主要元素

八种化学元素构成了土壤中大部分矿物质。在这八种元素中，氧是晶体结构中的一种带负电的离子（阴离子），在重量和体积上都是最普遍的。下一个最常见的元素，所有带正电的离子（阳离子），按降序排列是硅、铝、铁、镁、钙、钠和钾。这些元素的离子以不同的比例结合形成不同的矿物质。超过 80 种其他元素也存在于土壤和地壳中，但数量要少得多。

 

土壤在化学上不同于形成它们的岩石和矿物质，因为土壤中含有较少的水溶性风化产物、钙、镁、钠和钾，而含有较多的相对不溶性元素，如铁和铝。旧的、高度风化的土壤通常含有高浓度的铝和铁氧化物。

 

土壤的有机部分，虽然通常占土壤重量的 10% 以下，但对土壤化学性质有很大影响。 土壤有机质主要由碳、氢、氧、氮和少量的硫等元素组成。有机部分作为植物必需营养素、氮、磷和硫的储存库，增加土壤持水和阳离子交换能力，并增强土壤聚集和结构。

 

土壤中化学活性最强的部分由胶体粘土和有机质组成。胶体颗粒非常小（< 0.0002 mm），以至于它们保持悬浮在水中，并且每单位重量表现出非常大的表面积。这些材料通常还表现出净负电荷和高吸附能力。土壤中存在几种不同的硅酸盐粘土矿物，但都具有层状结构。蒙脱石、蛭石和云母粘土是 2:1 粘土的例子，而高岭石是1:1 粘土矿物。将一层氧化铝（八面体片）夹在两层氧化硅（四面体片）之间的粘土称为 2:1 粘土。将一个四面体片粘合到一个八面体片上的粘土称为 1:1 粘土。

 

阳离子交换

由于粘土晶体结构中的阳离子取代和有机物质官能团中氢阳离子的损失，硅酸盐粘土和有机物质通常具有净负电荷。带正电的阳离子被这些带负电的粒子吸引，就像磁铁的相反磁极相互吸引一样。阳离子交换是土壤粘土和有机质与土壤溶液（土壤孔隙空间中的水）中的那些吸附和交换阳离子的能力。吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子之间存在动态平衡。如果土壤溶液中的其他阳离子足够浓缩以取代那些被粘土和有机物表面负电荷吸引的阳离子，则阳离子吸附是可逆的。阳离子交换量以每单位土壤重量计，称为阳离子交换量。有机胶体表现出比硅酸盐粘土大得多的阳离子交换能力。各种粘土也表现出不同的交换能力。因此，土壤的阳离子交换能力取决于有机质含量以及硅酸盐粘土的含量和类型。

阳离子交换容量是一个重要现象，原因有两个：

 

可交换的阳离子，如钙、镁和钾，很容易被植物吸收和吸收。

吸附到交换位点的阳离子更能抵抗浸出，或在有水的土壤中向下移动。

植物生根深度以下的阳离子运动与土壤的风化有关。更大的阳离子交换能力有助于减少这些损失。带有正电荷官能团的农药或有机物也会被阳离子交换位点吸引，并可能从土壤溶液中去除，从而减少损失和潜在污染。

钙 (Ca ++ ) 通常是土壤中主要的可交换阳离子，即使在酸性风化土壤中也是如此。在高度风化的土壤中，例如氧化溶胶，铝 (Al +3 ) 可能成为主要的可交换阳离子。

 

阳离子在带负电荷的交换位点上的保留能量随特定的阳离子而变化。保留顺序为：铝>钙>镁>钾>钠>氢。具有增加正电荷和减小水合尺寸的阳离子被最紧密地保持。例如，钙离子可以很容易地从交换位点取代钠离子。这种可替代性的差异是应用石膏 (CaSO 4 ) 回收钠质土壤（钠离子占据阳离子交换容量> 15% 的土壤）的基础。钠质土壤表现出较差的结构特性和低渗水性。

 

钙、镁、钾和钠的阳离子在水中产生碱性反应，称为碱或碱性阳离子。铝和氢离子在水中产生酸性，称为酸性阳离子。碱性阳离子所占阳离子交换容量的百分比称为碱饱和百分比。碱饱和百分比越大，土壤的 pH 值越高。

 

土壤酸碱度

土壤 pH 值可能是最常测量的土壤化学特性，也是提供更多信息的特性之一。与人体的温度一样，土壤 pH 值意味着可能与土壤相关的某些特征。由于 pH 值（溶液中氢离子活性的负对数）是反函数或负函数，因此土壤 pH 值会随着土壤溶液中氢离子或酸度的增加而降低。随着酸度的降低，土壤的 pH 值会升高。

 

土壤pH值为7被认为是中性的。土壤 pH 值大于 7 表示碱性条件，而值小于 7 表示酸性条件。土壤 pH 值通常在 4 到 8.5 之间，但在与黄铁矿氧化和酸性矿山排水相关的材料中可能低至 2。相比之下，典型可乐软饮料的 pH 值约为 3。

 

土壤 pH 值对植物生长有着深远的影响。土壤 pH 值影响土壤中微生物的数量、活性和类型，进而影响作物残茬、粪肥、污泥和其他有机物的分解。它还影响其他养分转化和许多植物必需养分的溶解度或植物可用性。例如，磷在微酸性至微碱性土壤中最容易获得，而除钼以外的所有必需微量营养素随着 pH 值的降低而变得更容易获得。铝、锰甚至铁在 pH < 5.5 时会变得足够溶解，从而对植物产生毒性。作为土壤中多种养分转化机制的重要介质的细菌通常在微酸性至碱性条件下最为活跃。