1、土壤化学复习题（2009 年 1 月）1.请分别列出两种以上土壤中常见的原生矿物、粘土矿物、粘粒中的氧化物、含钾矿物？原生矿物：岩石经过物理风化形成的矿物 常见的有石英、长石、云母、辉石。粘土矿物：1 微米-针铁矿稳定, 间歇灌溉的稻田间歇灌溉的硫酸盐稻田。原因根据甲烷产生、氧化和排放条件回答（终年淹水是长期的还原环境，有利于甲烷生成的环境；间歇性灌溉造成土壤，淹水时期是还原环境，而排干时期是氧化环境，氧化环境条件下其甲烷的产生量很小，即使产生的少量甲烷也会很快被氧化掉；并且这种间歇性的管理措施不易形成稳定的产生甲烷的环境，因此终年淹水的稻田甲烷排放量大。后面两者的比较，是由于硫酸盐稻田中的
2、SO42-造成土壤的氧化还原电位较高，与产甲烷条件中的较低的氧化还原电位不相符合，像 Fe、Mn、SO 42-这些氧化物对于稻田甲烷的排放都具有抑制作用。 ）8.在淹水条件下，同一土壤中分别加入硝态氮、葡萄糖和亚铁，对土壤 CH4 排放会产生什么影响？请说明原因。答：NO 3-是氧化物性物质会通过反硝化作用等还原反应提高 Eh，抑制甲烷产生、排放。 加入葡萄糖时，提高土壤的甲烷底物供应量，降低土壤氧化还原电位，刺激土壤原有有机碳的转化。有促进作用。亚铁在土壤中迅速被氧化成高价铁，具有很强的还原性，降低土壤的氧化还原电位，对甲烷的产生有促进作用。9.在同样淹水的条件下，种植水稻的土壤甲烷排放量一
3、般高于不种植水稻的土壤，为什么？水稻根系土镶中, 产甲烷细菌, 厌氧性纤维素分解细菌和甲烷氧化菌及总挥发性有机酸含量都明显高于其在行株间土壤中的含量，水稻生长给土壤细菌提供根系分泌物和根屑, 这些物质主要由碳水化合物、有机酸和氨基酸组成, 很容易被土壤中的发酵性细菌分解成CO 2、H 2、 醋酸盐等产甲烷基质。10.为什么土壤水分含量的剧烈变化有利于氧化亚氮的排放？土壤水分含量状况对土壤释放N 2O的速率具有重要影响。土壤中水分的分布影响溶质的迁移，从而影响土壤中NH 4+和NO 3-浓度的分布及其对微生物的有效性。当土壤水分含量既能促进硝化也能促进反硝化作用时，N 2O形成与排放通量达最高值
4、，但当土壤水分含量很高时，反硝化作用可能会停止。干湿交替对土壤 N2O 的排放影响很大，土壤干湿交替能激发 N2O 的形成与排放。主要原因是：土壤干燥时，导致了部分微生物死亡，从而打乱了土壤环境和有机物之间的相互作用，增加了土壤中可降解的有机碳量和有机氮量，同时土壤中 O2的浓度相对较高，促进了生物硝化作用过程的进行；土壤湿润时，发生反硝化作用，N 2O 产生比还原快，从而导致 N2O 积累并使N2O 扩散排放成为可能。11.简述氮素生物固定与生物固氮的区别和联系，描述自然界三种以上固氮体系，评价其意义。区别：氮素生物固定是指有效态的 N（NO 3-，NH 4+）被生物利用而以有机态的形式保持
5、下来的过程，它是矿化的逆过程；生物固氮是指自然界中的一类能固氮的微生物将空气中分子态氮转变为氨的生物学过程。联系：他们都是氮素转化的两个过程,生物固氮为氮素生物固定提供所需要的 NH4+，生物固定暂时将生物固氮的产物以有机态的形式保持下来，减少了 NH4+的损失，两者都对土壤中 N 的积累有重要作用。1）自生固氮：指自然界的一类微生物不需要同其它作物共生，而能独立地进行固氮作用。按对生存环境中氧的依赖和敏感程度可分为三类：有好氧的、兼性厌氧的、厌氧性的；按营养生活方式可分为自养和异养两大类。2）共生固氮：豆科植物为根瘤菌属的寄主，根瘤菌把空气中的 N2转化为 NH3供给植物氮素营养，植物把通过
6、光合作用制造出来的部分碳水化合物供给根瘤菌作工作能量，豆科植物与根瘤菌之间相互支持，相互依靠。3）联合固氮：一群有固氮能力的细菌集居于植物的根际，甚至部分进入根表细胞，细菌利用植物根系分泌物，植物利用细菌固定的氮素或某些生理活性物质。植物与根际细菌在互利的基础上形成联合而非共生的结构。意义：全球每年生物固氮总量达 1.75 亿吨，它和工业氮都是供应土壤和农业所需氮素的重要途径，两者可以相互补充，保持和提高土壤氮素肥力。由于工业氮存在工作量大、利用率低等问题，而生物固氮是一种自然的过程，它的存在和发展将减轻由过量施用氮肥而造成的环境污染，同时可协调解决粮食、能源和环境污染等问题。12.简述农田生
7、态系统中氮素循环的环境效应，减缓氮肥施用对环境负面效应的措施。答：氮肥在土壤中主要以铵态氮和硝态氮的形式存在，其中硝态氮由于带负电荷易随水流失到水体中，同时氨挥发作用和氮的硝化和反硝化作用会向大气中排放 NH3、N 2 、N 2O 和 NO。这些排放到水体和大气中的活性氮都会给环境带来还大的影响.(农业面源污染、硝酸盐污染地下水、氮沉降、N 2O 与温室效应、一氧化氮与光化学反应等)为了提高氮肥的肥效，在获得较高产量的同时减少氮素对环境的负面效应，必须因土壤、因作物、因肥料性质和形态而合理地施用氮肥，采取合适的分配方案，选择适宜的氮肥品种，应用先进的施肥技术，确定最佳的氮肥施用量和施用时间。减
8、缓氮肥施用对环境负面效应的措施有：1） 合理施肥减少氮肥损失。确定氮肥适宜施用量；氮肥的适宜施用时期：分次施用氮肥；深施：铵态氮肥和尿素应深施；水肥的综合管理；平衡施肥：在缺磷的土壤上，氮磷配合施用，可以显著的提高氮肥利用率；施用硝化抑制剂；施用缓效性氮肥； 2） 控制径流。免耕少耕，修建暴雨蓄积池、沉淀塘，灌溉植被过滤。3） 控制氮素转化。避免土壤水分剧烈变化，施用有机废弃物或秸秆还田，提高碳氮比，减少 N2O 排放。4） 在氮肥大量施用地区种植不易积累硝酸盐的农作物品种，及时收获。13.简述施入土壤中的氮肥去向与提高氮肥利用率的途径。农田生态系统中化肥氮的去向，是在作物和环境条件的影响下，
9、土壤中氮素的转化和移动各过程的综合表现。农田生态系统中化肥氮的去向，可粗分为三个方面：1）作物吸收；2）土壤残留：矿物固定和生物固定；3）氮素损失：氨挥发、硝化、反硝化、淋洗、径流、侧渗、以及通过作物地上部分的直接损失等。减少氮肥损失、提高其利用率和增产效果的主要技术途径：1）确定氮肥适宜施用量；2）氮肥的适宜施用时期：分次施用氮肥；3）深施：铵态氮肥和尿素应深施；4）水肥的综合管理：水田用尿素作追肥时，可以采用“以水带氮”的方法；旱作上撒施尿素后，随即灌水；5）平衡施肥：在缺磷的土壤上，氮磷配合施用，可以显著的提高氮肥利用率；6）添加脲酶抑制剂延缓尿素水解，减少氨挥发；7）施用硝化抑制剂；8
10、）施用缓效性氮肥；9）其它途径：杀藻剂及水田抑氨分子膜。14.谈谈太湖地区水旱轮作制度下的用氮建议。太湖地区主要是稻-麦轮作。故应考虑不同作物生长期的施用氮肥品种、氮肥施用量、氮肥施用时期。在水稻生长期，应施用铵态氮肥，以减少因施用硝态氮肥造成的径流损失及反硝化作用释放含氮气体，污染地下水和大气环境，施用铵态氮肥的同时，添加表面分子膜抑制氨挥发。在小麦生长期可考虑施用硝态氮肥，以减少因施用铵态氮肥造成的氨挥发，在硝态氮肥中添加硝化抑制剂。太湖地区普遍存在氮肥施用量过高的问题，应减少施肥量，降低环境污染。另外，应根据所种作物的不同生长阶段，针对性地施用基肥和追肥，氮磷钾平衡，提高氮肥利用率。15
11、.土壤中氮、磷向水体迁移的途径、对水环境质量的影响及其阻控措施。迁移途径：氮通过挥发沉降、淋溶、地表径流和冲刷迁移；磷移动性差，主要通过地表径流和冲刷进入水体。水环境质量影响：水体富营养化、藻类及其他浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧下降、水质恶化、鱼类及大量其他生物死亡。阻控措施：提高氮磷利用率，改进施肥技术，增加地表覆盖，建造生物篱，减少地表径流，控制水土流失16.酸性、中性和碱性土壤对磷吸附和固定特性，说出两种土壤有效磷的提取方法，指出其适用性。磷是一个在化学上十分活跃的元素，它可以和多种化学元素进行反应，从而形成各种化合物，也正由于这个原因，磷肥施入土壤后容易被吸附和固定，使磷肥在土壤中的移
12、动性大大减弱。在酸性土壤中，磷和大量的 Fe3+、Al 3+作用，形成磷钾铝石和磷钾铁铝石，以及无定型的磷酸铁、磷酸铝。在一些温带土壤中，先形成磷钾石，只有当土壤中的交换性钾消耗完后才形成简单的磷铝石。反应的最初产物中的无定型磷酸铝、磷酸铁，进一步的反应产物是胶态磷酸铝，在我国各类土壤中，南方的红壤和砖红壤对磷的固定能力强。水田和旱地的性质不同，它们固定磷的能力也是不同的。土壤溶液中的磷可被铁铝氧化物吸附，这部分磷可解吸下来供作物利用，也可进一步形成闭蓄态磷。在中性和碱性土壤中，磷主要和碳酸钙反应，这种反应的最初产物主要为二水磷酸二钙，有时也有无水磷酸二钙的产生，这些反应产物是欠稳定的，根据热
13、力学原理，它们将逐步向更加稳定的化合物转变，转变方式如下：磷酸一钙 二水磷酸二钙或无水磷酸二钙 磷酸八钙 羟基磷灰石 氟磷灰石在强石灰性土壤中，磷酸一钙可直接转化成磷酸八钙，磷酸八钙向胶态磷灰石转化需要 4 个月时间。我国北方分布着大面积的中性和石灰性土壤，其对磷的吸附量一般小于酸性土壤，固定的磷量和土壤中无定型氧化铁、有机质、粘粒以及石灰含量显著相关。这说明，即使在石灰性土壤中，少量的无定型氧化铁对土壤固定磷的能力也起着重大作用。土壤有效磷的提取方法：（1）碳酸氢钠法：NaHCO 3溶液提取土壤有效磷适用于微酸性、中性和石灰性土壤。在石灰性土壤中，提取液中 HCO3-可与土壤溶液中 Ca2+
14、形成 CaCO3沉淀，从而降低了钙的活度而使某些活性较大的钙磷被浸提出来。在酸性土壤中因 pH 提高而使铁磷、铝磷水解而部分被提取。（2）盐酸-氟化铵法：一是通过氟化铵中的氟离子和土壤中的铁磷、铝磷中的铁、铝在酸性条件下形成络合物从而释放有效磷；二是通过稀酸来溶解部分磷。这种方法适用于酸性土壤，因为提取剂中的酸在水土比不大时很容易被石灰中和而不适用于碱性土壤，另外有可能形成氟化钙导致磷的再吸附或再沉淀而使结果偏低。18 土壤中的 N2O 主要通过硝化和反硝化过程产生，由于土壤中硝化和反硝化过程往往同时存在，你认为可以用什么方法测定或计算硝化过程和反硝化过程对 N2O 的相对贡献？原理：低浓度
15、C2H2能抑止 NH3的氧化，因此能抑止自养硝化和硝化细菌的反硝化。对于扰动土壤用 0.01kPa，潮湿土壤用0.02 kPa，原状土用 0.1 kPa 浓度的 C2H2可抑止 NH3氧化。1kPa 以上浓度的 C2H2可抑止反硝化过程的最后一步反应即 N2O 还原为 N2的过程，而不会对自养和硝化细菌反硝化产生影响。高浓度 O2（约 100 kPa）可抑止反硝化和硝化细菌反硝化过程。同时充入 C2H2和 O2处理的土壤，硝化过程和反硝化过程都将被抑止，此时 N2O 的产生只可能是由其他途径产生，如化学反硝化过程。实验采用恒温密闭土壤培养实验方法，设置处理如下：1、对照（C）2、低浓度 C2H
16、2处理（A）3、O 2处理（O）4、低浓度 C2H2和 O2处理（AO）不同抑止剂对产生 N2O 途径的不同影响如表所示：产生途径 C A O AO硝化 + - + -硝化细菌反硝化 + - - -反硝化 + + - -其他 + + + +表示可以发生的反应过程，-表示不可以发生的反应过程不同 N2O 产生来源按下式计算：硝化产生的 N2OnitrificationN 2OO- N2OAO反硝化产生的 N2OdenitrificationN 2OA- N2OAO硝化细菌反硝化过程产生的 N2Onitrifier denitrificationN 2OC - N2Onitrification-
17、N2Odenitrification- N2OAO=N2O - N2OO- N2OA+ N2OAO其他途径产生的 N2OotherN 2OAO不同来源产生的 N2O 与总产生量之比即可计算出各来源对 N2O 的贡献。19.分析非点源污染的特点、农业非点源污染的产生途径；从三各以上的不同角度提出减缓非点源污染的具体措施。答：非点源污染，也称面源污染或者分散污染源，它是指时空上无法定点监测的，与大气、水文、土壤、植被、土质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直接对水环境构成污染的污染物来源。 农业非点源污染的基本特征为: (1).非点源污染的特点:a.形成的随机性：降水的
18、随机性和其他影响，因而降雨径流具有随机性 b.影响的滞后性：单次农药和化肥的使用所造成的非点源污染将是长期的 c.因子的复杂性：农药和化肥的不同的施用量，在生长季节、农作物类型、施用方式、土壤性质和降雨条件不同时，所可能产生非点源污染的途径和产生量是不同的 d.存在的广泛性：在地球表层广泛分布，随着径流进入水体的污染物遍地可见 农业非点源污染的产生途径：农田径流营养成分的流失；农村生活污水及生活垃圾无处理排放；分散式养殖场禽畜粪便排放；农田水土流失；减缓非点源污染的具体措施：1）从农业生产方面：合理施肥，节水灌溉；调整农药结构 ，积极开发研制新型农药；使用和推广农业废弃物的资源化技术；2）从工
19、程措施方面：建立缓冲带改善生态环境质量；缓冲带是指利用永久性植被拦截污染物或有害物质的条带状、受保护的土地，灌溉水生态化；水土保持工程。 3）从管理方面：模型预测，优先控制源、优先控制区。4）从法律 、环保稽查方面：建立法律法规和组织机构； 实行征收环境税和扣缴生态补偿金政策。20 请指出氮素生物固定与生物固氮的区别与联系，描述自然界 3 种以上固氮体系，并评价其意义。区别：氮素生物固定是指有效态的 N（NO 3-，NH 4+）被生物利用而以有机态的形式保持下来的过程，它是矿化的逆过程；生物固氮是指自然界中的一类能固氮的微生物将空气中分子态氮转变为氨的生物学过程。联系：他们都是氮素转化的两个过
20、程,生物固氮为氮素生物固定提供所需要的 NH4+，生物固定暂时将生物固氮的产物以有机态的形式保持下来，减少了 NH4+的损失，两者都对土壤中 N 的积累有重要作用。主要固氮体系有：1 共生固氮1） 豆科植物-根瘤菌体系陆地上存在许多种共生固氮体系，其中豆科植物-根瘤菌是最普遍，最重要的一种。豆科植物为根瘤菌属的寄主，根瘤菌把空气中的 N2转化为 NH3，供给豆科植物以氮素营养，豆科植物也要把自己通过光合作用制造出来的部分碳水化合物供给根瘤菌，作为它工作的能量。就这样，豆科植物与根瘤菌之间建立了相互支持，相互依靠的共生关系。2） 非豆科植物-放线菌固氮体系与放线菌营共生结瘤的多数植物为野生林木，
21、适宜于瘠薄环境，对提高森林土壤和干旱地区土壤的氮素营养具有重要意义。3） 萍-藻固氮体系在水田中放养绿萍（红萍）肥田，因为一种叫鱼腥藻的藻类植物与绿萍共生在一起，构成萍-藻共生体，有固氮作用。这是增加水田氮素营养的一个重要途径。2 自生固氮 指自然界的一类微生物不需要同其它作物共生，而能独立地进行固氮作用。按照对生存环境中氧的依赖和敏感程度自生固氮的细菌可分为三类：有好氧的（如固氮菌） ，有兼性厌氧的（如克氏杆菌） ，有厌氧性的（如巴氏梭菌） ；按其营养生活方式，可分为自氧和异氧两大类。自生固氮细菌虽能在氮素贫瘠，碳源丰富的环境生活，然而自生固氮细菌的固氮量比共生固氮的固氮量低得多。固氮蓝藻是
22、既能进行光合作用，又能进行固氮作用的自氧型固氮生物。3 联合固氮这是由一群有固氮能力的细菌集居于植物的根际，根表，甚至可部分进入根表细胞；集居的细菌利用植物根系分泌物，而植物则利用细菌固定的氮素或某些生理活性物质，植物与根际的细菌虽有某中形式的联合，但不形成共生结构。这种固氮形式不同于共生固氮，而只是在互利的基础上。联合固氮作用广泛存在于自然界。固氮菌与某种植物根际的联合是专一性的，联合固氮作用在非豆科作物的氮素营养中起着一定作用，是非豆科植物中氮素的一种来源。意义：全球生物固氮总量每年达 1.75 亿吨，它和工业氮都是供应土壤和农业所需氮素的重要途径，两者可以相互补充，保持和提高土壤氮素肥力
23、。由于生物固氮是一种自然的过程，它的存在和发展将减轻由过量施用氮肥而造成的环境污染，工业氮利用率低，工作量大等问题，同时可协调解决能源，粮食和环境污染等问题。21.土壤表面正/负电荷的产生机理及其对表面化学性质的影响。土壤表面电荷有两种，永久电荷和可变电荷。土壤中常见的永久电荷粘土矿物有水云母、蛭石等层状硅酸盐矿物，其硅氧烷表面的电荷是永久负电荷，是由于层状硅酸盐矿物中的同晶置换而产生的。这是因为如果硅氧四面体中的硅被低价的铝所置换，或者铝氧八面体中的铝被低价的镁或亚铁置换，都将产生过剩的负电荷。对于可变电荷土壤，可变电荷的主要来源是铁铝氧化物和水和氧化物。此外，土壤中的粘土矿物表面的边面也是
24、可变电荷表面。腐殖质含有大量的羧基，羧基的氢离子解离后，即产生可变负电荷。土壤中铁、铝、锰、钛、和硅主要以氧化物和水和氧化物的形态存在，其表面都带有羟基。水和氧化物表面的电荷是通过其表面羟基上的 H+的解离和羟基与溶液中的 H+的缔合而产生的。表面羟基失去一个 H+后，表面带负电荷，表面羟基吸附一个 H+后，表面带正电荷。层状硅酸盐的边面也可以产生可变电荷，是通过边缘破键暴露的羟基中 H 的解离或对质子的吸附而产生的。土壤胶体的表面带有电荷，这是土壤具有一系列电化学性质的原因，也是土壤不同于纯砂粒之处。土壤电荷通过电荷数量和电荷密度两种方式对土壤的许多化学性质发生影响。例如，土壤能吸附阳离子和
25、阴离子就是因为土壤带有正电荷和负电荷。土壤吸附电荷的多少决定于土壤所带电荷的数量，而吸附的牢固程度则与电荷的密度相关。此外离子在土壤中的移动、有机-无机复合体的形成及土壤的分散、絮凝和膨胀、收缩等性质也受土壤的电荷性质的影响。所以土壤的电荷性质与其结构状况、表面化学性质以及植物营养都有密切的关系。22.土壤胶体电荷和土壤保肥蓄肥能力的关系。答：土壤胶体是土壤中最活跃的部分，其构造有微粒核和双电层构成，使得土壤胶体产生表面特性和电荷特性。表面电荷是土壤具有一系列物理化学性质的根本原因。由 于 土 壤 胶 体 带 正 电 荷 和 负 电 荷 ， 能 吸 咐 土 壤 溶 液 中 电 性 相 反 的
26、离 子 ， 被 吸 咐 的离 子 还 能 与 土 壤 溶 性 中 的 同 电 性 的 离 子 发 生 交 换 而 达 到 动 态 平 衡 。NH4+、 K+、 Ca2+、 Mg2+ 可 通 过 静 电 吸 附 于 土 壤 胶 体 中 。 已 吸 咐 在 土 壤 胶 体 上 的 阳 离 子 当 土 壤 溶 液 的 组 成 和 浓 度 发 生改 变 时 ， 完 全 可 以 被 其 它 的 阳 离 子 代 换 下 来 而 进 入 土 壤 溶 液 ， 它 使 被 吸 咐 的 离 子 并 不 会 失 去 对 植 物 的 有 效 性 ， 植 物 对 养分 的 吸 收 主 要 是 吸 收 土 壤 溶 液 的
27、 养 分 ， 土 壤 胶 体 表 面 的 养 分 绝 大 部 分 需 要 转 移 到 土 壤 溶 液 中 才 能 被 吸 收 ， 由 于 阳 离 子 交换 反 应 是 可 逆 反 应 ， 使 得 被 吸 咐 的 阳 离 子 ， 完 全 可 以 被 其 它 的 阳 离 子 交 换 下 来 ， 重 新 进 入 土 壤 溶 液 供 植 物 吸 收 利 用 ， 所以 被 吸 咐 的 阳 离 子 并 没 有 失 去 对 植 物 的 有 效 性 。土 壤 胶 体 虽 然 以 带 负 电 荷 为 主 ， 但 是 在 某 些 特 定 条 件 下 土 壤 胶 体 也 可 带 正 电 荷 。 带 正 电 荷 的
28、土 壤 胶 体 就 能 通 过 静 电引 力 而 吸 咐 阴 离 子 ， 这 种 通 过 静 电 引 力 而 对 阴 离 子 产 生 的 吸 咐 我 们 称 为 土 壤 对 阴 离 子 的 非 专 性 吸 咐 ， 被 吸 咐 的 阴 离 子 ，可 被 其 它 的 阴 离 子 所 代 换 ， 属 交 换 性 的 阴 离 子 。 这 一 特 性 使 得 土 壤 对 P 素 的 保 存 和 植 物 对 P 素 的 利 用 用 很 大 关 系 。23.土壤中氧化物对电荷数量的影响。a.氧化铁：氧化铁是可变电荷土壤中产生正电荷的主要物质。这主要是其表面的 Fe-OH 基在 pH 低于其电荷零点时从溶液中
29、吸附 H+所致。不同形体的氧化铁对正电荷的贡献不同。b.氧化铝：除了铝硅酸盐外，可变电荷土壤中有一定量的游离氧化铝。这些氧化铝以三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石等矿物和非晶质的氧化铝的形态存在，其表面都是羟基化表面，可以由于质子化或脱质子化而带正电荷或负电荷。c.氧化硅：SiO2 的电荷零点在 2 左右，在通常的 pH 下应该带负电荷。24.请分别说明土壤表面的永久电荷和可变电荷是如何产生的，土壤表面带有电荷有何意义？永久电荷的产生：是由于晶质粘土矿物晶格中离子的同晶置换所产生的。可变电荷的产生：是由于土壤固相表面从介质中吸附离子或向介质中释放离子而引起的。土壤中常见的永久电荷粘土矿物有水云母
30、、蛭石等层状硅酸盐矿物，其硅氧烷表面的电荷是永久负电荷，是由于层状硅酸盐矿物中的同晶置换而产生的。这是因为如果硅氧四面体中的硅被低价的铝所置换，或者铝氧八面体中的铝被低价的镁或亚铁置换，都将产生过剩的负电荷。腐殖质是大多数土壤中可变电荷的主要来源。对于可变电荷土壤，可变电荷的主要来源是铁铝氧化物和水和氧化物。土壤中的粘土矿物表面的边面也是可变电荷表面。腐殖质含有大量的羧基，羧基的氢离子解离后，即产生可变负电荷。土壤中铁、铝、锰、钛、和硅主要以氧化物和水和氧化物的形态存在，其表面都带有羟基。水和氧化物表面的电荷是通过其表面羟基上的H+的解离和羟基与溶液中的 H+的缔合而产生的。表面羟基失去一个
31、H+后，表面带负电荷，表面羟基吸附一个 H+后，表面带正电荷。层状硅酸盐的边面也可以产生可变电荷，是通过边缘破键暴露的羟基中 H 的解离或对质子的吸附而产生的土壤胶体的表面带有电荷，这是土壤具有一系列电化学性质的原因，也是土壤不同于纯砂粒之处。土壤电荷通过电荷数量和电荷密度两种方式对土壤的许多化学性质发生影响。例如，土壤能吸附阳离子和阴离子就是因为土壤带有正电荷和负电荷。土壤吸附电荷的多少决定于土壤所带电荷的数量，而吸附的牢固程度则与电荷的密度相关。此外离子在土壤中的移动、有机-无机复合体的形成及土壤的分散、絮凝和膨胀、收缩等性质也受土壤的电荷性质的影响。所以土壤的电荷性质与其结构状况、表面化
32、学性质以及植物营养都有密切的关系。25.土壤胶体表面离子配位吸附的特点。答：土粒表面存在着可以与阴离子配位交换的基团，如羟基和水分子等。这些基团的中心金属离子可以是铁或铝，因此含有大量氧化铁、铝的土壤对阴离子的配位吸附较为明显。配位吸附作用最强的是磷酸根，其次是硫酸根。特点：1） 配位吸附的阴离子不仅仅受静电引力的控制。这类阴离子不仅可以在带正电荷的表面发生吸附，也可以在带负电荷或零电荷的表面被吸附。它们能够进入氧化物表面的金属原子的配位壳中，与配位壳中的羟基或水分子重新配位，并直接通过配位键结合在固体表面。2）阴离子被配位吸附后，可使土壤表面的正电荷减少，负电荷增加，体系的 pH 上升。有时
33、配位吸附的阴离子还可以直接成为氧化物表面上决定电位的离子。3）电性吸附与配位吸附的区分并不是绝对的。要用这两类吸附来划分阴离子的吸附也是不可能的。常常是这两类吸附同时存在，只是在不同的条件下，主次有别。4）阴离子在土壤胶体表面被吸附时，可与表面的配位基包括羟基和水分子进行配位交换反应，使配位基释放到土壤溶液中。阴离子配位吸附后可增加土壤的表面负电荷。对于表面负电荷较少的土壤，如果能增加其负电荷，则有利于钾、铵、钙等养分阳离子的保蓄。26.简述可变电荷土壤与恒电荷土壤的表面电化学性质的差异，说明硝态氮在这两类土壤中的化学表现。永久电荷：由于粘粒矿物晶格内的同晶替代所产生的电荷；可变电荷：电荷形成
34、后不是永久不变的，也就是说没有永久性质，它的数量和性质随着介质的而 pH 改变。产生可变电荷的主要原因是胶核表面分子或原子团的解离。可变电荷土壤可以通过静电引力的作用来吸附硝态氮，这种非专性吸附发生在土壤胶体的扩散层，键合很弱，易于解吸或为水洗出。而且吸附的硝酸根具有可交换性，吸附发生后，一般对胶体表面电荷性质无明显影响。恒定电荷土壤表面多以负电荷占优势，所以硝酸根离子受同性电荷斥力的作用，往往远离负电胶体表面。即距负电胶体表面越近，阴离子的数量越少，这种现象称为阴离子的负吸附，如果胶体表面的负电荷一定，则阴离子价数愈大，其负吸附越强烈。27.土壤自然酸化过程和酸沉降加速酸化过程的主要原因及造
35、成的主要生态环境问题。土壤酸化指土壤阳离子交换量 CEC 与 pH 降低、酸中和容量和盐基饱和度 BS 减小的过程。自然酸化：植物吸收养分的同时向土壤分泌质子，吸收的养分被带走，土壤酸化；生物代谢产生二氧化碳、可溶性有机酸、酸性有机残余物等，解离出质子与盐基交换，盐基被洗掉，土壤酸化；还原态氮和硫氧化产生酸是土壤酸化。空气中的二氧化碳溶解于土壤溶液中以后，产生碳酸；大气中的氮气在闪电等作用下形成硝酸。除了来源于外部，在土壤内也有许多反应可以产生氢离子，例如有机氮的矿化和硝化，有机硫的矿化和氧化，有机磷的矿化，以及金属离子的络合、铵离子的硝化等；土壤由还原态变为氧化态时，还原性物质如硫化氢、硫化
36、铁、亚铁离子等的氧化反应中都产生氢离子。在土壤溶液本身，水的自动离解也产生氢离子。由于这种自动离解产生的氢离子数量虽然很小，但是由于反应是可逆的，氢离子可以源源不断的产生。酸沉降加速土壤酸化：大量酸性物质输入土壤，接受更多质子，不可避免酸化；酸雨中的阴离子加速盐基离子的淋失；黏土矿物层间铝、有机螯合态铝活化；输入的氮硫被氧化并与土壤有机质作用，产生更多有机酸，次生酸化。酸沉降的危害：（1）土壤酸化，氢离子置换了土壤交换位上的盐基离子，导致土壤中钙、镁等盐基离子和营养元素的淋失，土壤有效性磷降低，植物可获得性养分减少，长势衰弱，产量和生长量下降；（2）Al 以 Al3+的形式存在，通过抑制根细胞
37、的分裂和伸长、减少根系对矿质养分和水分的吸收而对植物的生长产生毒害，一些以非生物有效性存在的重金属也开始溶解，成为生物有效态，增加了对植物的毒性，导致树木枯死、农作物减产；（3）改变了物种多样性，使植物种群组成和生态系统结构发生了变化。对水域生态系统的结构和功能也有重大影响，受酸沉降影响的水域化学性质发生了明显的变化：硫酸根取代碳酸氢根成为水域中起支配作用的阴离子；痕量和微量金属（重金属）浓度增加，特别是铝可达到使水生生物致毒的浓度，以及氢和硫含量的减少；水域化学性质的改变最终使酸性水域中水生生物种群数量和多样性下降，使水生生态系统区域简单化。 （4）腐蚀建筑物。28.土壤酸度的本质是什么？酸
38、性土壤的交换性铝是如何产生的?答：土壤中 H+的来源 为土壤中 CO2溶于水形成的碳酸和有机物质分解产生的有机酸，以及土壤矿物质氧化产生的无机酸，还有施用无机肥料中残留的无机酸，还有酸沉降带来的酸度。土壤酸度可分为活性酸度和潜性酸度。活性酸度是指土壤溶液中氢离子浓度的直接反映，通常用 pH 表示。潜性酸度的来源为：1） 有机酸解离释放 H+；2）有机铝配合物水解释放 H+；3）阳离子交换和水解释放和 Al3+； Al3+3H2O = Al（OH） 3+ 3HCl 土壤酸度增加。 矿质土壤的交换性酸由交换性 Al3+，而有机质丰富的土壤的交换性酸由交换性 H+组成。4）矿物上的非交换性酸，主要指
39、铁铝氧化物，水铝英石及硅酸盐矿物表面吸附的羟基铁和羟基铝聚合物等可变电荷矿物的表面产生的非交换性酸。这些酸离子在土壤微空隙中扩散缓慢，铝配合物的解离也相当缓慢，所以化学过程较迟钝。可用过量中性盐或弱酸强碱盐淋洗土壤，将土壤胶体吸附的吸附的 H+和 Al3+代换出来进行测定。酸性土壤的交换性铝是由于土壤交换性 H+的饱和度达到一定限度，就会破坏硅酸盐粘粒晶体结构，其水铝片中 Al 转化为活性 Al3+，取代交换性 H+而成为交换性 Al3+。这种反应十分迅速。因此，矿质酸性土以交换性 Al3+占绝对优势。29.土壤自然酸化过程中，H +有哪些主要来源？水的离解：H 2O = H+ + OH-，虽
40、然这一过程产生的 H+仅为 10-7mol/L，但经过长期的淋溶作用，仍能导致土壤酸化。来自降雨中的 H2CO3及土壤生物和根系代谢产生的 H2CO3: H2CO3 = H+ + HCO3-。有机酸：又分为低分子有机酸和大分子的腐殖酸，前者主要有三方面的来源，植物根系的分泌，土壤微生物的代谢以及植物残体的分解。HA=H + + A-。硫化铁氧化产生 H2SO4, 这一过程主要出现在一类特殊的酸性土壤，叫酸性硫酸盐土中。这类土壤淹水条件下 pH 在5.57.0，在排水条件下 pH 可降至 23。主要反应为：FeS + 9/2 O2 + 5/2 H2O = Fe(OH)3 + SO42- + 2H
41、+30.简述酸性土壤改良的方法，农艺措施与管理在减缓土壤酸化中的作用。1)施用改良剂，调酸补钙。施石灰有两种作用，一是中和土壤酸性；二是补充钙素营养，又是补充淋失的盐基。2)施有机肥种、植绿肥、秸杆还田等措施，土壤酸化会使土壤性质恶化，这些措施会改善土壤的物理性质，增加土壤肥力。3)测土施肥。科学的控制化肥，尤其是氮肥的用量。降低盐基的淋溶程度。4)选择合适的种植方式 对于酸化严重的土壤，在水源良好的情况下可种植水稻，降低氢离子的浓度，减轻土壤酸化的危害。31.简述土壤对酸碱的缓冲机理及其环境意义。土壤的缓冲性能或缓冲作用，是指酸性或碱性物质进入土壤后，土壤具有抵制或缓和酸碱反应变化的能力。土
42、壤具有缓冲能力的主要原因有两个方面：土壤溶液中有弱酸与其盐类并存的缓冲体系、土壤胶体的离子交换。环境意义：土壤缓冲能力对土壤质量有显著维护作用。酸碱变化保持在一定范围，有利于维持根系微生物和养分有效性的稳定及正常的物质迁移转化，抵制不利因素。32.为什么铵态氮肥的长期施用会加速土壤酸化？请写出相关的方程式。长期施用铵态氮肥会加速土壤酸化，这一方面是因为长期使用氮肥后，作物的产量和地上部分的生物量就会增加，导致更多的碱随作物的收获从土壤上移走，从而加速土壤酸化过程；另一方面是因为铵态氮在土壤中的硝化过程以及随后 NO3-的淋溶。随着 NO3-的向下淋溶，硝化过程中产生的 H+则留在表层土壤中，这
43、也加速了土壤酸化过程。相关的方程式：NH 4+O2 NO3-+2H+H2O+能量33.在北方干旱地区，含有碳酸盐和硫酸盐的地下水会因毛细管作用上移蒸发，会在土壤剖面中形成白色钙积层，请从沉淀一溶解平衡原理说明钙积层的形成机理，并指出上、下钙积层在化学组成上的差异。答：由于碳酸钙溶解度 1.5*10-2 g/L，远小于硫酸钙 2.4 g/L，土壤割面中含盐，地下水上升过程中，碳酸钙首先沉积出来后，硫酸钙沉淀于较高土层中，因此上下钙积层分别为硫酸钙和碳酸钙。34.土壤胶体的种类、化学特性及其对养分和污染物迁移的影响。1)土壤胶体的种类：土壤矿质胶体：次生铝硅酸盐（伊利石、蒙脱石、高岭石等） ，铁铝
44、氧化物，二氧化硅；土壤有机胶体：腐殖质、有机酸、蛋白质及其衍生物；土壤有机矿质复合胶体。2）土壤胶体的化学特性：巨大的比表面和表面能：物体的比表面愈大，表面能也愈大，吸收性能也愈强。带电性：主要源于同晶置换作用、晶格破碎边缘的断键、胶体介质离解或吸附离子等而带电。分散和凝聚：土壤胶体由溶胶转为凝胶称为凝聚作用，相反称为分散作用。3）对养分迁移的影响：（1）土壤胶体的种类及其带电性质直接决定 CEC土壤保蓄养分的能力；（2）土壤胶体的分散和凝聚影响养分离子的迁移4）对污染物迁移的影响：（1）土壤胶体代表了整个土壤的活性吸附表面。长期的研究表明，土壤胶体尤其是铁铝氧化物及其水化物对微量重金属离子的
45、专性吸附具有双重作用。积极方面是使土壤具有一定的净化能力，对外来的重金属离子在土壤溶液的浓度、迁移和在植物体内的积累起一定的缓冲和调节作用。但是也不能否定专性吸附对微量重金属离子的富集作用，给土壤带来潜在的污染危险。（2）土壤溶胶在环境条件改变下（pH、离子浓度等） ，促使胶粒彼此接触而凝聚，可以阻碍污染物物质的淋移。相反，土壤胶体分散有助于污染物的迁移。35.简述土壤中重要的氧化还原体系（氧、锰、铁、碳、硫、氮体系）的反应机理与环境意义及 Eh 的测定方法。电子的性质极为活泼，在物质之间传递引起氧化还原反应。氧化还原反应进行得非常迅速，并广泛地发生在自然界中。土壤中参与氧化还原反应的元素有：
46、C，N，H，O，S，Fe，Mn，As，Cr 等，其中较为主要的是氧、铁、锰、硫和某些有机化合物。（1）氧，它是土壤中最活泼、也是来源最为丰富的电子受体，在非渍水土壤中，氧是决定氧化强度的主要体系；在淹水土壤中，土壤的含氧量由于生物和化学消耗而减少。 O 2+4H+4e 2H2O（2）铁，通气良好的土壤中绝大部分铁以氧化态存在，而在有机质累积层或渍水还原条件下，高价铁（Fe 3+）可被还原成低价铁（Fe 2+） 。 FeOOH+3H + e Fe2+2H2O（3）锰，在氧化性的土壤中，锰以四价和三价的复杂氧化物的状态存在，但它对还原性物质较铁敏感，在渍水土壤中多以Mn2+形式存在。 MnO 2+
47、4H+2 e Mn2+2H2O（4）硫，在氧化条件下，土壤中无机硫是硫酸盐形态，有机硫一般不参与氧化还原反应；在较强的还原条件下，硫多以H2S、金属硫化物、硫醇等形式存在。在土壤中参与氧化还原反应的物质主要是 S2-和 SO42-。SO 42-+9H+6 e HS-+4H2O（5）氢，除了在强烈的还原条件下时，它在土壤中所起的作用较小，但它在联系其它元素的氧化还原反应中有重要意义。2H+2 e H2（6）氮（待补充） NO 3-+2H+2 e NO2+H2O环境意义：（1）温室气体 a.硝化和反硝化作用产生的 N2O 是大气温室气体之一，还可以破坏平流层的臭氧层；b.在厌气条件下，土壤有机质经
48、微生物分解释放出甲烷，甲烷对温室效应的贡献非常高。（2）土壤污染物的迁移转化：通过影响重金属形态而影响重金属的吸附，通过影响土壤微生物的活性来影响有机污染物的降解。污染土壤在淹水条件下，如 As5+在还原条件下会变为 As3+，而 As3+比 As5+易溶得多，大大增长了 As 的毒性。砷化物还可被嫌气生物还原并甲基化成二甲基砷、三甲基砷等剧毒挥发物。此外，土壤中有机物还可以使 Cr(5+)迅速还原成 Cr(3+)，使其毒性减小；（3）水体污染和富营养化：土壤中各元素的价态、形态随着土壤氧化还原条件改变而改变：在还原条件下，磷酸盐的沉淀比磷酸铁溶解性增加，使磷的移动性增加；在好气微生物的作用下
49、，土壤中的铵态氮或氨气硝化，这都是水体富营养化的重要因素。Eh 的测定方法：Pt 电极接仪器底“+”端，参比电极接“-”端：E 测=Eh E 参，Eh= E 测+E 参（25 oC，饱和甘汞电极电位 244mV，饱和 Ag-AgCl 199mV)36.试述土壤中出现碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐的溶解沉淀平衡的条件及其对土壤形成、盐土改良、磷素营养的意义。1）碳酸盐：与 SO42-、Fe 和、Zn 和 Mn 离子的表面吸附反应会影响这些离子对植物的有效性，降低了石灰石的反应活性；石灰性土壤的发育过程与土壤碳酸盐的溶解沉淀化学紧密相连。此外，在土壤分析中，如有效磷的提取，受碳酸盐沉淀的影响。2）硫酸盐：干旱地区的土壤在演化过程中，石膏会沉淀于土壤表层，含有石膏的沉积物发育的土壤，淋溶可导致钙离子和硫酸根离子进入深层而重新积淀为石膏层。在石灰性土层中可发现硫酸根，在碳酸钙表面上有硫酸钙的沉淀积皮。酸性硫酸盐土中可发现不溶于水的碱性钾铁硫酸盐。3）磷酸盐：在酸性土壤中，磷酸和大量的 Fe3+,Al3+发生沉淀作用，形成磷铝石和磷甲铁铝石，以及无定形的磷酸铁，磷酸铝，在一些温带土壤中，可能首先形成磷甲石。在中性和碱性土壤中，磷主要和碳酸钙反应，这种反
