土壤與植物營養(yǎng)學(xué)SoilScienceandPlantNutrition10:52PM土壤與植物營養(yǎng)學(xué)SoilScienceandPlant1第七章土壤酸堿性和氧化還原反7.1土壤的酸性和堿性反應(yīng)7.2土壤酸堿性的指標(biāo)7.3土壤的緩沖性7.4土壤氧化還原反應(yīng)7/27/2023第七章土壤酸堿性和氧化還原反7/27/20232土壤的酸性和堿性反應(yīng)土壤反應(yīng)是氣候、植被及成土母質(zhì)共同作用的結(jié)果。土壤反應(yīng)是土壤酸性或堿性的程度，常以pH值表示。土壤溶液指土壤的液相部分，含有各種無機(jī),有機(jī)可溶性物質(zhì)和懸浮粒土壤溶液中存在著極少量的H+和OH-，它們的數(shù)量比例決定著土壤溶液的酸堿性。當(dāng)溶液中H+較OH-占優(yōu)勢時，土壤溶液呈酸性反應(yīng)；反之，呈堿性反應(yīng)。7/27/2023土壤的酸性和堿性反應(yīng)7/27/20233土壤酸堿性分級根據(jù)我國土壤反應(yīng)的實(shí)際差異情況及其與肥力的關(guān)系，可把土壤反應(yīng)分為下列5級：分級強(qiáng)酸性酸性中性堿性強(qiáng)堿性pH<5.05.0~<6.56.5~7.5>7.5~8.5>8.57/27/2023土壤酸堿性分級分級強(qiáng)酸性酸性中性堿性強(qiáng)堿性pH<5.054土壤酸性的形成和類型1．水的解離

HOH

→

H+

+OH-2．碳酸解離

生命活動產(chǎn)生的CO2溶于水，形成H2CO3，H2CO3解離形成H+。

H2CO3

→

H++HCO3-

HCO3-

→

H++CO32-7/27/2023土壤酸性的形成和類型1．水的解離2．碳酸解離5土壤酸性的形成和類型3．有機(jī)酸的解離微生物分解作用產(chǎn)生的有機(jī)酸解離產(chǎn)生的H+。

R-COOH→H++R-COO-4．其它無機(jī)酸的解離

如化肥：(NH4)2SO4

→

2NH4++SO42-

KCl

→K++Cl-7/27/2023土壤酸性的形成和類型3．有機(jī)酸的解離4．其它無機(jī)6土壤酸性的形成和類型5．酸雨

pH<5.6的酸性大氣化學(xué)物質(zhì)。6．吸附性H＋,Al3

＋的作用7/27/2023土壤酸性的形成和類型5．酸雨6．吸附性H＋,Al37土壤酸性的形成和類型7.土壤中鋁的活化當(dāng)交換氫達(dá)到一定限度時，膠體的結(jié)構(gòu)破壞，晶格中的鋁離子成為活性離子，水解產(chǎn)生氫離子。

Al3++H2O→Al(OH)2++H+ Al(OH)2++H2O→Al(OH)2++H+Al(OH)2++H2O→Al(OH)3+H+

水解離子的形態(tài)則取決與土壤pH。7/27/2023土壤酸性的形成和類型7.土壤中鋁的活化7/27/20238

H2OH2OH2O

Al3+

H2OH2OH2O

H2OH2OH2O

Al3+

H2OH2OH2O4+

H2OH2OOH-

Al3+

H2OOH-H2O

H2OOH-

Al3+

OH-H2O

H2OOH-

Al3+

OH-H2O

H2OH2O

Al3+

H2OH2O6+

H2OH2OOH-

Al3+

H2OH2OH2O

H2OH2OOH-

Al3+

H2OOH-H2O

H2OH2O

Al3+

H2OH2O7/27/2023H2OH2O4+9土壤pH與土壤交換性陽離子的關(guān)系7/27/2023土壤pH與土壤交換性陽離子的關(guān)系7/27/202310活性酸潛性酸土壤溶液中的H+反映出來的酸度，能參與土壤中的各種化學(xué)反應(yīng)吸附在土壤膠粒表面的交換性H+離子和Al3+

離子活性酸潛性酸土壤溶液吸附在土壤11xH+yAl3++

(x+3y)K+

=(x+3y)K++

xH+

+

yAl3+土壤膠粒土壤膠粒潛性酸活性酸活性酸和潛性酸的關(guān)系7/27/2023xH+yAl3++(x+3y)K+=(x+3y)K+12

土壤中的堿性物質(zhì)主要是Ca、Mg、Na的碳酸鹽和重碳酸鹽以及交換性Na，它們通過水解反應(yīng)產(chǎn)生OH-。

1.碳酸鈣水解

CaCO3-CO2-H2O的體系，CaCO3水解產(chǎn)生OH-。

CaCO3+H2OCa2++HCO3-+OH-

CO2

+H2O

HCO3-+H+

所以石灰性土壤的pH主要受土壤空氣中二氧化碳分壓控制。土壤堿性的形成7/27/2023 土壤中的堿性物質(zhì)主要是Ca、Mg、Na13CaCO3和MgCO3的溶解度低，在正常的CO2偏壓下，最高pH只能達(dá)pH8.5。

CaCO3+H2OCa2++HCO3-+OH-CO2+H2OHCO3-+H+pH=6.03-2/3logpCO2

pCO2是CO2的分壓，在大氣CO2濃度(0.03%)下，土壤的pH為8.57CO2濃度愈高，pH愈低。一般pH在6.5~8.5之間。

這種由石灰性物質(zhì)引起的弱堿性反應(yīng)叫石灰反應(yīng)，這種土壤叫石灰性土壤。7/27/2023CaCO3和MgCO3的溶解度142.碳酸鈉的水解

碳酸鈉、重碳酸鈉(俗稱蘇打、小蘇打)水解產(chǎn)生強(qiáng)堿性。

Na2CO3+2H2O2Na++2OH-+H2CO33.交換性鈉的水解土壤堿性的形成7/27/20232.碳酸鈉的水解土壤堿性的形成7/27/202315土壤酸堿性的指標(biāo)土壤酸度的指標(biāo)土壤pH：土壤溶液中H+離子濃度的負(fù)對數(shù)。pH=-log[H+]pHH2O（水提取所得的pH）pHKCl(1mol·L-1KCl提取土壤所得的pH）7/27/2023土壤酸堿性的指標(biāo)pHH2O（水提取所得的pH）pHKC16土壤酸堿性的指標(biāo)土壤酸度的指標(biāo)土壤交換性酸度和水解性酸度測定土壤潛性酸時，由于提取劑的不同，可分為交換性酸和水解性酸度，它們是土壤酸度的數(shù)量指標(biāo)。交換性酸度：用中性鹽提取的酸度。常用1mol·L-1KCl提取。水解性酸度：用弱酸強(qiáng)堿鹽提取的酸度。常用pH8.2NaAc溶液提取。7/27/2023土壤酸堿性的指標(biāo)7/27/202317K+K+

K+K+Al3+H+H++4KClH+Al3+K+K+土壤膠粒土壤膠粒K+Al3+K++4Cl－Al3++3H2OAl(OH)3+

3H+ZD交換性酸度H+Al3+K+K+土壤膠粒7/27/2023K+K+K+K+Al3+H+H++4KClH+Al18K+

H+H+Al3+K+K++4KClAl3++3H2OAl(OH)3+

3H+土壤膠粒土壤膠粒K+Al3+K+K+K+K++4Cl－交換性酸度7/27/2023K+H+H+Al3+K+K++4KClAl319K+K+

K+K+Al3+H+H++4KClH+Al3+K+K+土壤膠粒土壤膠粒K+Al3+K++4Cl－Al3++3H2OAl(OH)3+

3H+ZD交換性酸度H+Al3+K+K+土壤膠粒7/27/2023K+K+K+K+Al3+H+H++4KClH+Al20CH3COONa

+

H2O

CH3COOH

+

NaOH4HAc土壤膠粒土壤膠粒H+Al3+Na+Al(OH)3++

4AcNaNa+Na+Na+土壤膠粒土壤膠粒Al3+H+土壤膠粒土壤膠粒H+Al3+ZD水解性酸度7/27/2023CH3COONa+H2O21CH3COONa

+

H2O

CH3COOH

+

NaOH4HAc土壤膠粒土壤膠粒H+Al3+Na+Al(OH)3++

4AcNaNa+土壤膠粒土壤膠粒H+Al3+ZD水解性酸度7/27/2023CH3COONa+H2O22CH3COONa

+

H2O

CH3COOH

+

NaOH4HAc土壤膠粒土壤膠粒H+Al3+Na+Al(OH)3++

4AcNaNa+Na+Na+土壤膠粒土壤膠粒Al3+H+土壤膠粒土壤膠粒H+Al3+ZD水解性酸度7/27/2023CH3COONa+H2O23中國土壤pH圖7/27/2023中國土壤pH圖7/27/2023241.總堿度土壤溶液中碳酸根和重碳酸根的總量：總堿度=CO32-+HCO3-[cmol(+)·L-1]2.堿化度(ESP)土壤膠體吸附的交換性鈉占陽離子交換量的百分率。堿化度(%)=交換性鈉/CEC×100土壤堿度的指標(biāo)7/27/20231.總堿度土壤堿度的指標(biāo)7/27/202325土壤的緩沖性土壤緩沖性是指土壤抵抗外來酸堿物質(zhì)，減緩其pH變化的能力。廣義上土壤是一個巨大的緩沖體系，包括對氧化還原、污染物質(zhì)、養(yǎng)分等指抗衡外界環(huán)境變化的能力。7/27/2023土壤的緩沖性7/27/202326土壤緩沖性的機(jī)制土壤溶液的緩沖作用弱酸及弱酸鹽、弱堿及弱堿鹽共存時都具有緩沖作用。石灰性土壤主要是CaCO3-H2O-CO2

體系

CaCO3+H2O=Ca2++2HCO3- pH=6.03－2/3logpCO2大氣中濃度約0.03%，所以石灰性土壤pH穩(wěn)定在8.5左右。7/27/2023土壤緩沖性的機(jī)制石灰性土壤主要是CaCO327OH-Cl-NaOH

＋＋HClK＋

H＋H＋K＋

土壤膠粒H＋K＋H＋K＋

土壤膠粒Na＋H＋

HOH

KCl土壤膠體的緩沖作用7/27/2023OH-Cl-NaOH＋＋HClK＋H＋H＋K＋28土壤膠體的緩沖作用NaOH

＋＋HClK＋

H＋H＋K＋

土壤膠粒H＋K＋

土壤膠粒Na＋H＋

HOH

KCl7/27/2023土壤膠體的緩沖作用NaOH＋＋HClK＋H＋H＋K＋29OH-Cl-NaOH

＋＋HClK＋

H＋H＋K＋

土壤膠粒H＋K＋H＋K＋

土壤膠粒Na＋H＋

HOH

KCl土壤膠體的緩沖作用7/27/2023OH-Cl-NaOH＋＋HClK＋H＋H＋K＋30土壤膠粒HClNaOHNH4+K+Ca2+Mg2+Na+H+H+Na＋H＋NH4+OH-H+HOHCl-K+KCl7/27/2023土壤HClNaOHNH4+K+Ca2+Mg2+Na+H+H31土壤膠粒HClNaOHNH4+Ca2+Mg2+Na+H+Na＋H＋NH4+OH-H+HOHCl-K+KCl7/27/2023土壤HClNaOHNH4+Ca2+Mg2+Na+H+Na＋32土壤膠粒HClNaOHNH4+K+Ca2+Mg2+Na+H+H+Na＋H＋NH4+OH-H+HOHCl-K+KCl7/27/2023土壤HClNaOHNH4+K+Ca2+Mg2+Na+H+H33

酸性土壤中的活性鋁和交換性鋁對堿的緩沖作用pH<4.0的土壤中，鋁離子以Al(H2O)63+存在7/27/2023酸性土壤中的活性鋁和交換性鋁對堿的緩沖作用pH<4.034

H2OH2OH2O

Al3+

H2OH2OH2O

H2OH2OH2O

Al3+

H2OH2OH2O4+

H2OH2OOH-

Al3+

H2OOH-H2O

H2OOH-

Al3+

OH-H2O

H2OOH-

Al3+

OH-H2O

H2OH2O

Al3+

H2OH2O6+

H2OH2OOH-

Al3+

H2OH2OH2O

H2OH2OOH-

Al3+

H2OOH-H2O

H2OH2O

Al3+

H2OH2O7/27/2023H2OH2O4+35影響土壤緩沖能力的因素土壤膠體類型和數(shù)量土壤CEC鹽基飽和度在CEC相等的條件下，BC愈高，對酸的緩沖能力愈強(qiáng)。BC愈低，對堿的緩沖能力愈強(qiáng)。7/27/2023影響土壤緩沖能力的因素7/27/202336土壤膠粒HClNaOHNH4+Ca2+Mg2+Na+H+Na＋H＋NH4+OH-H+HOHCl-K+KCl7/27/2023土壤HClNaOHNH4+Ca2+Mg2+Na+H+Na＋37土壤氧化還原反應(yīng)土壤氧化還原體系土壤中的氧化還原體系有無機(jī)體系和有機(jī)體系，主要的無機(jī)體系是氧體系、鐵體系、錳體系、氮體系、硫體系、氫體系等。7/27/2023土壤氧化還原反應(yīng)7/27/202338

1/4O2+H++e=1/2H2O Fe(OH)3+3H++e=Fe2++3H2O

1/2MnO2+2H++e=1/2Mn2++H2O 1/8CO2+H++e=1/8CH4+1/4H2O 土壤中主要的氧化還原體系7/27/2023土壤中主要的氧化還原體系7/27/202339土壤氧化還原指標(biāo)氧化還原電位(Eh)[氧化態(tài)]+ne=[還原態(tài)]Eh=Eo+RT/nFlog[氧化態(tài)]/[還原態(tài)]Eh-氧化還原電位Eo-標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位7/27/2023土壤氧化還原指標(biāo)7/27/202340氧化還原反應(yīng)是一電子傳遞過程，用平衡常數(shù)K處理氧化還原反應(yīng)，則K=[還原態(tài)]/[氧化態(tài)][e-]npe=1/nlogK+1/nlog[氧化態(tài)]/[還原態(tài)] pe是電子活度的負(fù)對數(shù)電子活度負(fù)對數(shù)(pe)7/27/2023氧化還原反應(yīng)是一電子傳遞過程，電子活度負(fù)對數(shù)41

當(dāng)m/n=1時，每單位pH變化引起的Eh變化(Eh/pH)，在25度時為59mV。[氧化態(tài)]+ne-+mH+=[還原態(tài)]+xH2OEh=Eo+0.059/nlog[氧化態(tài)]/[還原態(tài)]-0.059m/npHEh和pH的關(guān)系7/27/2023 [氧化態(tài)]+ne-+mH+=[還原態(tài)]+xH242土壤酸堿性及其氧化還原狀況與生物環(huán)境生物對土壤酸堿性和氧化還原性的適應(yīng)性由于長期自然選擇的結(jié)果，植物對土壤酸堿性有一定的要求，大多數(shù)植物適宜在中性至微堿性土壤上。有