土壤膠體和土壤離子交換

土壤膠體和土壤離子交換第一頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二土壤膠體的構(gòu)造和性質(zhì)土壤膠體的類型土壤陽(yáng)離子交換作用土壤陰離子交換作用內(nèi)容提要第二頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二膠體的概念膠體是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，是一種分散體系。一種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中所形成的體系，稱為分散體系或分散系。

根據(jù)分散體系中被分散的物質(zhì)（分散相）的大小，可把分散系分為：粗分散系、膠體分散系和分子、離子分散系。何為分散體系？第三頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

一般把分散相顆粒直徑（非球顆粒則指長(zhǎng)、寬、高三向中一個(gè)方向的長(zhǎng)度）在1-100納米范圍內(nèi)的分散系稱膠體分散系。其顆粒大小介于粗分散系和分子、離子分散系之間。膠體分散系第四頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二第一節(jié)土壤膠體的構(gòu)造和性質(zhì)第六頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、土壤膠體的概念

顆粒直徑（非球形顆粒則指其長(zhǎng)、寬、高三向中一個(gè)方向的長(zhǎng)度）在1~100nm范圍內(nèi)的帶電的土壤顆粒與土壤水組成的分散系。注：通常情況下，直徑小于2μm（或1μm）的土粒便具有膠體的性質(zhì)，因而被視為土壤膠體顆粒。土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第七頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、土壤膠體的構(gòu)造膠核雙電層決定電位離子層補(bǔ)償離子層非活性補(bǔ)償離子層擴(kuò)散層膠粒膠團(tuán)_+___+++++++土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第八頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二土壤膠體構(gòu)造示意圖土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第九頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

這是膠體的固體部分,土壤中膠核一般由含水SiO2,Fe2O3,Al2O3、次生鋁硅酸鹽、腐殖質(zhì)或蛋白質(zhì)等分子團(tuán)分子組成。(一)膠核土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二由于內(nèi)層電荷的靜電引力的作用,吸附土壤溶液中相反的離子而形成的:非活性離子層和擴(kuò)散層（發(fā)生離子交換）。

(二)雙電層1、決定電位離子層(內(nèi)層)是固定在膠核表面,并決定其電荷和電位的一層離子。2、補(bǔ)償離子層(外層)土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十一頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二注意：把土壤膠粒完全理解為球形構(gòu)造，顯然是錯(cuò)誤的?，F(xiàn)代土壤學(xué)的研究說(shuō)明，只有土壤有機(jī)膠粒，或無(wú)定形的氫氧化鐵、氫氧化鋁、含水氧化硅和水鋁英石等礦質(zhì)膠粒可以認(rèn)為近似圓球形構(gòu)造。而土壤中大多數(shù)礦質(zhì)膠粒，例如層狀硅酸鹽類粘土礦物通過(guò)X-射線和電子顯微鏡的研究，已經(jīng)明確是層狀構(gòu)造.土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十二頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二層狀黏土礦物膠體的構(gòu)造示意圖土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十三頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、土壤膠體的性質(zhì)1.巨大的比表面積和表面能

單位質(zhì)量或體積物體的總表面積稱為比表面積或比面，單位為cm2·g-1或cm2·cm-3。物體分割得愈細(xì)小，單體數(shù)愈多，總面積愈大，比面也愈大。土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十四頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二1cm3物質(zhì)表面積隨分散度變化的情況立方體邊長(zhǎng)（cm）立方體數(shù)目總表面積比表面積（cm2·cm-3）116cm260.110360cm26×100.01106600cm26×1020.0011096000cm26×1030.000110126m26×1040.00001101560m26×1050.0000011018600m26×1060.000000110216000m26×107土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十五頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二各粒徑土粒的比面土粒（粒徑mm）比表面積（cm2·g-1）土粒（粒徑mm）比表面積（cm2·g-1）粗砂粒（1）22.6粘粒（0.0005）500nm45,200中砂粒（0.1）226膠粒（0.0001）100nm226,000細(xì)砂粒（0.01）2,260膠粒（0.00005）50nm452,000粘粒（0.001）22,600膠粒（0.00001）10nm2,260,000很顯然,土粒越細(xì)比表面越大,土壤中顆粒的形狀多種多樣.只有砂粒近似球形,但其表面大多不平,大部分粘粒多為片狀,棒狀,針狀,實(shí)際上膠體的表面積比光滑的球體大得多。由于土壤膠體具有巨大表面積，從而具有巨大的表面能。土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十六頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

2.土壤膠體的帶電性

由于膠體表面的分子解離或吸附溶液中的離子,使膠粒帶電.土壤中所有膠粒都是帶電的（膠體的基本條件），這是土壤產(chǎn)生離子吸附和交換、離子擴(kuò)散、酸堿平衡、氧化還原反應(yīng)以及膠體的分散與絮凝等現(xiàn)象的根本原因，而這些反應(yīng)都直接或間接關(guān)系到土壤的水、肥、氣、熱性質(zhì)。因此，土壤膠體的帶電性對(duì)土壤肥力性質(zhì)有重要影響。土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十七頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二(1)同晶異質(zhì)代換作用

層狀鋁硅酸鹽粘土礦物在形成時(shí)，中心離子可以被其它相近或稍大的同性離子代換而產(chǎn)生電荷，但礦物的結(jié)晶構(gòu)造型式不變。如Al3+代Si4+或Fe2+代Al3+等,這樣晶體中就產(chǎn)生了剩余負(fù)電荷,這種電荷一旦產(chǎn)生,就不能改變,故稱永久電荷。土壤膠體電荷的來(lái)源指組成礦物的中心離子被電性相同、大小相近的離子替代而晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十八頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二四面體中的硅可被鋁代換

Si4+Al3+八面體中的鋁可被鐵、鎂代換Al3+Fe2+或Mg2+土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第十九頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二(2)晶格破碎邊緣的斷鍵

在礦物風(fēng)化破碎的過(guò)程中，晶體晶格邊緣的離子有一部分電荷未得到中和，而產(chǎn)生剩余價(jià)鍵，使晶層帶電。例如晶格在硅層或鋁層截面上斷裂，Si—O—Si，Al—O—Al在斷裂后，斷面上留下Si—O-、Al—O-，從而帶負(fù)電。土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二(3)膠體表面分子的解離

膠核表面的分子或原子團(tuán)的解離,這種電荷的數(shù)量和性質(zhì)隨介質(zhì)的pH而改變,故稱可變電荷。黏土礦物晶面上-OH的解離含水鐵、鋁氧化物的解離（Al2O3·3H2O)腐殖質(zhì)上某些官能團(tuán)的解離（如-COOH）含水氧化硅的解離來(lái)源土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十一頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二結(jié)晶的粘土礦物大部分表面都裸露著—OH原子團(tuán)，在一定條件下：當(dāng)H+解離后，則使膠核帶負(fù)電，如H2SiO3和層狀硅鋁酸鹽粘土礦物中解離H+后使膠核帶負(fù)電。當(dāng)OH-發(fā)生解離時(shí)，則膠核帶正電，如Fe(OH)3或Al(OH)3中的OH-解離后則帶正電。這種作用與普通酸堿解離相似，受溶液的pH影響，因此稱為可變電荷。a.黏土礦物晶面上-OH的解離土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十二頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二Al(OH)3+NaOHAl(OH)2O-+Na++H2O膠核中的分子帶負(fù)電荷的膠體核粒Al(OH)3+HClAl(OH)2++Cl-+H2O膠核中的分子帶正電荷的膠體核粒如Al（OH）3在堿性環(huán)境中的解離：如Al（OH）3在酸性環(huán)境中的解離：Fe(OH)3或Al(OH)3解離H+而成為帶負(fù)電的膠體，還是解離OH-而成為帶正電的膠體主要取決于溶液的pH值。土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十三頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二層狀硅酸鹽晶層上的-OH基可以解離出H+，帶負(fù)電:結(jié)晶體-OH-OH-OH結(jié)晶體-OH-OH-OH+3H+土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十四頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)土壤膠體解離陽(yáng)離子和陰離子數(shù)量相等，即膠體的正負(fù)電荷相等時(shí)，此時(shí)膠體懸液的pH值稱為等電點(diǎn)(isoelectricpoint)。在土壤pH5-8的條件下，大多數(shù)土壤膠體的等電點(diǎn)低于這個(gè)范圍，因此，對(duì)于土壤膠體來(lái)講，pH5-8相當(dāng)于在堿性環(huán)境下，此時(shí)，腐殖質(zhì)和鋁硅酸鹽等膠體都帶負(fù)電，表現(xiàn)為對(duì)陽(yáng)離子的吸附，只有Fe(OH)3和Al(OH)3帶正電，吸附陰離子。故土壤膠體在通常情況下以帶負(fù)電為主。土壤膠體為什么一般帶負(fù)電?土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十五頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

如三水鋁石的pH0值為4.8。

當(dāng)土壤pH低于pH0值時(shí):（相當(dāng)于酸性環(huán)境）Al2O3·3H2O2Al(OH)2++2OH-

當(dāng)土壤pH高于pH0值時(shí):（相當(dāng)于堿性環(huán)境）Al2O3·3H2O2Al(OH)2O-+2OH-b.含水氧化鐵、氧化鋁的解離土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十六頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

高pH條件下：-COOHH++COO--OHH++-O-

低pH條件下：-NH2-NH3+

c.腐殖質(zhì)上某些原子團(tuán)的解離土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十七頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二d.含水氧化硅的解離SiO2·H2O（或H2SiO3）的pH0值為2，在土壤中一般不產(chǎn)生正電荷，所帶負(fù)電荷的量隨土壤pH值的升高而增加。H2SiO3HSiO3-+H+

（帶正電）SiO3-+H+土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十八頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.土壤膠體的分散性和凝聚性

膠體的兩種狀態(tài)溶膠凝膠膠體微粒均勻分散在水中，呈高度分散狀態(tài)膠體微粒彼此聯(lián)結(jié)凝聚在一起而呈絮狀凝聚作用分散作用膠體的凝聚或分散決定于動(dòng)電電位的高低：越高，排斥力愈強(qiáng)，溶膠狀態(tài)。越低，當(dāng)吸引力大于排斥力時(shí)，凝膠狀態(tài)。土壤膠體由于大多帶有負(fù)電荷，相互具有負(fù)電位，而互相排斥，不易凝聚。土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第二十九頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二電解質(zhì)的濃度愈大，愈能有效地中和異電膠體的電性，愈能減小擴(kuò)散層厚度，使膠粒凝聚。電解質(zhì)中異電離子的價(jià)數(shù)愈高，聚沉能力愈大，三價(jià)離子大于二價(jià)離子，二價(jià)離子大于一價(jià)離子；同價(jià)離子中，凝聚力大小與本身半徑和水化半徑有關(guān)，凡離子本身半徑大或水化后半徑小的離子凝聚力大，相反則小。

電解質(zhì)陽(yáng)離子的凝聚力大小順序?yàn)椋?/p>

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+電解質(zhì)對(duì)膠體的凝聚作用受以下因素的影響：土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第三十頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二0.5μm粘土懸濁液開(kāi)始凝聚時(shí)的電解質(zhì)濃度電解質(zhì)名稱開(kāi)始凝聚時(shí)的濃度（mol·L-1）電解質(zhì)名稱開(kāi)始凝聚時(shí)的濃度（mol·L-1）NaCl0.0250~0.0125CaCl20.0006~0.00025NH4Cl0.0250~0.0125AlCl3<0.000042KCl0.0250~0.0125FeCl3<0.000042MgCl20.0006~0.00025HCl0.001~0.0005注：膠體的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可逆的。陽(yáng)離子這種凝聚作用的可逆和不可逆，與土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)，鈣離子和腐殖質(zhì)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)具有水穩(wěn)性，而鈉離子膠結(jié)的不具水穩(wěn)性。土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第三十一頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二凝聚作用強(qiáng)，利于膠體互相凝聚形成結(jié)構(gòu)（團(tuán)粒結(jié)構(gòu)）。農(nóng)業(yè)上促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成措施的理論解釋：土壤干燥、凍結(jié)過(guò)程中，水膜消失，也就加大了電解質(zhì)濃度，減小擴(kuò)散層厚度，使膠粒互相凝聚而形成結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)上曬垡、凍垡等措施也就起了這個(gè)作用，所以曬、凍垡有利于土壤形成結(jié)構(gòu)；相反，土壤水分過(guò)多，土壤溶液電解質(zhì)濃度相應(yīng)減小，擴(kuò)散層加厚，膠?；ハ嗯懦舛扇苣z狀。常年泡水的漚水田、爛泥田，土粒分散，缺少結(jié)構(gòu)，通氣性差，栽秧后易產(chǎn)生浮秧，就是因?yàn)槟z粒分散，土壤不沉實(shí)。這種情況下，施用石灰（CaO）、石膏（CaSO4），增加Ca2+濃度，對(duì)沉實(shí)土壤，改良土性，有明顯效果。在生產(chǎn)上的意義土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第三十二頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

由于膠體的巨大表面能，使其對(duì)周圍分子或離子有很強(qiáng)的吸附力，同樣膠體的電性使其擴(kuò)散層的離子與土壤溶液中的離子有交換能力。

4.土壤膠體的吸附性和交換能力土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第三十三頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二節(jié)土壤膠體的類型第三十四頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、無(wú)機(jī)膠體土壤膠體的類型含水氧化鐵含水氧化鋁含水氧化硅次生鋁硅酸鹽類（即粘土礦物）主要包括：第三十五頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二SiO2.H2O→H2SiO3帶負(fù)電H2SiO3→

H++HSiO3-→H++SiO32-1.含水氧化硅膠體：（游離態(tài)無(wú)定型）注：土壤反應(yīng)越偏堿性，硅酸的解離度也越大，所帶的負(fù)電荷也越多。土壤膠體的類型第三十六頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

此類膠體包括褐鐵礦（2Fe2O3?3H2O）、水赤鐵礦（3Fe2O3?H2O）、針鐵礦（Fe2O3?H2O）、水鋁礦（Al2O3?H2O）、三水鋁礦（Al2O3?3H2O）等晶質(zhì)礦物和氫氧化鐵[Fe(OH)3]、氫氧化鋁[Al(OH)3]等非晶質(zhì)礦物。這些礦物都是鋁硅酸鹽深度風(fēng)化的產(chǎn)物，均為兩性膠體。2.含水氧化鐵、鋁：（兩性膠體）土壤膠體的類型第三十七頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二Al(OH)3+H+→Al(OH)2++H2O（pH<5）+

OH-

↓Al(OH)2O-+H2O（pH>5）純凈的氫氧化鐵的等電點(diǎn)為pH7.1，氫氧化鋁等電點(diǎn)為pH8.1，所以它們?cè)诖蠖鄶?shù)酸性或中性土壤中都帶正電荷。土壤膠體的類型第三十八頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二其成分為水化的硅、鋁二三氧化物，簡(jiǎn)化的分子式為：xSiO2?yAl2O3?nH2O。水鋁英石的硅氧四面體中由Al3+置換Si4+可產(chǎn)生凈負(fù)電荷，同時(shí)表面有Al—OH、Si—OH。當(dāng)溶液堿性增加、pH增大時(shí)產(chǎn)生以下解離而帶負(fù)電：=Al-OHpH加大=Al-O-+H+

≡Si-OH≡Si-O-+H+因此，水鋁英石表面可吸附很多陽(yáng)離子，其表面積很大，陽(yáng)離子交換量可達(dá)154~210cmol(+)·kg-1。3.水鋁英石（非晶質(zhì)無(wú)定形的膠態(tài)）土壤膠體的類型第三十九頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.黏土礦物（次生層狀鋁硅酸鹽類）

大多是結(jié)晶層狀構(gòu)造，由硅氧片（由硅四面體連接而成）和水鋁片（由鋁八面體連接而成）迭合而成。水鋁片層面上氧離子的電價(jià)不飽和，可與氫離子結(jié)合成OH群，形成水鋁礦，或與硅氧片結(jié)合，共用氧離子，形成鋁硅酸鹽粘土礦物。根據(jù)其迭合情況的不同，可將粘土礦物分為不同類型。土壤膠體的類型第四十頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二①硅氧片、硅氧四面體

硅四面體可以共用氧原子而形成一層，氧原子排列成為中空的六角形，稱硅氧片或硅氧層。土壤膠體的類型第四十一頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二②鋁氧八面體

由六個(gè)氧原子（或氫離子）環(huán)繞著一個(gè)中心鋁離子排列而成，氧原子排列成兩層，鋁原子居于兩層中心孔穴內(nèi)，稱水鋁片。土壤膠體的類型第四十二頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

由一個(gè)硅氧片和一個(gè)水鋁片，通過(guò)共用硅氧頂端的氧原子連接起來(lái)的片狀晶格構(gòu)造。

(１)高嶺石（１：１型鋁硅酸鹽礦物）每個(gè)晶層的一面是OH離子組（水鋁片上的），另一面是O離子（硅氧片上的），因而疊加時(shí)晶層間可形成氫鍵，使各晶層之間緊密相連從而形成大顆粒，晶粒多呈六角形片狀。其分子結(jié)構(gòu)外形特征為ＯＨＯＨＯＨ.......ＯＨ頂層─────────────底層─────────────ＯＯＯ........Ｏ許多晶片相互重疊形成高嶺礦物

土壤膠體的類型第四十三頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

特點(diǎn)：晶層與晶層間距離穩(wěn)定，連接緊密，內(nèi)部空隙小，電荷量少，單位個(gè)體小，分散度低。多出現(xiàn)于酸性土壤。如高嶺石類。硅氧片鋁氧片土壤膠體的類型第四十四頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二水水土壤膠體的類型第四十五頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二晶格內(nèi)的水鋁片和硅氧片很少發(fā)生同晶替代，因此無(wú)永久性電荷。但水鋁片上的--ＯＨ在一定條件下解離出氫離子，使高嶺石帶負(fù)電。高嶺石的性質(zhì)特點(diǎn)：晶片與晶片之間形成氫鍵而結(jié)合牢固，水分子及其他離子難以進(jìn)入層間，并且形成較大的顆粒。因此其吸濕性、粘結(jié)性和可塑性較弱，富含高嶺石的土壤保肥性差。土壤膠體的類型第四十六頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

由兩片硅氧片和一片水鋁片結(jié)合成的一個(gè)晶片（層）單元，再相互疊加而成的。

（2）蒙脫石類（２：１型鋁硅酸鹽礦物）每個(gè)晶層的兩面均由O離子組（硅氧片上的），因而疊加時(shí)晶層間不能形成氫鍵，而是通過(guò)“氧橋”聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)力弱，晶層易碎裂，其晶粒比高嶺石小。土壤膠體的類型第四十七頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

脹縮性大，吸濕性強(qiáng)，易在兩邊硅氧片中以Al3+代Si4+，有時(shí)可在硅鋁片中，一般以Mg2+代Al3+→帶負(fù)電→吸附負(fù)離子。如蒙脫石，這類礦物多出現(xiàn)于北方土壤。如東北、華北的栗鈣土、黑鈣土和褐土等。硅氧片鋁氧片硅氧片特點(diǎn)：土壤膠體的類型第四十八頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二蛭石的膨脹性比蒙脫石要小得多，其晶層間距1.45nm，屬有限膨脹型。它具有一定的內(nèi)表面，但較蒙脫石小，晶體顆粒介于蒙脫石和高嶺石之間。蛭石在黃棕壤和黃壤中含量較高。蛭石也是2﹕1型膨脹型粘土礦物，其晶層結(jié)構(gòu)與蒙脫石基本相同，也是兩層硅氧片中夾一層水鋁片。與蒙脫石不同的是，硅氧片中的硅大部分被鋁所取代，水鋁片中的鋁也有不少被鎂取代，因而具有比蒙脫石高得多的凈負(fù)電荷，具有很高的吸附陽(yáng)離子能力，陽(yáng)離子交換量達(dá)150cmol(+)·kg-1。土壤膠體的類型第四十九頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

2:1型礦物(蒙脫石、綠泥石、蛭石等)土壤膠體的類型第五十頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（３）水云母類（２：１型粘土礦物）結(jié)構(gòu)與蒙脫石相類似，只是同晶替代產(chǎn)生的負(fù)電荷主要被鉀離子中和,而少量被鈣鎂離子中和。

特點(diǎn)：a、永久性電荷數(shù)量少于蒙脫石。b、層與層之間由鉀離子中和，使得各層相互緊密結(jié)合。形成的顆粒相對(duì)比蒙脫石粗而比高嶺石細(xì)。其粘結(jié)性、可塑、脹縮性居中。c、鉀離子被固定在硅氧片的六角形網(wǎng)孔中，當(dāng)晶層破裂時(shí)，可將被固定的鉀重新釋放出來(lái)，供植物利用。分布廣泛，特別在西北干旱地區(qū)和高寒地區(qū)，以及風(fēng)化度淺的土壤。土壤膠體的類型第五十一頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二三種主要粘土礦物的性質(zhì)比較粘土礦物結(jié)晶類型分子層排列情況晶格距離(nm)晶層間聯(lián)結(jié)力顆粒大小比面(m2?g-1)CEC（cmol(+)·kg-1）粘結(jié)性可塑性脹縮性高嶺石1:1-OH層與O層相接0.72強(qiáng)大5～205～15弱弱水云母2:1-O層相接中間有K1.00較強(qiáng)中100～12020～40中等中等蒙脫石2:1-O層相接0.96～2.14弱小700～80080～100強(qiáng)強(qiáng)土壤膠體的類型第五十二頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二高嶺石逐漸代替水云母，鐵鋁氧化物也迅速增多。我國(guó)土壤粘土礦物的分布溫帶干旱的漠境和半漠境地帶：風(fēng)化程度低，化學(xué)風(fēng)化程度弱，以形成水化度低的水云母為主，蒙脫石不多。半干旱草原地區(qū)：蒙脫石迅速增加，結(jié)晶良好，以蒙脫石和水云母為主。暖溫帶濕潤(rùn)地區(qū)：蛭石顯著增加，以水云母—蛭石為主，說(shuō)明環(huán)境有利于進(jìn)一步脫鉀。中亞熱帶以南地區(qū)：土壤膠體的類型第五十三頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、有機(jī)膠體特點(diǎn)：

高分子有機(jī)化合物，高度親水性。帶負(fù)電，并且電荷數(shù)量多于黏土礦物，因此陽(yáng)離子交換量大。保肥性強(qiáng)，但不穩(wěn)定（因受微生物作用而分解）主要是腐殖質(zhì)。少量的木素、蛋白質(zhì)、纖維素等。腐殖質(zhì)的電荷是由腐殖質(zhì)含的羧基（-COOH）、羥基（-OH）、酚羥基解離出H+、-COO-、-O-等離子留在膠粒上而使膠粒帶負(fù)電。

一般每千克腐殖質(zhì)的代換量在200cmol(+)·kg-1左右，高者可達(dá)500～1000cmol(+)·kg-1

土壤膠體的類型第五十四頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體通過(guò)Ca2+而結(jié)合。有機(jī)膠體與鐵鋁膠體的結(jié)合。有機(jī)膠體與無(wú)機(jī)膠體的直接結(jié)合。有機(jī)膠體以薄膜狀緊密蓋覆于粘土礦物表面通過(guò)陽(yáng)離子與-COOH、-OH等官能團(tuán)形成復(fù)合體。結(jié)合方式土壤膠體的類型第五十五頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二在生產(chǎn)上的意義我國(guó)勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中，充分體會(huì)到有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的重要，創(chuàng)造了施用有機(jī)肥加速土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體形成的措施，群眾稱之為土肥相融。土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體的形成，有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤理化性質(zhì)。如復(fù)合體中的胡敏酸，比單獨(dú)存在時(shí)分解顯著減慢，并可使土壤中有效磷增加，增強(qiáng)土壤的緩沖性能等。土壤膠體的類型第五十六頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三節(jié)土壤陽(yáng)離子交換作用第五十七頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、土壤陽(yáng)離子交換吸附作用的概念土壤膠體表面所吸附的陽(yáng)離子，與土壤溶液中的陽(yáng)離子或不同膠粒上的陽(yáng)離子相互交換的作用，稱為陽(yáng)離子交換吸附作用。土壤膠粒Ca2+

+2KCl=土壤膠粒K+K++CaCl2陽(yáng)離子交換作用對(duì)土壤中養(yǎng)分的保持和供應(yīng)起著重要作用。當(dāng)土壤溶液中陽(yáng)離子吸附在膠體上時(shí)，表示陽(yáng)離子養(yǎng)分的暫時(shí)保蓄，即保肥過(guò)程；當(dāng)膠體上的陽(yáng)離子解離至土壤溶液中時(shí)，表示養(yǎng)分的釋放，即供肥過(guò)程。陽(yáng)離子交換第五十八頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、土壤陽(yáng)離子交換吸附作用的特點(diǎn)1.可逆反應(yīng)在濕潤(rùn)地區(qū)的一般酸性土壤中，吸附的陽(yáng)離子有Al3+、H+、Ca2+、Mg2+、K+等；在干旱地區(qū)的中性或堿性土壤中，主要的吸附性陽(yáng)離子是Ca2+，其次有Mg2+、K+、Na+等。因此，在自然狀況下，很難把土壤膠體上某一陽(yáng)離子完全徹底地代換到溶液中去。同時(shí)，土壤膠體上吸附的陽(yáng)離子也必然是多種多樣的，不可能為單一種離子所組成。陽(yáng)離子交換第五十九頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.等量交換以等量電荷關(guān)系進(jìn)行。如一個(gè)Ca2+可交換兩個(gè)Na+；一個(gè)二價(jià)的鈣離子可以交換兩個(gè)一價(jià)的氫離子。陽(yáng)離子交換第六十頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.速度受交換點(diǎn)位置和溫度的影響位置：如果溶液中的離子能直接與膠粒表面代換性離子接觸，交換速度就快；如離子要擴(kuò)散到膠粒內(nèi)層才進(jìn)行交換，則交換時(shí)間就較長(zhǎng)，有的需要幾晝夜才能達(dá)成平衡。高嶺石類礦物交換作用主要發(fā)生在膠粒表面邊緣上，所以速率很快；蒙脫石類礦物的離子交換大部分發(fā)生在膠粒晶層之間，其速率取決于層間間距或膨脹程度；水云母類的交換作用發(fā)生在狹窄的晶層間，所以交換速率較慢。溫度：高溫可加快離子交換反應(yīng)的速率，因?yàn)闇囟壬?，離子的熱運(yùn)動(dòng)變得更為劇烈，致使單位時(shí)間內(nèi)碰撞固相表面的次數(shù)增多。陽(yáng)離子交換第六十一頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、影響陽(yáng)離子交換作用的因素1.陽(yáng)離子的交換能力主要決定于陽(yáng)離子被膠粒吸附的力量（或稱陽(yáng)離子與膠體的結(jié)合強(qiáng)度），它實(shí)質(zhì)上是陽(yáng)離子與膠體之間的靜電能。是指一種陽(yáng)離子將膠體上另一種陽(yáng)離子交換下來(lái)的能力。陽(yáng)離子交換第六十二頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二b.離子的半徑及水化程度：同價(jià)離子，離子半徑大水化半徑小，交換能力越強(qiáng)。離子價(jià)數(shù)原子量離子半徑（nm）代換力順序未水化水化Na+123.000.0930.7906NH4+118.010.1430.5325K+139.100.1330.5374Mg2+224.320.0781.3303Ca2+240.080.1061.0002H+11.008——1a.離子電荷價(jià)：M3+>M2+>M+（M表示陽(yáng)離子）離子價(jià)、離子半徑及水化程度與交換力的關(guān)系陽(yáng)離子交換第六十三頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二c.離子運(yùn)動(dòng)速度：凡離子運(yùn)動(dòng)速度愈大的，其交換力也愈大。例如氫離子就是這樣，而且氫離子水化很弱，通常H+只帶一個(gè)水分子，即以H3O+的形態(tài)參加交換，水化半徑很小，因此它在交換力上具有特殊位置。陽(yáng)離子交換能力順序：Fe3

+>Al3+>H+>Ca2

+>Mg2+>K+>NH4+>Na+

陽(yáng)離子交換第六十四頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.陽(yáng)離子的相對(duì)濃度及交換生成物的性質(zhì)陽(yáng)離子交換作用也受質(zhì)量作用定律所支配，如果溶液中某種離子的濃度較大，則雖其交換能力較小，同樣能把膠體上交換能力較大的其它陽(yáng)離子代換下來(lái)。另外，當(dāng)交換后形成不溶性或難溶性物質(zhì)時(shí)，或?qū)⑵浣粨Q后的生成物不斷除去時(shí)，都可使交換作用繼續(xù)進(jìn)行。陽(yáng)離子交換第六十五頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.膠體性質(zhì)交換量大的膠體（如蒙脫石）結(jié)合兩價(jià)離子的能力強(qiáng)，結(jié)合一價(jià)離子的能力稍弱；交換量小的膠體（如高嶺石）則結(jié)合一價(jià)離子能力強(qiáng)，與兩價(jià)離子的結(jié)合能力較弱，即一價(jià)離子可將兩價(jià)離子交換下來(lái)。又如：水云母具有六角形網(wǎng)孔（晶孔），容易吸附與其孔徑大小相當(dāng)?shù)腒+和NH4+，這些離子一旦進(jìn)入六角形孔穴，即可發(fā)生配位作用，很難出來(lái)，只有當(dāng)晶層破裂時(shí)，被固定的K+、NH4+方可重新釋放出來(lái)。陽(yáng)離子交換第六十六頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、土壤陽(yáng)離子交換量（一）定義：在一定土壤pH值條件下，土壤能吸附的交換性陽(yáng)離子的總量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交換性陽(yáng)離子的厘摩爾數(shù)（CationExchangeCapacity，CEC）。單位：cmol（+）·kg-1。注：因?yàn)殛?yáng)離子交換量隨土壤pH值變化而變化（因可變電荷變化），一般未特別注明時(shí)，是以pH為7的條件下測(cè)定土壤的交換量。陽(yáng)離子交換量的大小與土壤可能吸附的速效養(yǎng)分（即陽(yáng)離子）的容量有關(guān)，是土壤保肥力的重要指標(biāo)。陽(yáng)離子交換第六十七頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）影響CEC的因素

1.膠體數(shù)量（土壤質(zhì)地）土壤膠體物質(zhì)越多（包括礦質(zhì)膠體、有機(jī)膠體和復(fù)合膠體），則CEC越大。就礦質(zhì)膠體而言，CEC隨著質(zhì)地粘重程度增加而增加，所以粘質(zhì)土CEC較砂質(zhì)土要大的多。質(zhì)地陽(yáng)離子交換量（cmol(+)kg-1)砂土1-5砂壤土7-8壤土7-18粘土25-30陽(yáng)離子交換第六十八頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.膠體類型不同土壤膠體陽(yáng)離子交換量相差很大膠休種類腐殖質(zhì)蛭石蒙脫石水云母高嶺石含水氧化鐵、鋁CEC（cmol(+)·kg-1)150-500100-15060-10020-403-15微量比表面（m2·g-1)800-1000700800100-2005-20-有機(jī)>無(wú)機(jī)，2:1>1:1，粘土礦物>含水的氧化物

粘土礦物主要通過(guò)兩個(gè)方面影響CＥＣ：a、粘土礦物的比表面積:蛭石、蒙脫石>水鋁英石、水云母>高嶺石b、粘土礦物所帶的電荷數(shù)量

陽(yáng)離子交換第六十九頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.土壤pH值：

土壤酸堿度影響膠體表面官能團(tuán)中H+的解離，因而影響可變電荷的多少。pH4.5pH6.4pH8.1沼澤土胡敏酸170.0286.3400.0灰化土胡敏酸234.0410.0508.7黑鈣土胡敏酸292.2432.9590.5pH2.5-6pH7高嶺石410蒙脫石95100陽(yáng)離子交換第七十頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.土壤有機(jī)質(zhì)含量：有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)含有大量-COOH、-OH等官能團(tuán)，當(dāng)它們解離出H+時(shí)，可使膠體帶有大量負(fù)電荷，而且腐殖質(zhì)分散度大，具有很大的吸收表面。所以腐殖質(zhì)的CEC遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)機(jī)膠體。施用有機(jī)肥料，增加土壤腐殖質(zhì)，可以提高CEC，增強(qiáng)土壤保肥性。陽(yáng)離子交換第七十一頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二附：主要粘土礦物的ＣＥＣ（pＨ=7）

（cmol（+）·kg-1─────────────────水鋁英石50-100針鐵礦、三水鋁石0.5-1.0(pH,8.0)水合氧化硅4.6(pH,8.0)高嶺石4.6伊利石15-40蒙脫石60-120膨潤(rùn)土59-120蛭石120-200───────────────────陽(yáng)離子交換第七十二頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二幾種不同土壤的腐殖質(zhì)的ＣＥＣ─────────────────

HFpH8.025.508.025.50黑土1682344--黑土2642358736514花崗磚紅壤560310800583武磚紅壤--780556────────────────────

陽(yáng)離子交換第七十三頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

土壤交換量的大小，基本上代表了土壤的保持養(yǎng)分?jǐn)?shù)量，也就是平常所說(shuō)的保肥力高低；交換量大，也就是保存養(yǎng)分的能力大，反之則弱。所以，土壤交換量可以作為評(píng)價(jià)土壤保肥力的指標(biāo)。一般地：小于10cmol/kg，保肥力弱；10~20cmol/kg，中等；大于20cmol/kg，強(qiáng)。CEC與土壤肥力的關(guān)系陽(yáng)離子交換第七十四頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二陽(yáng)離子交換量和施肥有密切關(guān)系：在施肥時(shí)不僅要了解作物的需要，同時(shí)還要考慮土壤交換量的大小。在生產(chǎn)上的意義例如在砂土上施用化肥，由于土壤交換量小，土壤保肥力差，應(yīng)該分多次施肥，每次施量不宜多，以免養(yǎng)分淋失。對(duì)于交換量小、保肥力差的土壤，可通過(guò)施用河塘泥、廄肥、泥炭或摻粘土，以增加土壤中的無(wú)機(jī)、有機(jī)膠體，以及通過(guò)施用石灰調(diào)節(jié)土壤反應(yīng)等來(lái)提高土壤的陽(yáng)離子交換量。舉例？？？陽(yáng)離子交換第七十五頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二長(zhǎng)江中下游發(fā)育在沖積母質(zhì)上的土壤，粘土礦物以蒙脫石、水云母為主，交換量大約為20~30cmol(+)·kg-1。我國(guó)南北方土壤的CEC比較含蒙脫石、水云母較多，土壤反應(yīng)又多為中性或微堿性，因此，陽(yáng)離子交換量一般較高。例如東北的黑土、內(nèi)蒙的栗鈣土的交換量在30~50cmol(+)·kg-1。北方華南、西南為紅、黃壤地帶，無(wú)機(jī)膠體以高嶺石和含水氧化鐵、氧化鋁為主，土壤酸性大，pH值低，陽(yáng)離子交換量小，一般每千克土只有十幾個(gè)厘摩爾，廣東的磚紅壤的交換量只有5.2cmol(+)·kg-1。長(zhǎng)江中下游地區(qū)陽(yáng)離子交換第七十六頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二五、土壤鹽基飽和度膠體上吸附的陽(yáng)離子分為兩類：一類是致酸離子（如H+和Al3+）。另一類是鹽基離子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等），鹽基離子為植物所需的速效養(yǎng)分。1.定義指土壤膠體上交換性鹽基離子占交換性陽(yáng)離子總量的百分率。以算式表示為：陽(yáng)離子交換第七十七頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二鹽基飽和土壤：土壤膠體吸附的陽(yáng)離子如絕大多數(shù)（80%以上）為鹽基離子。鹽基不飽和土壤：鹽基飽和度在80%以下，H+、Al3+等離子含量較多。土壤鹽基飽和度越大，養(yǎng)分有效性越高，因此鹽基飽和度是土壤肥力的指標(biāo)之一。真正反映土壤有效速效養(yǎng)分含量的大小。若陽(yáng)離子交換量大，而鹽基飽和度偏小，需要采取措施對(duì)土壤加以改良，如施肥或用石灰中和。陽(yáng)離子交換第七十八頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

我國(guó)南方巖石礦物風(fēng)化作用強(qiáng)、鹽基淋失強(qiáng)，一般為鹽基不飽和的土壤（酸性土壤），北方則相反，土壤的鹽基飽和度都在80%以上（中性或堿性土壤）。2.影響鹽基飽和度的因素a.氣候陽(yáng)離子交換第七十九頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二一般闊葉樹(shù)種吸收鹽基比針葉樹(shù)多，通過(guò)枯落物歸還給土壤的鹽基也多，另外，針葉在分解過(guò)程中產(chǎn)生相對(duì)較多的有機(jī)酸，增強(qiáng)了鹽基的淋溶作用，使針葉林下耕層土壤鹽基飽和度更低于闊葉林土壤。b.地上植被類型陽(yáng)離子交換第八十頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二c.母巖（或母質(zhì)）原母質(zhì)所含鹽基的多少對(duì)土壤鹽基飽和度有較大影響，在相同或類似的生物氣候條件下，玄武巖發(fā)育的土壤鹽基飽和度高于花崗巖。為什么？陽(yáng)離子交換第八十一頁(yè)，共九十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二六、影響交換性陽(yáng)離子有效性的因素1.交換性陽(yáng)離子的飽和度飽和度大，該離子的有效性大。飽和度:膠體上被吸附的某種陽(yáng)離子的量占土壤陽(yáng)離子交換量的百分?jǐn)?shù)。土壤CEC/(cmo