小顺序为：Fe3+﹥Al3+﹥Ca2+﹥Mg2+﹥K+﹥NH4+﹥Na+3、土壤的吸附与交换1）土壤的吸附作用（1）生物吸收：是指植物和土壤微生物对营养物质的吸收保蓄作用。生物吸收具有选择性和提供表层土壤养分的能力，因此生物吸收是促进土壤肥力发展的动力。（2）机械吸收：土壤是多孔性、具有巨大表面及的物质，能把大于孔隙的物质阻留，小于孔隙的颗粒也能阻留在土壤中，机械吸收对可溶性颗粒物的作用最为明显。（3）物理吸收（分子吸收）：是指土壤颗粒对分子态物质的吸附作用土壤越细，分子态物质极性越强，物理吸附性能越大，但物理吸附能力较小，不是土壤保持肥力的主要因素。（4）化学吸收：土壤溶液中的可溶性物质相互作用，产生难溶性化合物而固定在土壤中。例如Ca(H2PO4)2施入石灰性土壤中生成难溶的Ca3(PO4)2，或在酸性土壤中与Al3+、Fe3+生成AlPO4或FePO4而沉淀：2CaCO3+Ca(H2PO4)2=Ca3(PO4)2↓+2H2O+2CO2↑Al3++PO43-=AlPO4↓化学吸收通常是一种化学固定作用，一方面防止养分流失，但降低养分的效力；另一方面对于有毒重金属起净化作用。（5）物理-化学吸收（离子交换）：是指土壤胶体对土壤溶液中离子态物质的保蓄作用，即胶粒表面吸附的离子和溶液中的同号离子进行交换，通过离子交换，既能保存离子态养分，又能在需要时释放，因此是土壤一种重要的保肥形式，也是一种重要的净化作用。2）离子交换作用（1）阳离子交换：即土壤胶体所吸附的阳离子和土壤溶液的阳离子进行交换，例如NH4Cl处理土壤，NH4+将把土壤胶体表面的阳离子取代：胶核･Mn++nNH4+≒胶核･nNH4++Mn+Mn+表示Al3+、Fe3+、Ca2+、Mg2+及K+、Na+、H+等离子，反应中NH4+进入胶核的过程称为交换吸附，而Mn+被置换进入溶液的过程称为解析作用。通常用阳离子交换量（CEC）来表示交换反应能力的大小，即一定pH时，100g土壤所含有的全部交换性阳离子的摩尔数。土壤的阳离子交换量与土壤的类型、结构及腐殖质含量有关。各种阳离子的交换能力与离子的半径、价态有关。一般价数越大，交换能力越大；体积越大，交换能力越大；水合半径越小，交换能力越大，浓度越高，交换能力越强。一些阳离子交换能力按下列顺序排列：Fe3+﹥Al3+﹥H+﹥Ca2+﹥Mg2+﹥K+﹥NH4+﹥Na+上述离子中，Fe3+、NH4+、Ca2+、Mg2+、K+、NH4+、Na+称之为盐基性离子，Al3+及H+虽非营养元素，但它们对土壤的理化性质和生物学性质影响很大，对重金属在土壤中的净化作用也有直接关系。在吸附的全部阳离子中，盐基性离子所占的百分数称为盐基饱和度：盐基饱和度=(交换盐基离子总量(mol100g土⁄)阳离子交换总量(mol100g土⁄))×100正常土壤的盐基饱和度一般保持在70～90%为宜，较高交换量和盐基饱和度的土壤不但有利于养分的保存和积累，在过量施肥时，无烧苗及倒伏现象，不但能固定养分，又能不断解吸供应，使土壤具有良好的保肥与供肥性能。（2）阴离子交换：因土壤胶体也有带正电的胶体，特别是酸性土壤，因而能进行阴离子交换吸附2Ca(HCO3)2+Ca(H2PO4)2→Ca3(PO4)2↓+4H2O+4CO2↑Al3++PO43-→AlPO4↓Fe3++PO43-→FePO4↓阴离子被土壤吸附的顺序为：C2O42-﹥C6O7H53-﹥PO43-﹥SO42-﹥Cl-﹥NO3-。三）土壤的酸碱性和氧化-还原性1、土壤的酸碱性：土壤的微生物的活动、有机物的分解、营养元素的释放和土壤中元素的迁移都与土壤溶液的酸碱性有关。1）土壤的酸度：土壤溶液中的H+所引起的酸性和活性酸度。土壤胶体所吸附的可交换性H+及Al+水解所产生H+总称为潜在酸度（包括交换酸和水解酸）。（1）活性酸度：由土壤溶液游离H+所引起（2）潜在酸度：胶体吸附H+及Al+水解水解所引起的。（3）交换酸：用过量的盐类（KCl）与土壤胶体发生交换，将及交换转入溶液中所表现的酸度。土壤胶体—H++KCl≒土壤胶体—K++HCl土壤胶体—3Al3++3KCl≒土壤胶体—3K++AlCl3AlCl3+3H2O=Al(OH)3+3HCl（4）水解酸：用弱酸强碱盐溶液处理土壤时，交换的H+所表现的酸性。土壤胶体—H++NaAC≒土壤胶体—Na++HAC一般土壤活性酸的﹝H+﹞很少，而潜在酸的﹝H+﹞较大，潜在酸在决定土壤性质上有很大作用，潜在酸与活性酸共存于于各平衡系统中：土壤胶体—Ca3++2H+(活性酸)≒土壤胶体—2H+(潜在酸)+Ca2+（2）土壤碱度：土壤碱性主要来自土壤Na2CO3、NaHCO3、CaCO3，以及胶体上交换性Na+，它们水解显碱性。3）土壤酸碱性对元素有效性的影响2、土壤的氧化-还原性：土壤具有氧化-还原特性，土壤中氧化-还原物质种类繁多，大致可分成无机体系和有机体系两大类。无机体系如氧体系、铁体系、锰体系、硫体系、氢体系；有机体系可包括不同分解程度的有机物、微生物及其代谢产物，根系分泌物，能引起氧化-还原反应的有机酸、酚醛和糖类等。