土壤肥料學通論-第8講-土壤膠體及其吸附性能

1、2.2 2.2 土壤膠體與土壤吸附性能土壤膠體與土壤吸附性能 要點要點: :土壤膠體的概念及基本特性；土壤膠體的概念及基本特性； 土壤膠體的組成；土壤膠體的組成； 土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因；土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因； 土壤的陽離子交換作用；土壤的陽離子交換作用； 土壤的陰離子交換作用；土壤的陰離子交換作用； 2.2.1 2.2.1 土壤膠體的概念及其基本特性土壤膠體的概念及其基本特性 1.1.概念：分散質(zhì)顆粒直徑在概念：分散質(zhì)顆粒直徑在1-100nm1-100nm的分散體稱為膠體的分散體稱為膠體, ,由由 膠體微粒所組成的溶液稱為膠體溶液膠體微粒所組成的溶液稱為膠體溶液. . 對于土壤來講對于土壤

2、來講, ,粒徑在粒徑在1000nm(0.001mm)1000nm(0.001mm)左右的土粒就呈左右的土粒就呈 明顯的膠體性質(zhì)明顯的膠體性質(zhì). .所以直徑在所以直徑在1-1000nm1-1000nm之間的土粒都可歸屬之間的土粒都可歸屬 于土壤膠粒的范圍于土壤膠粒的范圍. . 根據(jù)卡慶斯基制和國際制的粒級分類表根據(jù)卡慶斯基制和國際制的粒級分類表, ,粒徑小于粒徑小于0.001mm0.001mm 或或0.002mm0.002mm的土粒屬于粘粒的土粒屬于粘粒, ,所以土壤粘粒大部分具有膠體所以土壤粘粒大部分具有膠體 性質(zhì)性質(zhì). . 2.2.土壤膠體的種類：土壤膠體的種類： 無機膠體：無機膠體：如鋁硅

3、酸鹽，如鋁硅酸鹽，F(xiàn)eFe、AlAl、MnMn、TiTi氧化物氧化物 ，硅膠等；，硅膠等； 有機膠體：有機膠體：腐殖質(zhì)、木質(zhì)素、纖維素、蛋白質(zhì)等。腐殖質(zhì)、木質(zhì)素、纖維素、蛋白質(zhì)等。 有機無機復合膠體：有機無機復合膠體：無機膠體和有機膠體復合而成。無機膠體和有機膠體復合而成。 3.3.土壤膠體的構造：土壤膠體的構造： 膠體膠體 分散分散 體系體系 膠粒膠粒 粒間粒間 溶液溶液 膠核膠核 雙電層雙電層 由粘粒礦物、腐殖質(zhì)等組成由粘粒礦物、腐殖質(zhì)等組成 決定電位離子層決定電位離子層 補補 償償 離子層離子層 非活性補償非活性補償 離子層離子層 擴散層擴散層 膠核 + + + + + + + + +

4、+ + + + 決定電位離子層 非活性補償離子層 擴散層 雙電子層 決定電位離子層：決定電位離子層：膠核表面帶電的離子。膠核表面帶電的離子。 決定電位離子層的特點：決定電位離子層的特點： 該層帶電的離子決定著膠粒的電荷符號和電位大該層帶電的離子決定著膠粒的電荷符號和電位大 小，故稱決定電位離子層；小，故稱決定電位離子層； 膠膠 核核 - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + 決定決定 電位電位 離子離子 層層 非活非活 性補性補 償離償離 子層子層 擴散層擴散層 + + + 補償離子層：電荷符號與決定電位離子層相補償離子層：電荷符號與決定電位離子層

5、相 反而電量相等的離子層。反而電量相等的離子層。 非活性補償離子層：非活性補償離子層：距決定電位離子層近，受靜距決定電位離子層近，受靜 電引力大，離子活動小，只能隨膠核移動。一般電引力大，離子活動小，只能隨膠核移動。一般 難和粒間溶液中的離子進行交換。難和粒間溶液中的離子進行交換。 擴散層：擴散層：距離遠，受靜電引力小，離子活動性大。距離遠，受靜電引力小，離子活動性大。 該層離子具有交換能力，易于與粒間溶液中的離該層離子具有交換能力，易于與粒間溶液中的離 子進行交換。子進行交換。 擴散層實際上是膠粒與粒間溶液之間的過渡部分。擴散層實際上是膠粒與粒間溶液之間的過渡部分。 土壤膠體的電性和電位分析

6、：土壤膠體的電性和電位分析： 整個雙電層中，決定電位離子層和補償離子層整個雙電層中，決定電位離子層和補償離子層 所帶所帶電荷符號相反，電量相等電荷符號相反，電量相等；整個膠粒電性中和。整個膠粒電性中和。 土壤膠體的電性和電位分析：土壤膠體的電性和電位分析： 完全電位：完全電位：在決定電位離子層界面上所具有的電位在決定電位離子層界面上所具有的電位 勢，即勢，即決定電位離子層與粒間溶液之間產(chǎn)生的電位決定電位離子層與粒間溶液之間產(chǎn)生的電位 差。差。在一定的膠體分散體系中，其大小基本不變。在一定的膠體分散體系中，其大小基本不變。 動電電位：動電電位：在非活性補償離子層界面上的電位勢，在非活性補償離子層

7、界面上的電位勢， 即非活性補償離子層與粒間溶液之間產(chǎn)生的電位差。即非活性補償離子層與粒間溶液之間產(chǎn)生的電位差。 動電電位實際上膠體對溶液所表現(xiàn)出來的電位動電電位實際上膠體對溶液所表現(xiàn)出來的電位 勢，即膠體所呈的電性強弱。勢，即膠體所呈的電性強弱。動電電位隨擴散層厚動電電位隨擴散層厚 度增加而增大。度增加而增大。溶液中離子濃度增大，有效補償了溶液中離子濃度增大，有效補償了 膠粒表面的電荷，擴散層變薄，動電電位降低。膠粒表面的電荷，擴散層變薄，動電電位降低。 膠膠 核核 - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + 決定決定 電位電位 離子離子 層層 非活

8、非活 性補性補 償離償離 子層子層 擴散層擴散層 + + + 1.1.具有巨大的表面積和表面能（表具有巨大的表面積和表面能（表3-43-4）；）； 2.2.具有帶電性；具有帶電性； 3.3.具有分散性和凝聚性：具有分散性和凝聚性：由土壤膠體的動電電位引起。由土壤膠體的動電電位引起。 由于膠粒有一定的動電電位，有一定厚度的擴散層相由于膠粒有一定的動電電位，有一定厚度的擴散層相 隔，而使膠粒均勻分散在粒間溶液中，使膠體表現(xiàn)出分散隔，而使膠粒均勻分散在粒間溶液中，使膠體表現(xiàn)出分散 性；性； 當加入電解質(zhì)時，擴散層變薄，使膠粒相聚成團，表當加入電解質(zhì)時，擴散層變薄，使膠粒相聚成團，表 現(xiàn)出凝聚性現(xiàn)出凝

9、聚性, ,膠體的凝集性有助于土壤結構的形成膠體的凝集性有助于土壤結構的形成. . 2.3.22.3.2土壤膠體的基本特性：土壤膠體的基本特性： 2.3.32.3.3土壤膠體分散性和凝聚性土壤膠體分散性和凝聚性 與補償離子種類和濃度密切相關。與補償離子種類和濃度密切相關。 不同離子補償差異較大，不同離子補償差異較大，一價離子的補償作用一價離子的補償作用 小于二價；擴散層厚，凝聚力弱，呈溶膠狀態(tài)，如小于二價；擴散層厚，凝聚力弱，呈溶膠狀態(tài)，如 果果補償離子是補償離子是2價或價或3價離子，則補償作用大，價離子，則補償作用大，擴散擴散 層薄，凝聚力強，呈凝膠狀態(tài)層薄，凝聚力強，呈凝膠狀態(tài). Fe3+A

10、l3+Ca2+Mg2+H+NH4+K+ Na+ 由高濃度的1價陽離子所凝聚形成的凝膠,大 多數(shù)都是可逆的,可能再形成溶膠. 而由多價陽離子凝聚所形成的凝膠,則往往是 不可逆的,所以由2價或3價陽離子所形成的結 構體穩(wěn)定性高,對土壤其他性質(zhì)也有較好的作 用. 2.3.42.3.4土壤膠體的組成土壤膠體的組成 （一）無機膠體（一）無機膠體 層狀硅酸鹽黏土礦物：層狀硅酸鹽黏土礦物： 1:1 型的高齡型的高齡 石類、石類、2:1型的蒙脫石類及水化云母類。型的蒙脫石類及水化云母類。 鐵、鋁、硅的氧化物及其水化氧化物。鐵、鋁、硅的氧化物及其水化氧化物。 1.1.層狀硅酸鹽黏粒礦物層狀硅酸鹽黏粒礦物 （1

11、1）構造特征）構造特征 A A、基本結構單位、基本結構單位 v硅氧四面體硅氧四面體 v鋁氧八面體鋁氧八面體 l硅氧四面體：由一個硅原子和四個氧原子構成，硅氧四面體：由一個硅原子和四個氧原子構成， 硅原子在中央，四個氧原子在四周。硅原子在中央，四個氧原子在四周。即即 (SiO4)4- 鋁氧八面體：由一個鋁原子和六個氧原子或鋁氧八面體：由一個鋁原子和六個氧原子或 氫氧原子團構成。鋁原子在中央，上下各為氫氧原子團構成。鋁原子在中央，上下各為 三個氧原子或氫氧原子團相聯(lián)結，構成一個三個氧原子或氫氧原子團相聯(lián)結，構成一個 八面體，八面體，（AlOAlO6 6）9-9-。 lB、單位晶片單位晶片 l從化學

12、式上看，四面體為從化學式上看，四面體為（SiO4）4-，八面體，八面體 為為（AlOAlO6 6）9-9-，電性并未中和，在他們形成，電性并未中和，在他們形成 黏土礦物之前，四面體通過與其相鄰的另一個黏土礦物之前，四面體通過與其相鄰的另一個 硅氧四面體共用一個氧原子，如此相連，成為硅氧四面體共用一個氧原子，如此相連，成為 六邊形網(wǎng)孔，然后再與另外的六角形網(wǎng)孔通過六邊形網(wǎng)孔，然后再與另外的六角形網(wǎng)孔通過 共用氧原子連結形成硅氧片。共用氧原子連結形成硅氧片。 六角形網(wǎng)孔 硅氧片 鋁氧片（Al4O12）12- 共用上下兩層氧原子形成 片 C、單位晶層 由于硅氧片和水鋁片都帶有負電荷，不穩(wěn) 定，硅氧片

13、和水鋁片通過疊合形成穩(wěn)定的 化合物。兩種晶片的配合比例不同，形成 不同的的礦物。 （2）硅酸鹽黏土礦物的種類及一般特征硅酸鹽黏土礦物的種類及一般特征 A、高嶺石類（1：1型黏土礦物） 包括高嶺石、埃洛石、珍珠陶土等包括高嶺石、埃洛石、珍珠陶土等 特點：特點： 由一層硅片和一層鋁片構成。由一層硅片和一層鋁片構成。 晶層間通過晶層間通過氫鍵氫鍵連接，（每個晶層一面是連接，（每個晶層一面是 氧原子，一面是氫氧原子團），氧原子，一面是氫氧原子團），連接力強，連接力強， 晶層間距離小，且距離固定，不能擴展，晶層間距離小，且距離固定，不能擴展， 水分和各種離子很難進入其間。水分和各種離子很難進入其間。 A

14、l Al O -OH 高嶺石顆粒較粗，比表面積小，因而其黏著高嶺石顆粒較粗，比表面積小，因而其黏著 力、黏結力和可塑性較弱。力、黏結力和可塑性較弱。 極少極少同晶代換，同晶代換，故吸附能力小，陽離子代換故吸附能力小，陽離子代換 量量3-15 cmol/kg3-15 cmol/kg，保肥性較弱。，保肥性較弱。 l在我國南方熱帶、亞熱帶土壤中廣泛分布，在我國南方熱帶、亞熱帶土壤中廣泛分布， 而在華北、東北、西北和青藏高原的土壤中而在華北、東北、西北和青藏高原的土壤中 含量很少。含量很少。 B、蒙脫石組（、蒙脫石組（2：1型黏土礦物）型黏土礦物） 包括蒙脫石、綠脫石、蛭石等包括蒙脫石、綠脫石、蛭石等

15、 特點：特點： 晶架結構由兩層硅氧片和一層水鋁片重晶架結構由兩層硅氧片和一層水鋁片重 疊而成而成疊而成而成 Al Si Si Al -O -O 蒙脫石礦物晶架的頂?shù)變蓚€基面都由蒙脫石礦物晶架的頂?shù)變蓚€基面都由Si-OSi-O 層構成，通過層構成，通過氧鍵氧鍵連接，作用力弱，水分連接，作用力弱，水分 和各種離子容易進入和各種離子容易進入, ,使晶層間距擴大使晶層間距擴大, ,為為膨膨 脹型晶體脹型晶體. . 晶架內(nèi)部普遍存在同晶代換。如晶架內(nèi)部普遍存在同晶代換。如AlAl3+ 3+替代 替代SiSi4+ 4+， ， MgMg2+ 2+替代 替代AlAl3+ 3+，替代造成礦物帶負電荷，故其具有

16、，替代造成礦物帶負電荷，故其具有 較強的吸附陽離子的能力，代換量高，陽離子代換較強的吸附陽離子的能力，代換量高，陽離子代換 量量80-100 cmol(+)/kg,80-100 cmol(+)/kg,保肥力強保肥力強; ; 顆粒微細，比表面積大，因而其黏著力、黏結力和顆粒微細，比表面積大，因而其黏著力、黏結力和 可塑性較強，土壤中其含量多不利于耕作?？伤苄暂^強，土壤中其含量多不利于耕作。 v在我國東北黑鈣土和華北的褐土、栗鈣土和西北地在我國東北黑鈣土和華北的褐土、栗鈣土和西北地 區(qū)的灰鈣土中含量較多。區(qū)的灰鈣土中含量較多。 水化云母水化云母(伊利石伊利石)組組(Hydromica)（又稱（又稱

17、2 :1型非膨脹性礦物）型非膨脹性礦物） 特點：特點： (1) 2 :1型型 單位晶胞化學式：單位晶胞化學式： K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O (2) 非膨脹性非膨脹性 晶層之間吸附的晶層之間吸附的K+的強吸附力，的強吸附力，層間距層間距1.0nm (3) 電荷數(shù)量大電荷數(shù)量大 同晶替代現(xiàn)象普遍，同晶替代現(xiàn)象普遍，主要發(fā)生在硅片，電荷量較大，但部分被層間主要發(fā)生在硅片，電荷量較大，但部分被層間 K+中和，有效電荷量少于蒙脫石中和，有效電荷量少于蒙脫石 (4) 可塑性等性質(zhì)介于高嶺組和蒙脫組之間?？伤苄缘刃再|(zhì)介于高嶺組和蒙脫組之間。 伊利石主要存在于我國北方干旱地區(qū)

18、土壤中伊利石主要存在于我國北方干旱地區(qū)土壤中 C、水化云母組黏粒礦物（、水化云母組黏粒礦物（2：1型礦物）型礦物） v主要是水化程度不等的各種鐵、鋁的氧化物及硅主要是水化程度不等的各種鐵、鋁的氧化物及硅 的水化氧化物。的水化氧化物。 v其非晶質(zhì)無定形的物質(zhì)，一般呈膠膜的形式，包其非晶質(zhì)無定形的物質(zhì)，一般呈膠膜的形式，包 被于土粒的表面。在轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y晶態(tài)的過程中，可被于土粒的表面。在轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y晶態(tài)的過程中，可 起到強韌的膠結作用起到強韌的膠結作用,形成堅硬的結構體。形成堅硬的結構體。 v含水氧化物一般對陽離子的吸附力弱，保肥力低，含水氧化物一般對陽離子的吸附力弱，保肥力低， 鐵鋁氧化物對磷的固定能力

19、很強。鐵鋁氧化物對磷的固定能力很強。 2.含水鐵、鋁氧化物含水鐵、鋁氧化物 （二）有機膠體：（二）有機膠體：土壤中的有機物，尤其是腐殖土壤中的有機物，尤其是腐殖 質(zhì)，是土壤中含有的一類分子量大，結構復雜的質(zhì)，是土壤中含有的一類分子量大，結構復雜的 高分子化合物，具有明顯的膠體性質(zhì)。高分子化合物，具有明顯的膠體性質(zhì)。 由于由于腐殖質(zhì)分子量大，所含功能團多，因而解離腐殖質(zhì)分子量大，所含功能團多，因而解離 后所帶電量也大，一般多帶負電，對土壤膠體電后所帶電量也大，一般多帶負電，對土壤膠體電 荷影響很大。荷影響很大。 這類膠體穩(wěn)定性比礦質(zhì)膠體低，易被微生物分解這類膠體穩(wěn)定性比礦質(zhì)膠體低，易被微生物分解

20、 ， 因而要經(jīng)常施用有機肥來補充。因而要經(jīng)常施用有機肥來補充。 有機有機-無機膠體：土壤中的有機和無機膠體通過無機膠體：土壤中的有機和無機膠體通過 物理、化學和物理化學的作用，相互結合在一起物理、化學和物理化學的作用，相互結合在一起 形成有機形成有機-無機復合體。無機復合體。 通過鈣離子、鋁離子或鐵離子為鍵橋?qū)⒍哌B接通過鈣離子、鋁離子或鐵離子為鍵橋?qū)⒍哌B接 起來。起來。 Si-O-Ca-OOC Si-O-Ca-OOC COO - Ca- O- Si COO - Ca- O- Si R 同晶置換：同晶置換：指在成土過程中，硅酸鹽礦物中指在成土過程中，硅酸鹽礦物中 的硅氧片或水鋁片中的的硅氧片

21、或水鋁片中的配位中心離子配位中心離子被被大小相大小相 近而電荷符號相同的離子近而電荷符號相同的離子所取代，但其所取代，但其晶層結晶層結 構未變構未變的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 如硅氧片中的如硅氧片中的Si4+ 被被Al3+所取代，水鋁片所取代，水鋁片 中的中的Al3+ 被被Mg2+、 、Fe2+所取代 所取代，而使，而使晶層產(chǎn)生剩晶層產(chǎn)生剩 余負電荷余負電荷。 四、土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因四、土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因 同晶替代均為負電荷，也稱為永久負電荷， 這種負電荷的數(shù)量決定于晶層中同晶替代 的多少，而不受介質(zhì)PH值的影響。 對2：1型黏土礦物而言，由同晶替代產(chǎn)生 的負電荷是其帶電的主要原因，而1：1型

22、礦物中很少發(fā)生。 所以2：1型黏土礦物如蒙脫石帶有較多的 永久負電荷，而高嶺石中的永久負電荷低 得多。 斷鍵斷鍵 硅酸鹽粘土礦物在硅酸鹽粘土礦物在風化風化破碎時，引起破碎時，引起晶層斷晶層斷 裂，裂，使使硅氧片和水鋁片的斷裂邊角上出現(xiàn)電性未硅氧片和水鋁片的斷裂邊角上出現(xiàn)電性未 中和的鍵中和的鍵，如，如SiO-,AlO-。 土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因 Al Al O -OH 一般認為斷鍵是引起高嶺石帶電的主一般認為斷鍵是引起高嶺石帶電的主 要原因，對要原因，對2：1型礦物也有一定的型礦物也有一定的 重要性。重要性。 腐殖質(zhì)膠體也常發(fā)生碳鍵斷裂腐殖質(zhì)膠體也常發(fā)生碳鍵斷裂， 從而產(chǎn)

23、生剩余負電荷，這也是引起從而產(chǎn)生剩余負電荷，這也是引起 腐殖質(zhì)膠體帶電的原因。腐殖質(zhì)膠體帶電的原因。 表面分子的解離：表面分子的解離：指指土壤膠體上的一些基團，土壤膠體上的一些基團，如如 粘粒礦物晶格表面的粘粒礦物晶格表面的OH基，腐殖酸分子的酸性含基，腐殖酸分子的酸性含 氧基團和羧基、以及粘粒中的無定形膠體隨介質(zhì)氧基團和羧基、以及粘粒中的無定形膠體隨介質(zhì) pH值的改變，值的改變，解離出解離出H+， ，使膠體表面帶負電荷。 使膠體表面帶負電荷。 是大多數(shù)土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因是大多數(shù)土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因。 表面分子解離產(chǎn)生的電荷數(shù)量和電荷符號，受表面分子解離產(chǎn)生的電荷數(shù)量和電荷符號，受 介質(zhì)

24、介質(zhì)pH的影響。的影響。 土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因 膠體表面從介質(zhì)中吸附離子（質(zhì)子化）膠體表面從介質(zhì)中吸附離子（質(zhì)子化）：如：如 鐵鋁氫氧化物在低于其等電點的介質(zhì)中，吸附鐵鋁氫氧化物在低于其等電點的介質(zhì)中，吸附 H+而帶正電；腐殖質(zhì)上而帶正電；腐殖質(zhì)上-NH2的質(zhì)子化等；的質(zhì)子化等； 土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因土壤膠體產(chǎn)生電荷的原因 根據(jù)電荷產(chǎn)生原因的不同，把土壤膠體電荷分為：根據(jù)電荷產(chǎn)生原因的不同，把土壤膠體電荷分為： 永久電荷：永久電荷：不隨土壤環(huán)境的不隨土壤環(huán)境的pH值改變而變化的電荷。值改變而變化的電荷。 如因同晶置換而產(chǎn)生的電荷。如因同晶置換而產(chǎn)生的電荷。 可變電荷：

25、可變電荷：隨介質(zhì)隨介質(zhì)pH值的改變而變化的電荷，如因斷值的改變而變化的電荷，如因斷 鍵、基團解離、質(zhì)子化等原因而產(chǎn)生的鍵、基團解離、質(zhì)子化等原因而產(chǎn)生的電荷。電荷。 相關概念：相關概念： 土壤膠體的永久電荷是負電荷，可變電荷 則隨介質(zhì)PH的變化而變化。 中國北方土壤中，礦質(zhì)膠體多為2：1型黏 土礦物，永久電荷量大，且PH值較高，可 變電荷也多為負電荷，腐殖質(zhì)膠體的負電 荷量也很大，因而土壤膠體帶的負電荷量 大。 在南方土壤中，礦質(zhì)膠體多為1：1型黏土 礦物，永久電荷量小，且PH值低，可變電 荷的負電荷量較少，所以表現(xiàn)出北方的土 壤保肥力比南方強。 （二）（二） 土壤的陽離子交換作用土壤的陽離子

26、交換作用 陽離子交換作用：陽離子交換作用：土壤中普遍存在的一種膠體現(xiàn)象，是土壤中普遍存在的一種膠體現(xiàn)象，是 土壤能保存養(yǎng)分并且向植物提供養(yǎng)分的主要原因。土壤能保存養(yǎng)分并且向植物提供養(yǎng)分的主要原因。 土壤膠體一般帶負電，能吸附土壤溶液中的陽離土壤膠體一般帶負電，能吸附土壤溶液中的陽離 子于膠體的周圍，叫做子于膠體的周圍，叫做離子吸附離子吸附； 這些被吸附的陽離子在一定條件下可以和土壤溶這些被吸附的陽離子在一定條件下可以和土壤溶 液中的陽離子互相交換，從膠體表面進入溶液，液中的陽離子互相交換，從膠體表面進入溶液， 叫做叫做解吸解吸。 這種通過吸附和解吸，引起離子位置相互交換的這種通過吸附和解吸，引

27、起離子位置相互交換的 作用叫作用叫陽離子交換作用陽離子交換作用。被吸附的陽離子稱為交。被吸附的陽離子稱為交 換性陽離子。換性陽離子。 包含兩個同時進行的過程：包含兩個同時進行的過程： 離子吸附：離子吸附：溶液中的離子被吸附到膠體表溶液中的離子被吸附到膠體表 面上。面上。 離子解吸附：離子解吸附：膠體表面的離子脫離膠體進膠體表面的離子脫離膠體進 入溶液。入溶液。 1.陽離子交換作用的基本特征陽離子交換作用的基本特征 可逆反應（吸收與交換是可逆的）：可逆反應（吸收與交換是可逆的）： 這對植物營養(yǎng)的供應有重要的意義。當植物這對植物營養(yǎng)的供應有重要的意義。當植物 從土壤溶液中吸收了陽離子后，膠體上的交

28、換性從土壤溶液中吸收了陽離子后，膠體上的交換性 陽離子會迅速補給到土壤溶液中。陽離子會迅速補給到土壤溶液中。 等當量進行：等當量進行：以離子價為依據(jù)的等當量交換。以離子價為依據(jù)的等當量交換。 土壤膠體土壤膠體 NH4+ NH4+ H+ Mg2+ H+2K+ + 3Ca2+土壤膠體土壤膠體 Ca2+ Mg2+ Ca2+Ca2+ 2K+ + 2NH4+ + 2H+ 2個個NH4+代換一個代換一個Ca2+，一個二價的，一個二價的Ca2+可交可交 換換2個個H+ 。 受質(zhì)量作用定律的支配：受質(zhì)量作用定律的支配：離子價數(shù)低、交換能離子價數(shù)低、交換能 力較弱的陽離子，如提高濃度則可交換離子價數(shù)力較弱的陽離

29、子，如提高濃度則可交換離子價數(shù) 高、交換能力較強的陽離子。高、交換能力較強的陽離子。 交換過程迅速。交換過程迅速。 2. 陽離子交換能力陽離子交換能力 陽離子交換能力陽離子交換能力:一種陽離子將膠體上另一種陽離一種陽離子將膠體上另一種陽離 子交換出來的能力子交換出來的能力. Fe3+Al3+ H+ Ca2+Mg2+NH4+K+Na+ 影響陽離子交換能力的因素影響陽離子交換能力的因素 1) 電荷價的多少電荷價的多少: 根據(jù)庫侖定律根據(jù)庫侖定律,離子的電價越高離子的電價越高,膠體對其吸膠體對其吸 附能力越強附能力越強,也可以說也可以說,膠體上吸著的陽離子價膠體上吸著的陽離子價 數(shù)越低數(shù)越低,越容易

30、被交換下來越容易被交換下來,M3+ M2+ M+ ; 2）離子半徑及水化程度：）離子半徑及水化程度： 同價離子，離子半同價離子，離子半 徑越大，單位面積上所帶的電荷越少徑越大，單位面積上所帶的電荷越少,對水的對水的 吸引力越小吸引力越小,水化程度越弱，較易接近膠體水化程度越弱，較易接近膠體,有有 較強的交換能力，如較強的交換能力，如K+ Na+ 。 H+的交換能力比的交換能力比2價的價的Ca2+、Mg2+ 大，就是因為大，就是因為H+水化較弱，水化水化較弱，水化 半徑小，容易被膠體吸附。半徑小，容易被膠體吸附。 例如在高溫多雨的地區(qū)，土壤往往吸例如在高溫多雨的地區(qū)，土壤往往吸 附附H+較多，把

31、較多，把Ca2+交換出來，使交換出來，使 之淋溶，使土壤向酸性方向發(fā)展之淋溶，使土壤向酸性方向發(fā)展 離子濃度：陽離子交換作用受質(zhì)量作用離子濃度：陽離子交換作用受質(zhì)量作用 定律支配。交換力弱的離子如果濃度足定律支配。交換力弱的離子如果濃度足 夠大，也可以交換吸著力很強而濃度小夠大，也可以交換吸著力很強而濃度小 的離子。的離子。 例如通過施用石灰可增加例如通過施用石灰可增加Ca2+的濃度，的濃度， 達到改良土壤酸性的目的。達到改良土壤酸性的目的。 （三）衡量土壤保肥能力強弱的重要指標（三）衡量土壤保肥能力強弱的重要指標 陽離子交換量（陽離子交換量（CEC） 概念：是指在一定概念：是指在一定pHpH

32、值條件下，每千克干土所能吸附的值條件下，每千克干土所能吸附的 全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)。全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)。 陽離子交換量的大小，基本上反映了土壤保持養(yǎng)分的能陽離子交換量的大小，基本上反映了土壤保持養(yǎng)分的能 力。力。 CEC （Cmol/kg） 10 1020 20 保肥力弱保肥力弱 中等強中等強 （1）土壤質(zhì)地；）土壤質(zhì)地； 質(zhì)地越粘重，含粘粒越多，交換量越大。質(zhì)地越粘重，含粘粒越多，交換量越大。 砂土的砂土的CEC為為1-5 Cmol/kg，黏土，黏土CEC為為25-30 Cmol/kg 影響影響CEC的因素：的因素： （2）有機膠體含量； 有機膠體如腐殖質(zhì)，由于分子量大，功能

33、團多，解離后所帶電量也多，而且有機膠 體分散度高，具有較大的吸收表面，所以 CEC交換量遠遠大于無機膠體。 （3）無機膠體種類 含2：1型黏土礦物較多的土壤，CEC較大， 而含高嶺石較多的土壤CEC較小。 （4）土壤PH值 PH值是影響可變電荷的重要因素，土壤PH 的改變會導致土壤CEC的變化。 隨土壤PH升高。土壤可變電荷提高，CEC加 大。 我國北方的土壤含有機及無機膠體一般較 多，所含黏土礦物以蒙脫石和水化云母為 主，又多呈中性至微堿性反應，所以CEC大， 保肥力強，一般CEC為20 Cmol/kgCmol/kg以上。以上。 黑龍江的黑鈣土，黑龍江的黑鈣土，CEC甚至達到甚至達到50 C

34、mol/kg50 Cmol/kg以上。以上。 南方紅壤含有機膠體較少，南方紅壤含有機膠體較少，黏土礦物以高嶺石 及含水氧化物為主，又多呈酸性反應，所 以CEC小，保肥力弱，一般CEC為10 Cmol/kgCmol/kg以下。以下。 土壤膠體上吸附的陽離子可分為兩類：土壤膠體上吸附的陽離子可分為兩類： 鹽基離子：鹽基離子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等；等； 致酸離子：致酸離子：H+、Al3+； （四）鹽基飽和度（四）鹽基飽和度 土壤的鹽基飽和度：土壤中交換性鹽基離子總量占陽離土壤的鹽基飽和度：土壤中交換性鹽基離子總量占陽離 子交換量的子交換量的 百分數(shù)。百分數(shù)。 相關概念：相關概

35、念： 克土）量陽離子交換量（毫克當 克土）當量交換性鹽基總量（毫克 鹽基飽和度 100/ 100/ 100% 當土壤膠體上吸附的陽離子全部都是鹽基離子時，當土壤膠體上吸附的陽離子全部都是鹽基離子時， 土壤呈鹽基飽和狀態(tài)，稱為土壤呈鹽基飽和狀態(tài)，稱為鹽基飽和土壤。鹽基飽和土壤。 當土壤膠體上吸附的陽離子僅部分是鹽基離子，當土壤膠體上吸附的陽離子僅部分是鹽基離子， 而其余部分為致酸離子時，該土壤呈鹽基不飽而其余部分為致酸離子時，該土壤呈鹽基不飽 和狀態(tài)，稱為和狀態(tài)，稱為鹽基不飽和土壤。鹽基不飽和土壤。 鹽基飽和度與土壤的酸堿性密切相關。鹽基飽鹽基飽和度與土壤的酸堿性密切相關。鹽基飽 和度基本上決定

36、著土壤的酸堿性。和度基本上決定著土壤的酸堿性。 一般而言，鹽基飽和度大的土壤呈中性一般而言，鹽基飽和度大的土壤呈中性 或堿性；飽和度小的土壤呈酸性?；驂A性；飽和度小的土壤呈酸性。 在我國干旱、半干旱地區(qū)，土壤的鹽 基飽和度大，土壤PH值也較高； 在多雨濕潤的南方地區(qū)，土壤的鹽基 飽和度小，土壤PH值也較低； 從北向南，鹽基飽和度逐漸降低。 （五）土壤對陽離子的非交換性吸收 指陽離子的固定作用，主要由于指陽離子的固定作用，主要由于2：1型黏土礦物的層型黏土礦物的層 間固定所引起。間固定所引起。 1.1.非交換性吸收的陽離子種類 土壤固定的陽離子種類主要與離子半徑有關。土壤固定的陽離子種類主要與離

37、子半徑有關。 土壤中常見的土壤中常見的NH4+ (0.143nm)和和K+ （ 0.133nm） 的的 離子半徑與硅氧片中六個硅氧四面體聯(lián)成的六角型離子半徑與硅氧片中六個硅氧四面體聯(lián)成的六角型 網(wǎng)穴半徑（網(wǎng)穴半徑（ 0.14nm）相接近，原來吸附在晶層表）相接近，原來吸附在晶層表 面的可被交換的面的可被交換的K+和和NH4+ ，當粘粒礦物脫水收縮，當粘粒礦物脫水收縮 時，晶層表面所吸附的時，晶層表面所吸附的K+和和NH4+極易陷入上述網(wǎng)穴極易陷入上述網(wǎng)穴 中而成為非交換性陽離子，使其有效性降低。中而成為非交換性陽離子，使其有效性降低。 2.非交換性吸收陽離子的釋放 被晶層所固定的陽離子（ K+

38、和和NH4+ ），一般），一般 很難被其它陽離子交換出來供作物吸收利用，很難被其它陽離子交換出來供作物吸收利用， 特別是那些在黏土礦物形成時便被固定的陽特別是那些在黏土礦物形成時便被固定的陽 離子，只有經(jīng)過風化作用，晶體結構受到破離子，只有經(jīng)過風化作用，晶體結構受到破 壞時才能釋放出來。壞時才能釋放出來。 三、交換性陽離子的有效度三、交換性陽離子的有效度 一般來說，土壤膠體吸著的陽離子對植物是有效的。一般來說，土壤膠體吸著的陽離子對植物是有效的。 交換性陽離子對植物的有效性如何，在很大程 度上取決于他們從膠體上交換下來的難易程度， 交換難易程度受以下因素的影響： （1）交換性陽離子的飽和度）交

39、換性陽離子的飽和度 概念：指土壤中某種交換性陽離子的數(shù)量占概念：指土壤中某種交換性陽離子的數(shù)量占CEC的百分數(shù)。的百分數(shù)。 離子的飽和度愈高，被交換解吸的機會愈多，有離子的飽和度愈高，被交換解吸的機會愈多，有效度愈高；效度愈高； 影響交換性陽離子有效度的因素：影響交換性陽離子有效度的因素： 土壤土壤CECCmol(+)/kg交換性鈣交換性鈣Cmol(+)/kg飽和度飽和度(%) A8675 B301033 土壤陽離子交換與離子飽和度土壤陽離子交換與離子飽和度 在生產(chǎn)上的應用：在生產(chǎn)上的應用： 要使有限的肥料在短期內(nèi)發(fā)揮較大的效果，則因使要使有限的肥料在短期內(nèi)發(fā)揮較大的效果，則因使 肥料相對集中

40、在根系施用肥料相對集中在根系施用（如條施或穴施），而（如條施或穴施），而不宜分不宜分 散撒施散撒施，使局部土壤中該離子的濃度提高，飽和度增大，使局部土壤中該離子的濃度提高，飽和度增大， 提高肥效。提高肥效。 相同數(shù)量的化肥，砂土上的肥效見效快，而粘土見相同數(shù)量的化肥，砂土上的肥效見效快，而粘土見 效慢。效慢。原因就在于該養(yǎng)分離子的有效度砂土大于粘土。原因就在于該養(yǎng)分離子的有效度砂土大于粘土。 （2）土壤中的互補離子效應）土壤中的互補離子效應 在土壤膠體上同時吸附著多種陽離子，對其在土壤膠體上同時吸附著多種陽離子，對其 中某種離子來說，其余的各種陽離子都稱為它的中某種離子來說，其余的各種陽離子都

41、稱為它的 互補離子?；パa離子。 土壤膠體土壤膠體 NH4+ NH4+ H+ Mg2+ H+2K+ 互補離子不同，對某一指定互補離子不同，對某一指定 離子的有效度也不同。離子的有效度也不同。 互補離子與土壤膠體之間的互補離子與土壤膠體之間的 吸附力愈大，與之共存的陽離子吸附力愈大，與之共存的陽離子 愈易解吸，有效性愈高。愈易解吸，有效性愈高。 對吸附性K+來說,當互補離子為Ca+時, 有效性比互補離子為Na+時要高,但對 Ca+來說,由于互補離子為K+,有效性降 低. （3）粘土礦物類型的影響）粘土礦物類型的影響 不同類型的粘粒礦物，由于晶體構造特點不同類型的粘粒礦物，由于晶體構造特點 不同，吸

42、附陽離子的位置各不相同，釋放的難易不同，吸附陽離子的位置各不相同，釋放的難易 也不同。也不同。 在在離子飽和度相同離子飽和度相同的情況下，的情況下，蒙脫石蒙脫石吸附的鈣吸附的鈣 的的有效度低于有效度低于高嶺石高嶺石，原因在于蒙脫石吸鈣是，原因在于蒙脫石吸鈣是 在晶層間，高嶺石則在表面。在晶層間，高嶺石則在表面。 Al Si Al Mg2+替代替代Al3+ 富含高嶺石類黏土礦物的土壤上施肥，見效較快。富含高嶺石類黏土礦物的土壤上施肥，見效較快。 四、土壤對陰離子的吸收與交換四、土壤對陰離子的吸收與交換 陰離子交換作用：陰離子交換作用：土壤中帶正電荷的膠體所吸附的陰離土壤中帶正電荷的膠體所吸附的陰

43、離 子與土壤溶液中的陰離子相互交換的作用。子與土壤溶液中的陰離子相互交換的作用。 特點：特點： （1）屬靜電吸附，發(fā)生在雙電層外層，易解吸。）屬靜電吸附，發(fā)生在雙電層外層，易解吸。 （2）受質(zhì)量作用定律支配：）受質(zhì)量作用定律支配：離子價數(shù)低、交換能力較弱離子價數(shù)低、交換能力較弱 的陰離子，如提高濃度則可交換離子價數(shù)高、交換能力的陰離子，如提高濃度則可交換離子價數(shù)高、交換能力 較強的陰離子。較強的陰離子。 （3）無明顯的等當量關系）無明顯的等當量關系，原因在于陰離子吸附往往與，原因在于陰離子吸附往往與 化學固定作用相伴生。如化學固定作用相伴生。如FePO4、Ca3(PO4)2沉淀等。沉淀等。 7

44、.4.3 土壤的陰離子交換作用土壤的陰離子交換作用 陰離子吸附類型：陰離子吸附類型： （1）易被吸附的陰離子：如）易被吸附的陰離子：如H2 PO4-、 HPO42-和和PO43-、 HSiO3- 以及以及某些有機酸的陰離子某些有機酸的陰離子等。等。 （2）很少或根本不被吸附的陰離子：如）很少或根本不被吸附的陰離子：如Cl -、NO3-等，易等，易 流失。流失。 （3）介于上述兩者之間的陰離子）介于上述兩者之間的陰離子：如：如SO4 2- 、 HCO3- 等。等。 離子交換對土壤肥力的影響離子交換對土壤肥力的影響 影響土壤的保肥性：影響土壤的保肥性： 黏性土吸收能力強，可以一次多施，砂性黏性土吸

45、收能力強，可以一次多施，砂性 土，吸收能力弱，應少量多次；土，吸收能力弱，應少量多次； 影響土壤的酸堿性：影響土壤的酸堿性： 氫離子和鋁離子較多的鹽基不飽和土壤氫離子和鋁離子較多的鹽基不飽和土壤 呈酸性，而鹽基飽和土壤則呈中性或堿呈酸性，而鹽基飽和土壤則呈中性或堿 性。性。 影響土壤的物理性質(zhì)：影響土壤的物理性質(zhì)： 土壤膠體的聚散特性受土壤膠體上的陽土壤膠體的聚散特性受土壤膠體上的陽 離子影響很大，從而影響土壤的結構性、離子影響很大，從而影響土壤的結構性、 耕性等。耕性等。 第三節(jié)第三節(jié) 土壤的酸堿性土壤的酸堿性 土壤酸性的概念：當土壤溶液中土壤酸性的概念：當土壤溶液中H+濃度大于濃度大于 O

46、H-時，土壤呈酸性反應；時，土壤呈酸性反應； H+濃度小于濃度小于OH- 時，呈堿性反應，兩者相等時則為中性反應。時，呈堿性反應，兩者相等時則為中性反應。 一、土壤酸堿性產(chǎn)生的原因一、土壤酸堿性產(chǎn)生的原因 （一）氣候因素（一）氣候因素 它決定成土過程的淋溶強度。它決定成土過程的淋溶強度。 氣溫高、降雨量大的氣候條件，母質(zhì)、土壤中的氣溫高、降雨量大的氣候條件，母質(zhì)、土壤中的 鹽基成分易于遭受淋失，使土壤逐漸酸化。鹽基成分易于遭受淋失，使土壤逐漸酸化。 反之，干旱氣候，降雨量遠遠低于蒸發(fā)量，鹽基反之，干旱氣候，降雨量遠遠低于蒸發(fā)量，鹽基 成分積累于土壤及地下水，使土壤向堿化方向演成分積累于土壤及地

47、下水，使土壤向堿化方向演 化。即化。即“南酸北堿南酸北堿”。 （二）母質(zhì)因素（二）母質(zhì)因素 母質(zhì)的組成性質(zhì)對土壤酸母質(zhì)的組成性質(zhì)對土壤酸 堿度具有深刻的影響。如酸性巖上發(fā)育的堿度具有深刻的影響。如酸性巖上發(fā)育的 土壤容易向酸性發(fā)展，而基性巖相反。土壤容易向酸性發(fā)展，而基性巖相反。 （三）生物因素（三）生物因素 生物產(chǎn)生的生物產(chǎn)生的CO2溶于水產(chǎn)溶于水產(chǎn) 生的生的H+對于土壤酸化有重要作用。另外植對于土壤酸化有重要作用。另外植 被不同，殘體成分不同，影響土壤酸堿性。被不同，殘體成分不同，影響土壤酸堿性。 （四）施肥和灌溉的影響（四）施肥和灌溉的影響 1.酸性肥（酸性肥（NH4）2SO4、 KCl

48、長期使用造長期使用造 成土壤酸化等。成土壤酸化等。 2.肥料本身含有酸性物質(zhì)，如普鈣中含有一肥料本身含有酸性物質(zhì)，如普鈣中含有一 定量的硫酸。定量的硫酸。 3.灌溉水本身酸性大時也會也會使土壤酸性灌溉水本身酸性大時也會也會使土壤酸性 增大。增大。 （五）土壤中鋁的活化 土壤發(fā)生淋溶作用以后，鹽基離子減少，土壤膠 體的負電荷點便逐漸被H+所占據(jù)，土壤鹽基飽和 度逐漸降低，氫飽和度逐漸提高，當土壤膠體上 吸附的氫離子飽和度達到一定程度時，晶架結構 解體，鋁氧八面體解體，鋁離子釋放出來成為活 性鋁，被膠體吸附稱為潛性酸。 指土壤溶液中游離的指土壤溶液中游離的H 所直 所直 接顯示的酸度。接顯示的酸度

49、。 它是土壤酸度的活度指標，通常用它是土壤酸度的活度指標，通常用pH值表值表 示。示。 一般用水浸出液加指示劑來測定。一般用水浸出液加指示劑來測定。 指土壤膠體上吸附著的指土壤膠體上吸附著的H 和 和 Al3 所引起的酸度。 所引起的酸度。 它是土壤酸度的它是土壤酸度的容量指標容量指標。一般情況下它。一般情況下它 不顯示出來，只有當被吸附的不顯示出來，只有當被吸附的H 和 和Al3 被 被 交換到溶液中后才顯示，所以稱為交換到溶液中后才顯示，所以稱為潛性酸潛性酸 度，度，通常用通常用1000g烘干土中烘干土中H 的厘摩爾數(shù) 的厘摩爾數(shù) 來表示。來表示。 由于吸附在土壤膠體表面的由于吸附在土壤膠體表面的H 和 和Al3 所處的 所處的 位置不同位置不同,它們被交換到溶液中的難易程度也它們被交換到溶液中的難易程度也 不相同不相同,不同的提取劑可得到不同的潛在酸度不同的提取劑可得到不同的潛在酸度. 用中性鹽溶液用中性鹽溶液1mol/L的的KCl(pH7.0)浸提土壤，浸提土壤， 將膠體上吸附的致酸離子將膠體上吸附的致酸離子(H 和 和Al3 )代換到 代換到 土壤溶液中土壤溶液中,浸出液中浸出液中H 及由 及由