8.2.3　土壤的性质

8.2.3　土壤的性质

一、土壤的物理性质

土壤的物理性质包括土壤的颗粒组成、排列方式、结构、孔隙度及由此决定的土壤的密度、容重、黏结性、透水性、透气性等。

1.土壤结构

土壤结构指土壤中结构体的大小、形状及相互排列组合形式，是成土过程或利用过程中由物理、化学和生物多种因素综合作用而形成的。按形状可分为块状、片状、棱状和柱状四大类型；按其大小、发育程度和稳定性等，再分为团粒、团块、块状、棱块状、棱柱状、柱状和片状等结构。土壤结构影响土壤中水、气、热及养分的保持和移动，也直接影响植物根系的生长发育。

2.土壤质地

土壤质地即土壤机械组成，是指土壤中各级土粒含量的相对比例及其所表现的土壤砂黏性质。土壤质地中砂粒、粉粒和黏粒三组粒级含量的比例，是土壤较稳定的自然属性，也是影响土壤一系列物理与化学性质的重要因子。土壤质地不同对土壤结构、孔隙状况、保肥性、保水性、耕性、污染物迁移转化等均有重要影响。

3.土壤孔隙

土壤孔隙是指土壤颗粒之间及结构体之间存在的间隙。土壤孔隙的形状、大小极不规则，它们是土壤水分和空气的通道和储存空间。土壤孔隙对土壤水气比例、土壤保水保肥、植物根系伸展、微生物活动、养分物质的转化等都有很大影响。土壤孔隙取决于土壤质地、团粒化程度、有机质含量及耕作、施肥、干湿交替条件等。

二、土壤胶体与胶体特性

土壤胶体是指土壤中最细微的颗粒，其颗粒直径一般为1～100 nm，实际上土壤中直径小于1000 nm的土壤黏粒都具有胶体性质，因此土壤学中把这些黏粒作为土壤胶体颗粒，含量约为土壤质量的2%～50%。

土壤胶体分散系包括胶体微粒（为分散相）和微粒间溶液（为分散介质）两大部分。胶体微粒在构造上由微粒核、决定电位离子层和补偿离子层三部分组成。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、蛋白质分子及有机无机复合胶体的分子群所构成。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，在该离子层外围又形成一层符号相反而电量相等的离子层（补偿离子层），称为双电层。胶体微粒的构造如图8-6所示。

图8-6　胶体微粒的构造示意图

1.土壤胶体组成

按成分和来源，土壤胶体可分为无机胶体、有机胶体、有机无机复合胶体。

（1）有机胶体又称腐殖质胶体，来源于动植物和微生物的残体及其分解和合成产物，由多糖、蛋白质和腐殖酸组成。

（2）无机胶体又称矿质胶体，即土壤黏粒，除少量石英、长石等原生矿物外，主要由次生矿物即黏粒硅酸盐和黏粒氧化物组成，包括蒙脱石、伊利石、蛭石、高岭石和水铝英石及铁、锰、硅、钛等氧化物及其水合物等。

（3）有机无机复合胶体又称有机矿质复合体或有机黏粒复合体，由无机胶体与有机胶体通过离子间的库仑力和表面分子间的范德华力紧密缔合而成，土壤中以此类胶体居多。

2.土壤胶体性质

（1）具有巨大的比表面积和表面能　由于土壤颗粒细小，因而有巨大的表面积。土壤胶体的表面按位置可分为内表面和外表面。内表面指层状硅酸盐矿物晶层之间的表面及腐殖质分子聚集体内部的表面。外表面指黏土矿物，Fe、Al、Si等氧化物，以及腐殖质分子暴露在外的表面。

通常以比表面积来表示胶体表面积的大小，即单位质量或单位体积物体的总表面积。一般1 g土壤胶体的表面积为200～300 m2，腐殖质胶体比表面积可高达1000 m2/g。

土壤胶体巨大的比表面积会产生巨大的表面能，使土壤具有物理吸附性能。胶体数量越多，比表面积越大，表面能也越大，吸附能力也越强。

（2）电荷性质　土壤胶体所带电荷性质主要取决于胶体面固定离子的性质。土壤电荷80%以上集中在胶体部分。根据土壤胶体电荷产生的机制，一般可分为永久电荷和可变电荷。永久电荷是由于黏土矿物晶格中的同晶置换所产生的电荷。黏土矿物的硅氧四面体的中心离子Si4+和铝氧八面体的中心离子Al3+能被其他离子所代替，从而使黏土矿物带上电荷。若中心离子被低价阳离子所代替，黏土矿物带负电荷；若中心离子被高价阳离子所代替，黏土矿物带正电荷。多数情况下是黏土矿物的中心离子被低价阳离子所取代，如Al3+→Si4+、Mg2+→Al3+，所以黏土矿物以带负电荷为主。同晶置换一般发生在黏土矿物的结晶过程中，存在于晶格的内部，这种电荷一旦形成就不会受到外界环境（pH值、电解质浓度）的影响。可变电荷是由于水合氧化物（Si、Fe、Al）表面、黏土矿物表面的—OH在碱性条件下的解离，以及腐殖质官能团中R—COOH、R—CH2—OH、—OH等解离所产生的电荷。所带电荷的数量和性质会随着介质pH值的改变而改变。

土壤电荷按电性不同可分为正电荷、负电荷和净电荷。土壤中游离的Fe、Al氧化物在酸性条件下解离可带正电荷，此外有机质—NH2在酸性条件下的质子化也能带正电荷。同晶置换，含水氧化硅的解离，含水Fe、Al氧化物在碱性条件下的解离，黏土矿物表面—OH在碱性条件下的解离，腐殖质官能团中R—COOH、R—CH2—OH、—OH等的解离，均可产生负电荷。土壤正负电荷的代数和为净电荷。土壤从酸性到碱性，胶体电荷由正变到负，在这一变化过程中，出现两性胶体呈电中性，胶体失去电性，这时就称为胶体的等电点。由于一般情况下土壤带负电荷的数量远大于正电荷的数量，所以大多数土壤带有净负电荷，只有少数含Fe、Al氧化物较高的酸性土壤上才有可能带净正电荷。

土壤胶体的负电荷数量因各类土壤的黏粒矿物组成的不同而异，且有明显的地带性。土壤胶体的带电性，使土壤具有离子吸附性能，对保蓄土壤养分、污染物在土壤中的迁移转化等有很大影响。

（3）凝聚性和分散性　土壤胶体有溶胶与凝胶两种存在状态，胶体微粒均匀分散在土壤溶液中成为胶体溶液状态，称为溶胶。微粒彼此相互联结凝聚在一起，呈无定形絮状凝胶体，称为凝胶。由溶胶联结凝聚成凝胶的作用，称为胶体的凝聚作用。由凝胶分散成溶胶的作用称为分散作用。凝聚作用对土壤结构的形成极为重要。这种凝聚一般是在阳离子的作用下产生的。不同阳离子的凝聚能力如下：

影响土壤凝聚性能的主要因素是土壤胶体的电位和扩散层厚度。例如，当土壤溶液中阳离子增多，由于土壤胶体表面负电荷被中和，从而加强了土壤的凝聚。pH值也将影响其凝聚性能。

三、土壤的吸附与交换性

1.土壤吸附作用

如果土壤胶体表面某种离子的浓度高于或低于扩散层之外的自由溶液中该离子的浓度，则认为土壤胶体对该离子发生了吸附作用。吸附通常通过机械阻留、物理吸附、化学吸附、物理化学吸附和生物吸附等过程实现。

吸附分为非专性吸附和专性吸附。非专性吸附是指被吸附离子以水化离子的形态被吸附，被吸附离子和胶体表面之间通过静电引力结合，不形成直接的化学键。专性吸附是指非静电因素引起土壤对离子的吸附，主要发生在水合氧化物型表面（即羟基化表面），被吸附离子和胶体表面之间形成共价键，所形成的表面配合物比较稳定。土壤中产生专性吸附的物质主要是铁、铝、锰等氧化物及其水合物、腐殖质以及高岭石晶面的边缘基团。

2.离子交换作用

土壤胶体表面能通过静电吸附的离子与溶液中的离子进行交换反应，也能通过共价键与溶液中的离子发生配位吸附。

（1）阳离子交换　阳离子交换是指土壤胶体吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子进行交换。各种阳离子的交换能力与离子价态、半径有关。

阳离子交换能力随离子价数增加而增大。因为价数高的阳离子电荷量大、电性强，所以交换能力强，例如：Na+＜Ca2+＜Al3+＜Ti4+

等价离子交换能力随原子序数的增加而增大。在等价离子中，原子序数愈小的离子半径愈小，离子表面电荷密度愈大，因而离子的水化度大、水膜厚，即水化后的有效半径大，则离子交换能力愈小。因此，等价离子的交换能力随水化度的增加而减小。例如：Li+＜Na+＜K+＜＜Rb+＜Cs+，Mg2+＜Ca2+＜Sr2+＜Ba2+＜Ra2+。

离子运动速度愈大，交换能力愈强。如H+由于半径小，水化度小，运动速度大，因而交换能力强，不仅大于一价阳离子，还大于二价阳离子Ca2+和Mg2+。

土壤中常见阳离子交换能力大小的顺序是：Fe3+＞A13+＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞＞Na+。

另外，阳离子交换能力受质量作用定律的支配，即离子浓度愈大，交换能力愈强。例如，施硫酸铵离子于土壤中，其中可以交换土壤胶体中的Ca2+

土壤阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）是指在一定pH值条件下每1 kg干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数（cmol/kg）。CEC的大小受胶体数量、类型、土壤pH值等的影响。

土壤吸附交换性阳离子的总和称为阳离子交换总量。其中一类是盐基离子，包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、等；另一类是致酸离子，即H+、A13+。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，按下列公式计算：

若土壤吸收的交换性阳离子均为盐基离子，则称为盐基饱和。若含有H+和Al3+，则为盐基不饱和。

（2）阴离子交换　阴离子交换是指被胶粒表面正电荷吸附的阴离子与溶液中阴离子的交换。根据土壤胶体对阴离子的吸附能力不同，可分为三种类型：易被土壤胶体吸附的阴离子，如及某些有机酸根，这些离子也易与阳离子反应产生难溶性化合物；很少被吸附甚至不能被吸收的阴离子，如等；介于上述两者之间的阴离子，如及某些有机酸根。各种阴离子的交换能力与阴离子的价数、胶体组成成分（铁、铝氧化物）、土壤pH值等有关。

土壤中常见阴离子交换能力顺序为F-＞草酸根＞柠檬酸根≥硅酸根＞。

四、土壤酸碱性

土壤酸碱性主要取决于土壤溶液中H+的浓度，常用pH值来表示。同时也取决于土壤胶体中酸性离子（H+或Al3+）或碱性离子的数量及土壤中酸性盐和碱性盐类的存在数量。当土壤中氢离子浓度大于OH-的浓度时，土壤呈酸性；反之呈碱性；两者相等时则为中性。

1.土壤酸度

土壤中H+主要来源于土壤中CO2溶于水形成的碳酸和有机物分解产生的有机酸及土壤中矿物质氧化产生的无机酸，还有施用肥料中残留的无机酸（如硝酸、硫酸和磷酸），以及大气污染形成的大气酸沉降等。(https://www.daowen.com)

根据H+在土壤中的存在的状态，可以将土壤分为活性酸度和潜性酸度。

（1）活性酸度。指土壤溶液中游离H+所显示的酸度，通常用pH值来表示，土壤溶液pH值随盐基饱和度而变，盐基饱和度高，pH值大。

（2）潜性酸度。指土壤胶体吸附的H+、Al3+，在被其他阳离子交换进入溶液后所显示的酸度，通常用1 kg烘干土中H+的厘摩尔数来表示（cmol/kg）。土壤中潜性酸度大小常用土壤交换性酸度和水解性酸度表示。

（3）土壤交换性酸度。用过量的中性盐溶液（1 mol/L的KCl、NaCl或BaCl2）与土壤作用，将胶体表面上的大部分H+或Al3+交换出来，再以标准碱滴定溶液中的H+，这样测得的酸度称为交换性酸度或代换性酸度，以cmol（+）/kg为单位，它是土壤酸度的数量指标。

（4）土壤水解性酸度。用弱酸强碱盐溶液（常用pH值为8.2的1 mol/L NaAc溶液）与土壤作用，从土壤中交换出来H+、A13+所产生的酸度称为水解性酸度。

弱酸强碱盐比中性盐溶液交换程度更完全。因为交换出H+与Ac-形成弱电离的HAc，提高了Na+交换H+的能力，所以水解性酸度大于交换性酸度。

活性酸度与潜性酸度是土壤胶体交换体系中两种不同的形式。两者可以互相转化，活性酸度是潜性酸度的表现。土壤潜性酸度要比活性酸度多得多，一般相差3～4个数量级。

2.土壤碱度

土壤溶液中OH-主要来源于碱金属碳酸盐和碳酸氢盐、碱土金属（Na+、Ca2+、Mg2+）碳酸盐和碳酸氢盐的水解。不同溶解度的碳酸盐和碳酸氢盐对土壤碱性的贡献不同，CaCO3和MgCO3的溶解度很小，故富含CaCO3和MgCO3的石灰性土壤呈弱碱性（pH值在7.5～8.5之间）。Na2CO3、NaHCO3及Ca（HCO3）2等都是水溶性盐类，可使土壤碱性增强，含Na2CO3的土壤一般pH值可达10以上，而含NaHCO3及Ca（HCO3）2的土壤，pH值常在7.5～8.5，碱性较弱。

由碳酸盐和碳酸氢盐导致土壤碱性的程度称土壤碱度，以cmol/kg（干土）为单位。形成碱性反应的主要机理是碱性物质的水解反应。除了与水溶性盐类Na2CO3、NaHCO3及Ca（HCO3）2有关，还与土壤交换性Na+的含量有关。

土壤的酸碱度受到多种因素的影响。如气候、地形、母质、植被、酸雨、土壤空气的CO2分压、人类耕作活动等因素。同时，土壤酸碱度又对土壤养分的有效性、土壤微生物活性、土壤理化性质、植物生长、污染物的迁移转化等产生影响。

3.土壤的酸碱缓冲能力

当加入致酸或致碱物质于土壤中时，土壤具有缓和酸碱度发生剧烈变化的能力，称为土壤酸碱缓冲性。常用缓冲容量来表示土壤缓冲酸碱能力的大小，即使单位（质量或容积）土壤改变1个pH单位所需的酸或碱度。

土壤对酸碱具有缓冲作用，一是因为土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸和其他有机酸等弱酸及其盐类，构成一个良好的酸碱缓冲体系，二是土壤胶体吸附有各种阳离子，其中盐基离子和氢离子能分别对酸和碱起缓冲作用。另外，铝离子对碱也能起缓冲作用。主要起缓冲作用的物质有碳酸盐、有机酸、土壤胶体和铝离子。

土壤酸碱缓冲容量与其CEC呈正相关，凡影响土壤CEC的因素都影响缓冲容量，如土壤黏土矿物类型、有机质含量等。土壤组分酸碱缓冲容量的一般顺序如下：有机胶体＞无机胶体；蒙脱石＞伊利石＞高岭石＞含水Fe、Al氧化物；腐殖质＞黏土＞壤土＞砂土。

五、土壤的氧化还原性

土壤中有许多具有氧化还原性的物质，因而使土壤具有氧化还原特性。一般说来，土壤中主要的氧化剂有氧气、和高价金属离子，如铁（Ⅲ）、锰（Ⅳ）、钒（V）、钛（Ⅵ）等。主要的还原剂有土壤有机质，特别是新鲜和低价金属离子和氢离子等。土壤氧化还原电位是衡量土壤氧化还原能力大小的参数（Eh）。土壤氧化还原反应不完全是纯化学反应，在很大程度上有微生物的参与，例如分别在亚硝酸细菌和硝酸细菌作用下完成。因此，土壤中植物的根系和土壤生物也是土壤发生氧化还原反应的重要参与者。

1.土壤氧化还原体系

土壤中存在着多种氧化剂和还原剂，构成相应的氧化还原体系。土壤中氧化还原体系可分为无机体系和有机体系。无机体系的反应一般是可逆的，有机体系和微生物参与条件下的反应是半可逆或不可逆的。

参加土壤氧化还原反应的物质，除了土壤空气和土壤溶液中的氧以外，还有许多具有可变价态的元素，包括C、N、S、Fe、Mn、Cu等；在污染土壤中还可能有As、Se、Cr、Hg、Pb等。种类繁多的氧化还原物质构成了不同的氧化还原体系。土壤中主要的氧化还原体系如表8-1所示。

表8-1　土壤中主要的氧化还原体系

续表

2.土壤氧化还原指标

氧化还原电位是衡量氧化还原强度的指标，可以被理解为物质（原子、离子、分子）提供或接受电子的趋向或能力。

一个氧化还原反应体系的氧化还原电位可用能斯特（Nernst）公式表达：

式中：Eh——氧化还原电位，单位为伏（V）或毫伏（mV）；

E㊀——该体系的标准氧化还原电位；

R——摩尔气体常数；

T——绝对温度；

F——法拉第常数；

n——反应中转移的电子数；

［氧化态］、［还原态］——氧化态和还原态物质的浓度（活度）。

在25℃时，将各常数值代入上式，并采用常用对数，则有

Eh值愈高，氧化强度愈大；反之，则还原强度愈大。在我国自然条件下，一般认为Eh低于300 mV时为还原状态。一般旱地土壤的氧化还原电位为+400～+700 mV，水田的氧化还原电位在-200～+300 mV。根据土壤的氧化还原电位值可以确定土壤中有机物和无机物可能发生的氧化还原反应和环境行为。如土壤中的亚砷酸（H3AsO3）比砷酸（H3AsO4）毒性大数倍，当土壤处于氧化状态时，砷的危害较轻，而土壤处于还原状态时，随着Eh值下降，土壤中砷酸还原为亚砷酸，此时就会加重砷对作物的危害。

影响土壤氧化还原的因素主要有土壤通气性、微生物活动、易分解有机质的含量、植物根系的代谢作用、土壤的pH值等几个方面，也与栽培管理措施特别是灌水、排水有关。

六、土壤中的配位反应

金属离子和电子供体结合而成的化合物，称为配位化合物。如果配位体与金属离子形成环状结构的配位化合物，则称为螯合物，它比简单的配合物具有更大的稳定性。在土壤这个复杂的化学体系中，配位反应广泛存在。一些元素，如具有污染性的金属离子，在形成配合物后，其迁移、转化等特性发生改变，螯合态可能是其在溶液中的主要形态。据此，已有许多研究涉及人工螯合剂的开发，并通过其在土壤中的施用来降低污染元素在土壤中的生物毒性。

七、土壤的生物学性质

土壤的生物学性质包括土壤酶特性、土壤微生物特性和土壤动物特性。

1.土壤酶特性

在土壤成分中，酶是最活跃的有机成分，驱动着土壤的代谢过程，对土壤圈中养分循环和污染物的净化具有重要的作用，土壤酶活性值的大小可以较灵敏地反映土壤中生化反应的方向和强度。土壤中的各种生化反应，除受微生物本身活动的影响外，实际是在各种相应的酶参与下完成的。同时，土壤酶活性的大小还可综合反映土壤理化性质和重金属浓度的高低，特别是脲酶的活性，可用于监测土壤重金属污染。

2.土壤微生物特性

土壤微生物是土壤有机质、土壤养分转化和循环的动力。同时，土壤微生物对土壤污染具有特别的敏感性，他们是代谢降解有机农药等有机污染物和恢复土壤环境质量的最先锋者。

3.土壤动物特性

土壤动物特性包括土壤动物组成、个体数量或生物量、种类丰富、群落的均匀度、多样性指数等，是反映环境变化的敏感生物学指标。