土壤膠體與離子交換

關(guān)于土壤膠體與離子交換第1頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容第一節(jié)土壤膠體第二節(jié)土壤的吸收性能（離子交換作用）第三節(jié)土壤酸堿性（土壤反應(yīng)）第2頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

土壤是由固體土粒，土壤溶液和土壤空氣組成的“多元分散體系”。一般情況下，土粒是分散相，土壤溶液和空氣是分散介質(zhì)，組成土壤膠體分散體系。土壤膠體是土壤中最活躍的部分，對土壤理化性質(zhì)和肥力水平具有明顯的影響，對土壤保肥、供肥能力的強(qiáng)弱起著決定性作用。第3頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)土壤膠體

一、土壤膠體的概念（一）膠體(colloid)

化學(xué)中指的膠體是：凡是粒徑在1~100nm范圍年的微粒分散在介質(zhì)中所構(gòu)成的分散體系均稱為膠體。而粒徑小于1nm的構(gòu)成真溶液(solution)，大于100nm則構(gòu)成懸濁液(suspension).

膠體有一些獨特的性質(zhì)如：丁達(dá)耳現(xiàn)象（Tyndall）、布朗運(yùn)動（Brown）、電泳(electrophoresis)、吸附解吸(sorptionanddesorption)、分散(dispersion)與凝聚(coacervation)等。

第4頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

在土壤學(xué)中，通常小于1000nm的土壤顆粒都具有膠體的性質(zhì)，遠(yuǎn)大于100nm。主要是土壤黏土礦物常為棒狀、纖維狀、板狀或片狀等，只要其三個軸有一個尺度在1~100nm范圍，其就有膠體的性質(zhì)。

第5頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、土壤膠體的類型土壤膠體按其成分和來源分為:

無機(jī)膠體（mineralcolloids）：

包括層狀鋁硅酸鹽粘土礦物（phyllosilicates）含水氧化物類礦物（hydrousoxides）(含水氧化硅膠體和含水氧化鐵、氧化鋁膠體）有機(jī)膠體（organiccolloids）有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體（organo-mineralcomplexcolloids）第6頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）無機(jī)膠體（mineralcolloids）

1、層狀鋁硅酸鹽類粘土礦物

phyllosilicates,layeralumino-silicateclayminerals由硅氧四面體形成的硅氧片和由鋁氧八面體組成的水鋁片，以一定的比例相互疊加而形成的礦物類型。（1）基本結(jié)晶單位（basiccrystallineunit）

硅氧四面體與硅氧片（tatrahedronandsilicasheet）鋁氧八面體與水鋁片(octahedronandaluminiunsheet)第7頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月硅氧片硅氧片是由硅四面體連接而成。一個硅氧四面體是由四個氧原子和一硅原子所組成。其排列方式是以3個氧原子構(gòu)成三角形為底，硅原子位于底部3個氧原子之上的中心低凹處，第四個氧則位于硅原子的頂部，恰恰把硅原子蓋在氧的下面，如果連接相鄰的3個氧原子的中心，則可構(gòu)成4個三角形的面，硅位于4個面的中心。第8頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月硅氧四面體和硅氧片

inertoxygen(cosharedOamongSi-O)activeoxygen-1-1-1復(fù)三方孔穴ditrigonalcavitydiameter0.140nmtatrahedronandsilicasheet第9頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二者能相互構(gòu)成的原因：（1）硅原子帶正電（Si4+），而氧帶負(fù)電(O2-)，相互吸引；（2）與原子大小有關(guān)，氧半徑0.14nm，四個氧堆積成四面體時，其形成的空隙半徑為0.032nm，硅原子的半徑為0.039nm，所以能嵌入四面體中而不破壞結(jié)構(gòu)。每個四面體鍵價不平衡（SiO44-），許多硅四面體可以共用氧原子而形成一層，氧原子排列成為中間有空的六角形，稱為硅氧片或硅氧層。第10頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)三方孔穴ditrigonalcavitydiameter0.140nm第11頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁氧片鋁氧片由鋁八面體連接而成。鋁八面體為6個氧原子圍繞一個鋁原子構(gòu)成鋁八面體，6個氧排列成兩層，但上層氧的位置與下層氧交錯排列，6個氧所構(gòu)成的八面體空隙為0.058nm，與鋁原子的半徑0.057nm相近，故鋁原子嵌入6個氧原子形成的空隙中，從而構(gòu)成鋁氧八面體（AlO6）9-。第12頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁氧八面體和水鋁片

octahedronandaluminiunsheet第13頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

第14頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)單位晶體四面體（SiO4)4-、八面體（AlO6）9-都不是化合物，在它們形成硅酸鹽粘土礦物之前，四面體與八面體分別聚合，結(jié)果為水平方面上四面體通過共用底部氧的方式在平面兩維方面上無限延伸，排列成近似六邊形蜂窩狀的四面體，即硅氧片，硅氧片頂端的氧仍然帶電荷。硅氧片：n(Si4O10)4-八面體在水平方向上相鄰八面體通過共用兩個氧的方式，在平面兩維方面上無限延伸，排列成八面體片（鋁氧片）。鋁氧片：n(Al4O12)12-第15頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)單位晶層（晶架結(jié)構(gòu)）由于硅氧片和鋁氧片都帶負(fù)電荷，不穩(wěn)定，必須通過重疊化合才能形成穩(wěn)定的化合物，經(jīng)過重疊形成層狀硅酸鹽的單位晶體，兩種晶片的配合比例不一樣，構(gòu)成1:1型，2:1型，2:1:1型和2:1型晶層。第16頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月1：1型晶格與2：1型晶格由一層硅氧片和一層水鋁片相互疊加所構(gòu)成的晶格（lattice）。由兩層硅氧片和一層水鋁片相互疊加所構(gòu)成的晶格。硅片鋁片

1：1typelattice2：1typelattice第17頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）同晶置換作用(isomorphicsubstitution)定義：在粘土礦物形成的過程中，晶格中的中心離子被大小相近、電性相同的其它離子所代替，而晶架結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化的這種現(xiàn)象。在四面體中發(fā)生Al3+代替

Si4+在八面體中常發(fā)生Fe2+Fe3+Mg2+

代替

Al3+結(jié)果：晶架結(jié)構(gòu)不變化，產(chǎn)生電荷。主要是低價正離子置換高價離子形成永久負(fù)電荷，從而使土壤具有保肥能力。第18頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月同晶代換的條件：

替代與被替代的離子的大小要相近，保證晶形不改變，如Fe3+半徑為0.064nm，而Al3+為0.057nm相近，替換后不會改變晶形。

替代與被替代的離子的電性須相同，電價可以同價或不等價，

如果同價，則晶形不變，而且晶體內(nèi)部仍保持電性中和。

如果不同價，互換的結(jié)果，使晶體帶電或正或負(fù)。

如果被低價陽離子替換，則帶負(fù)電荷，反之帶正電。

一般現(xiàn)象：晶體中的中心離子被低價離子代替，如Si4+被Al3+或Al3+被Mg2+替換，所以土壤粘土礦物一般以帶負(fù)電荷為主。第19頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

同晶替代的結(jié)果是晶格中凈的負(fù)電荷的產(chǎn)生。這種電荷一旦產(chǎn)生就不受環(huán)境條件如pH的影響，所以稱為永久電荷（permanentcharge）,占北方土壤電荷的絕大部分。

可變電荷（variablecharge）：電荷的數(shù)量和性質(zhì)隨土壤體系pH的變化而變化，這種電荷稱為可變電荷。第20頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)表面、外表面和比表面積

Innersurface,outersurfaceandspecificsurfacearea(SSA)innersurfaceoutersurface第21頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月粘土礦物的種類和一般特征：1、高嶺石（1）晶架結(jié)構(gòu)：1:1型（2）非脹縮性，＜5％，原因：Si片頂端全是氧原子，而Al片中有OH-，則氫氧間形成較強(qiáng)的氫鍵，使相鄰晶層產(chǎn)生較強(qiáng)的氫鍵。（3）電荷量：較少，因為同晶代換弱，陽離子代換量3－15cmol/1000g土；（4）膠體性質(zhì)弱：可塑性、粘結(jié)性、粘著性和吸濕性相對較差。（5）SiO2/R2O3（硅鋁鐵率）（分子比率）一般為2第22頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

高嶺石的晶架結(jié)構(gòu)

CrystalstructureofKaolinate

hydrogenbonding第23頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2、蒙脫石（1）晶架結(jié)構(gòu)：2:1型；（2）脹縮性：＞100％，如砂漿黑土；原因：Si片全是O2-，通過氧橋則作用力弱，容易脹縮；（3）電荷量大，陽離子交換量80-120cmol/kg土；（4）膠體性質(zhì)強(qiáng)；（5）SiO2/R2O3：4；第24頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3、水云母（1）晶架結(jié)構(gòu)：2:1型；（2）非脹縮性，原因：硅片為六角網(wǎng)狀，而網(wǎng)孔的大小與K＋相同，則K＋陷于網(wǎng)孔中，使兩層間聯(lián)系起來，從而增強(qiáng)了連接力，使晶層不易脹縮；（3）電荷量較多，20－40cmol/kg土；（4）膠體性質(zhì)比較強(qiáng)；（5）SiO2/R2O3：3-4。第25頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

第26頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2、氧化物類礦物

Variouskindsofoxides

主要有鐵、鋁、錳、硅等的含水氧化物組成。（1）結(jié)晶質(zhì)氧化物（crystallinehydroxides）長程有序的氧化物longrangeorderedoxides（LRO）三水鋁石（gibbsite)

針鐵礦(goethite)

赤鐵礦(hematite)（2）非晶質(zhì)氧化物或無定型氧化物(noncrystallinehydroxidesoramorphousoxides)

短程有序的氧化物shortrangeorderedoxide（SRO）第27頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月含水氧化物膠體特點：（1）在南方土壤中含量豐富，北方土壤中很少；（2）有晶質(zhì)和非晶質(zhì)之分：晶質(zhì)礦物活性小，比表面小，而非晶質(zhì)則相反；（3）帶可變電荷：是土壤和水環(huán)境吸附固定含氧酸根陰離子（如H2PO4-，H2MnO4-等）及重金屬微量元素的主要載體。第28頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

不同水化程度的無定型氧化物，常呈凝膠（gel）狀，無一定形狀和結(jié)晶構(gòu)造，包被于土壤顆粒表面形成膠膜。具很大的比表面積（SSA）和很強(qiáng)的反應(yīng)活性，帶有可變電荷，對土壤和水體中重金屬幾含氧酸根陰離子及有機(jī)污染物的吸附固定及生物有效性有重要的影響。Al2O3.nH2OSiO2.nH2OFe2O3.nH2OFe(OH)3.nH2OSiO2.nH2O.Al2O3.nH2O(水鋁英石,allophane)水鋁英石為火山灰上發(fā)育的土壤中富含的呈無定型凝膠狀膠結(jié)物，CEC,20~50cmol/kg.AEC,5~30cmol/kg.第29頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）有機(jī)膠體1、主要成分：各種腐殖質(zhì)，少量木質(zhì)素，蛋白質(zhì)，纖維素等；2、特點：（1）與無機(jī)膠體有共性，如顆粒極小，具巨大的比面和帶電；（2）由C、H、O、N、S、P等組成的高分子有機(jī)化合物；（3）無定形物質(zhì)；（4）高度的親水性，可以從大氣中吸收水分子；（5）不穩(wěn)定性，易受微生物的作用而分解。第30頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）有機(jī)無機(jī)復(fù)合體1、有機(jī)膠體一般很少，絕大部分與無機(jī)膠體緊密結(jié)合而形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，即結(jié)合性復(fù)合體。2、結(jié)合力：通過二、三價陽離子（臺Ca、Mg、Fe、Al）或功能團(tuán)（臺羧基、醇羥基等）將帶負(fù)電荷的粘粒礦物和腐殖質(zhì)連接起來。3、有機(jī)膠體主要以薄膜狀覆蓋于粘粒礦物表面，還可進(jìn)入粘粒礦物晶層間，這樣可形成良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善土壤保肥性能和多種理化性質(zhì)。第31頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月有機(jī)膠體是土壤中有機(jī)分子與礦質(zhì)膠體復(fù)合后產(chǎn)生的膠體。dirtysurfacemineralorganicmolecule第32頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月三、土壤膠體的構(gòu)造

膠體微粒（分散相）土壤膠體分散系微粒間溶液（分散介質(zhì)）微粒核決定電位離子層（雙電層內(nèi)層）膠體微粒非活性補(bǔ)償離子層雙電層補(bǔ)償離子（雙電層外層）擴(kuò)散層第33頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）膠體的構(gòu)造

Structureofsoilcolloiddoublelayer第34頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）微粒核微粒核是核心和基本物質(zhì)1、組成：主要由腐殖質(zhì)，無定形性的SiO2、Al2O3、氧化鐵，鋁硅酸鹽晶體物質(zhì)，蛋白質(zhì)分子以及有機(jī)無機(jī)膠體的分子群構(gòu)成。2、表層土壤：有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的形式為主下層土壤：無機(jī)礦物質(zhì)為主。第35頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）雙電層1、定義：膠體微粒核上的功能團(tuán)常發(fā)生解離而帶電，這樣溶液中帶相反電荷的離子，一方面受膠體表面上電荷的吸引，趨向于排列在緊靠膠粒表面，但另一方面，由于熱運(yùn)動，這些離子又會向遠(yuǎn)離膠體表面的方向擴(kuò)散，當(dāng)靜電引力與熱擴(kuò)散平衡時，在帶電膠體表面與溶液界面上，形成由一層固相表面電荷和一層溶液中相反符號離子所組成的電荷非均勻分布的空間結(jié)構(gòu)稱為雙電層?？煞謨蓪樱簺Q定電位離子層和補(bǔ)償離子層。第36頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2、決定電位離子層固定在核表面決定其電荷和電位的一層離子。一般來講，鋁硅酸鹽和有機(jī)膠體帶負(fù)電，鐵膠體帶正電，而鋁膠體是兩性的，視環(huán)境的pH值而定。

膠體帶電就是指該層離子所帶的電荷，有正有負(fù)，帶負(fù)電的土壤膠體在數(shù)量上占優(yōu)勢，所以土壤的凈電荷多為凈負(fù)電荷。第37頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3、補(bǔ)償離子層（1）定義：指一些電荷的符號與決定電位離子層相反而電量相等的離子，分布在決定電位離子層的外圍。（2）其吸附力與電荷量成正比，與距離平方成反比，又可分兩個亞層：

非活性補(bǔ)償離子：靠近核表面的決定電位離子層，吸附緊，難以解離，無活性，不起交換作用，和微粒核與決定電位離子層成為一個整體，常稱膠粒

擴(kuò)散層：分布在非活性補(bǔ)償離子層以外，被吸附得較松，有較大活性，可以和周圍環(huán)境的離子進(jìn)行交換，即土壤離子交換作用。第38頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月四、土壤膠體的特性與肥力間的關(guān)系（一）巨大的表面積和表面能(VastSSAandsurfacepotential)比表面（比面）指單位重量或單位體積物體的總表面積（cm2/g，cm2/cm3)。物體內(nèi)部的分子受各方向的力是均衡的，而表面上的分子受各方向的力是不同的，產(chǎn)生剩余力場，使表面具有很大的表面能（surfacepiotential）。土壤顆粒越小，比表面越大，表面能越高，吸附能力越強(qiáng)。土壤膠體物質(zhì)是土壤中最細(xì)小的物質(zhì)，因此，有很強(qiáng)的吸附能力，成為養(yǎng)分物質(zhì)的庫（sink）.正是由于土壤膠體這種巨大的表面積和表面能，能吸附多種土壤的養(yǎng)分或其它離子，使其具有保肥、供肥性能。第39頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)土壤膠體的帶電性（electrification）1、永久電荷：由于同晶替換而在粘粒礦物晶層內(nèi)部產(chǎn)生的電荷，一旦產(chǎn)生即為該礦物永久所有，因此稱永久電荷。永久電荷的數(shù)量決定于同晶替代的多少，與pH值無關(guān)，其中2:1型粘粒礦物多，而1:1型少。被土壤永久性負(fù)電荷所吸附的陽離子是可交換的。帶永久電荷和可變電荷，是土壤能夠保蓄養(yǎng)分的根本原因。土壤膠體的帶電性（特別是帶負(fù)電性），使土壤膠體吸附陽離子等礦質(zhì)營養(yǎng)。第40頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2、可變電荷：電荷的數(shù)量和性質(zhì)隨介質(zhì)pH的改變而改變的電荷。3、電荷零點（pH0）(pointofzerocharge)：土壤的可變正負(fù)電荷數(shù)量相等時的pH值，或稱可變電荷零點、等電點。pHpHpH<PZCpH<PZCpH=PZCpH>PZC++第41頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

4、可變電荷產(chǎn)生的原因：膠核表面分子或原子團(tuán)的解離，如：A、粘粒礦物晶面上-OH基的解離pH>pH0時，帶負(fù)電；pH<pH0時，帶正電。B、含水鐵、鋁氧化物的解離，如Al2O3?3H2O的pH0為4.8pH<4.8,Al2O3?3H2OAl(OH)2++2OH-

正電pH>4.8,Al2O3?3H2OAl(OH)2O-+2H+

負(fù)電C、腐殖質(zhì)上原子團(tuán)的解離：pH較高時，－COOH，--OH解離出H+，負(fù)電；pH低時，-NH2可吸附H+

正電。D、含水氧化硅的解離，SiO2?H2O的pH0=2pH>2時，解離帶負(fù)電，反之帶正電。E、粘粒礦物晶電層上的斷鍵。第42頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

（三）膠體的分散與凝聚（Dispersionandcoacervationofsoilcolloids）1、分散與凝聚分散：膠體中膠粒間由于帶相同電荷而產(chǎn)生排斥，使膠粒均勻分布再土壤溶液中，呈溶膠狀態(tài)。凝聚：當(dāng)溶膠中加入電解質(zhì)，解離出電荷并與土壤膠體電荷中和，降低膠體電性，膠粒間吸引力大于排斥力，導(dǎo)致膠粒相互凝聚而沉降。是分散的逆過程。dispersioncoacervation第43頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月膠體凝聚和分散的原因：分散：膠體中膠粒間由于帶相同電荷而產(chǎn)生排斥，使膠粒均勻分布在土壤溶液中，呈溶膠狀態(tài)凝聚：當(dāng)溶膠中加入電解質(zhì)，解離出電荷并與土壤膠體電荷中和，降低膠體電性，膠粒間吸引力大于排斥力，導(dǎo)致膠粒間相互凝聚而沉降，是分散的逆過程。促使膠體凝聚或分散的原因，主要決定于電動電位的高低。第44頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、影響因素

電解質(zhì)溶液中離子的價態(tài)（valence）

凝聚能力上看，高價大于低價，如Al3+>Ca2+>K+

等價離子中，水化弱的離子比水化強(qiáng)是離子更易使膠體凝聚。

Li+>Na+>K+>NH4+>Rb+第45頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

表離子半徑及水化程度與交換力的關(guān)系一價離子的種類Li+Na＋K＋NH4+Rb+離子的水化半徑（nm）1.0080.790.5370.5320.509離子的真實半徑（nm）0.0780.0980.1330.430.149離子在膠體上的吸著力小大離子對其它離子的代換力小大第46頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

電解質(zhì)溶液的濃度（concentrationofelectrolytesolution）

鹽析現(xiàn)象（salting-out)

提高電解質(zhì)溶液的濃度可以促進(jìn)膠體的凝聚。應(yīng)用實例：

A混水的沉凈

B土壤機(jī)械分析

C鹽堿土的物理性

D有機(jī)改土

E曬旱地，烤田，凍垡等農(nóng)藝技術(shù)

F北方石灰性土壤鈣豐富，結(jié)構(gòu)好第47頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)土壤的吸收性能（離子交換作用）

Ionexchangereactionsinsoils離子交換：土壤膠體上吸附的離子與土壤溶液中的離子發(fā)生相互交換的過程。陽離子交換反應(yīng)（cationexchange）陰離子交換反應(yīng)(anionexchange)離子的吸附(ionadsorptionorsorption)離子的解吸(iondesorption)交換性離子：能夠發(fā)上離子交換作用的離子。第48頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月土壤的吸收性能1、定義：指土壤吸收和保留土壤溶液中的分子和離子、懸液中的懸浮顆粒，氣體以及微生物的能力。2、對土壤肥力和性質(zhì)的意義（1）與土壤的保肥供肥能力關(guān)系密切（2）影響土壤的酸堿度和緩沖能力等化學(xué)性質(zhì)；（3）土壤結(jié)構(gòu)性、物理機(jī)械性、水熱狀況等都直接或間接與吸收性能有關(guān)。第49頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月一、土壤吸收性能類型（一）機(jī)械吸收性：1、定義：指土壤對物體的機(jī)械阻留。2、影響因素：與土壤質(zhì)地，結(jié)構(gòu)，松緊度有關(guān)。如孔隙過粗，阻留物少，過細(xì)造成下滲困難（二）物理吸收性：1、定義：指土壤對分子態(tài)物質(zhì)的保持能力；2、表現(xiàn)現(xiàn)象：正吸附：養(yǎng)分聚集在膠體表面，其濃度比溶液中大；負(fù)吸附：膠體表面吸附少，而溶液中濃度大；3、作用：肥料中的有機(jī)分子吸附而保留在土壤中。第50頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）化學(xué)吸附1、定義：易溶性鹽在土壤中轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性鹽而沉淀保存在土壤的過程－－純化學(xué)作用為基礎(chǔ)。如可溶性磷酸鹽固定生成難溶性磷酸鐵等。2、作用：可溶性養(yǎng)分保存下來，減少流失，但降低了對植物的有效性，但有時有益：Fe2++H2S－FeS，減少毒害。（四）物理化學(xué)吸收性1、定義：指土壤中可溶性離子態(tài)養(yǎng)分被土壤帶電膠體吸收，并與土壤溶液中的同號電荷離子交換達(dá)到動態(tài)平衡。－－以物理吸附為基礎(chǔ)，又呈現(xiàn)出化學(xué)反應(yīng)相似的特性，稱物理化學(xué)吸收或離子交換作用。2、意義：有利于土壤的保肥性能。（五）生物吸收性：1、定義：指土壤中植物根系和微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。2、特點：有選擇性和創(chuàng)造性，并具有累積和集中養(yǎng)分的作用，如只有生物吸收性能吸收硝酸鹽。第51頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、物理化學(xué)吸收性能－離子作用

土壤膠體上吸附的離子與土壤溶液中離相互交換的過程，可分為兩類：陽離子交換作用陰離子交換作用第52頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、土壤中的陽離子交換作用1、定義：土壤膠體上吸附的陽離子與土壤溶液中的陽離子相互交換的過程。

Ca2++2KCl2K++CaCl2離子的吸附過程：離子從溶液中轉(zhuǎn)移到膠體上離子的解吸過程：吸附在膠體上的離子轉(zhuǎn)移到溶液中的過程colloidcolloid第53頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2、陽離子交換的特點（1）可逆過程（reversible）吸附到膠體表面上的離子與溶液達(dá)成平衡后，如果溶液的組成或濃度改變，則膠體上的交換離子就要與溶液中的離子可逆向交換，建立新的平衡。（2）反應(yīng)迅速：只需幾秒鐘的時間，原因：反應(yīng)在膠體表面進(jìn)行，參加反應(yīng)離子的數(shù)量有限；巨大表面能。（3）等當(dāng)量交換(equivalentexchange)等量電荷對等量電荷的反應(yīng)第54頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3、陽離子交換能力（1）定義：指一種陽離子將膠體上另一種陽離子交換出來的能力，各種陽離子交換能力大小順序：Fe3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+(2)影響因素：

離子的價態(tài)(valenceofcation)：高價離子大于低價離子離子半徑和水化程度(ionradiumandhydration)：對等價離子，離子半徑愈大，水化弱的代換能力強(qiáng)離子的濃度(Concentration)：離子濃度提高時，代換能力提高。第55頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月4、陽離子代換量(CEC，cationexchangecapacity)(1)定義：在一定pH下，每1000g干土所能吸附的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)（cmol/kg=me/1000g），可作為土壤保肥力的指標(biāo)。(2)實際意義：反映土壤保肥供肥能力的高低。

CEC>2010~20<10

保肥性強(qiáng)中差計算土壤中交換性陽離子的數(shù)量。在土壤分類中也可作為一項重要的分類指標(biāo)。第56頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）影響因素膠體數(shù)量和類型：土壤膠體物質(zhì)越多，則CEC越大；有機(jī)膠體＞＞礦質(zhì)膠體蒙脫石（2:1）＞伊利石（2:1）＞高嶺石（1:1）＞氧化物土壤質(zhì)地粘質(zhì)土(15-30)>壤質(zhì)土（5-15）>砂質(zhì)土（3-5）土壤pH（影響可變電荷數(shù)量和符號）pH升高，CEC升高。第57頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月5、鹽基飽和度（basesaturation，BS%）(1)概念：土壤中交換性陽離子分兩類鹽基離子：鈣、鎂、鉀、鈉、銨等離子致酸離子：氫、鋁離子則土壤鹽基飽和度為交換性鹽基離子總量cmol/kg占陽離子交換量cmol/kg的百分?jǐn)?shù)鹽基離子總量

BS%=×100CEC鹽基不飽和度%=1-BS%

第58頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）鹽基飽和土壤：被鹽基離子飽和的土壤，中性或堿性。鹽基不飽和土壤：含有較多氫、鋁離子的土壤。（3）意義鹽基飽和度與土壤的酸堿性關(guān)系密切，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中呈中性或堿性；飽和度小的土壤呈酸性。反映土壤養(yǎng)分狀況：一般說BS越高，土壤養(yǎng)分越豐富。

一般北方土壤為飽和的，而南方土壤多為不飽和土壤。具體鹽基飽和度自西北、華北往東南和華南逐漸減小的趨勢，這與土壤酸堿性的分布基本上一致。第59頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月6、交換性陽離子養(yǎng)分的有效性(Availabilityofexchangeablecations)（1）離子飽和度(ionsaturation)離子飽和度：指某種離子的數(shù)量與陽離子代換量（CEC）的百分比值。了解某種離子的有效性，不僅要看其絕對數(shù)量，而且更重要的是其飽和度，即相對數(shù)量多少。

離子飽和度越高，該離子與膠體的結(jié)合能越低，被代換到土壤溶液中的機(jī)會越高，該離子的有效性越高。例：第60頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月離子飽和度效應(yīng)的實際意義集中施肥(centralizedfertilization)，“穴施、條施、點施”?；适┯谩笆┓室淮笃?，不如施肥一條線；施肥一條線，不如施肥一個蛋”。指導(dǎo)砂、粘不同質(zhì)地土壤的肥料運(yùn)籌。砂質(zhì)土：肥效快而猛。一般少量多次，少食多餐，基、追并用；前后并重，注意防止脫肥。“少施一把草，多施一片倒?！闭迟|(zhì)土：肥效慢而穩(wěn)。一般少次多施，多食少餐，前重后輕。注意防止貪青晚熟。第61頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）陪補(bǔ)離子效應(yīng)（complementaryioneffect）土壤膠體上同時吸附有多種交換性陽離子，對某種離子來說，其它離子都是它的陪補(bǔ)離子。一般說，某種離子的陪補(bǔ)離子與土壤膠體間的吸附力越強(qiáng)，即代換能力越強(qiáng)，則其越能提高該種離子的有效度，反之，則越能抑制該離子的有效性。抑制順序：Na+>K+>Mg2+>Ca2+>H+>Al3+K+K+K+K+Ca2+Ca2+Na+Na+第62頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)粘土礦物類型與交換性陽離子的有效性（陽離子的非交換性吸收）各類粘土礦物的結(jié)晶構(gòu)造不同，負(fù)電性不同，對陽離子吸附的牢固程度也不同。在一定的飽和度范圍內(nèi)，蒙脫石由于具有巨大的內(nèi)表面、表面能和負(fù)電荷，吸附的許多離子是在層間，因而對陽離子養(yǎng)分的吸附力強(qiáng)，有效性差。而高嶺石負(fù)電性弱，并且吸附的離子是在晶層外表面，因而吸附離子的有效性較高。i位p位e位第63頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、土壤對陰離子的吸附1、交換性吸附：帶正電荷膠體吸附陰離子，與陽離子交換反應(yīng)相似,主要是硝酸根和氯離子發(fā)生這種電性吸附。其它陰離子發(fā)生的吸附反應(yīng)很復(fù)雜。

2、陰離子吸附類型（1）易于被土壤吸附的陰離子，如磷酸根(H2PO4-、HPO42-)、硅酸根（HSiO3-)等；（2）很少或根本不被吸附的陰離子，如Cl-、NO3-、NO2-極易隨水流失；（3）介于上述兩者之間的陰離子，如SO42-、CO32-、HCO32-等第64頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3、影響土壤對陰離子吸收的因素（1）陰離子的價數(shù)：價數(shù)愈大，吸收力愈強(qiáng)（2）膠體組成成分：隨其中鐵、鋁氧化物增多,土壤吸收能力增大；（3）土壤pH值：酸性愈強(qiáng)土壤膠體吸收陰離子能力愈強(qiáng)。第65頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)土壤酸堿性（土壤反應(yīng)）SOILREACTIONS第66頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月土壤反應(yīng)的概念

國際土壤學(xué)中，土壤反應(yīng)主要是指土壤的酸堿性。

土壤反應(yīng)：指土壤溶液的反應(yīng)呈酸性、中性或堿性的程度。土壤反應(yīng)取決于土壤中氫離子和羥基的活度比例。通常可用土壤酸度和土壤堿度兩種指標(biāo)來反映土壤反應(yīng)。第67頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月一、土壤酸度（soilacidity）1、相關(guān)因素（1）H+濃度（2）土壤膠體上吸附的致酸離子H+或Al3+2、土壤酸的來源膠體上吸附的H+或Al3+CO2溶于水中所形成的碳酸有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的有機(jī)酸氧化作用產(chǎn)生無機(jī)酸施肥加入的酸性物質(zhì)植物根系分泌各種小分子有機(jī)酸、質(zhì)子等。第68頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、土壤酸度及其類型(一）活性酸度（activeacidity）1、定義：土壤溶液中氫離子的活度直接反映的酸度。常用pH來表示：是土壤酸堿性的強(qiáng)度指標(biāo)?？筛鶕?jù)pH值將土壤酸堿性分為若干級（見下表）

表：土壤pH和酸堿性反應(yīng)的分級

土壤pH

＜4.54.5—5.55.6—6.56.6—7.57.6—8.58.6—9.5＞9.5

反應(yīng)級別強(qiáng)酸性

酸性

微酸性

中性

微堿性

堿性

強(qiáng)堿性第69頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

第70頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）潛性酸度（potentialacidity）1、定義：土壤膠體上吸附的氫、鋁離子所引起的土壤酸度。這種酸度只有當(dāng)氫、鋁離子被代換到土壤溶液中之后才能表現(xiàn)出來。因此稱為潛性酸度，通常用1000g烘干土中H+的厘摩爾數(shù)表示（H+cmol/1000g）?；钚运崤c潛性酸處于一種動態(tài)平衡之中。

2H+Ca2+

+Ca2++2H+

潛性酸在數(shù)量上遠(yuǎn)超過活性酸是數(shù)十至數(shù)百倍，是土壤酸的容量指標(biāo)，是一個庫（匯sink）。反映土壤可產(chǎn)生氫離子的總量，一般用土壤含有氫離子的cmol/kg來表示。第71頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2、潛性酸又根據(jù)測定時浸提方法的不同區(qū)分為交換性酸和水解性酸（1）交換性酸度（exchangeableacidity）指用過量中性鹽（1mol/LKCl溶液）浸提土壤后所測得的土壤酸度。

H+K++KCl+HClAl3+3K++3KCl+AlCl3

AlCl3+3H2OAl(OH)3+3HCl第72頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）水解酸度(hydrolyticacidity)

指用弱酸強(qiáng)堿鹽（1mol/LNaAc,pH8.2)溶液浸提土壤，從膠體上代換下來的氫、鋁離子所引起的酸度。H+Na++NaAc+HAc

Al3+3Na++3NaAc+3H2O+Al(OH)3+3HAc第73頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、土壤堿度（soilalkalinity）1、定義：主要來源于土壤中交換性鈉的水解所產(chǎn)生的OH+以及弱酸強(qiáng)堿鹽類（Na2CO3、NaHCO3）的水解。2、表示方法（1）用pH表示（2）土壤中堿性鹽表示（Na2CO3、NaHCO3）叫土壤堿度(cmol/1000g)3、土壤堿性還決定于土壤膠體上交換性鈉離子（cmol/kg)的相對數(shù)量交換性Na堿化度＝陽離子交換量×100％第74頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月三、土壤緩沖性土壤緩沖性是指土壤具有抵抗外來物質(zhì)引起酸堿反應(yīng)劇烈變化的性能。（一）緩沖作用的機(jī)制1、土壤膠粒上的交換性陽離

M＋H+H+M+H+MOHM+H2O所以（1）土壤緩沖能力的大小和其陽離子交換量有關(guān)（2）不同的鹽基飽和度對酸堿的緩沖能力是不同的。2、土壤溶液中的弱酸及其鹽類的存在，如HCO3，腐殖質(zhì)等3、土壤兩性物質(zhì)的存在，如氨基酸4、酸性土壤中Al3+的緩沖作用。第75頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）土壤緩沖作用的重要性土壤具有緩沖性，使土壤的pH不致因施肥、根系呼吸、有機(jī)質(zhì)分解等引起劇烈變化，為植物生長和微生物活動創(chuàng)造一個穩(wěn)定良好的土壤環(huán)境條件。所以，土壤緩沖性能是影響土壤肥力的重要性質(zhì)。第76頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

(三)土壤酸堿性的調(diào)節(jié)1．土壤酸化土壤酸化是指對偏堿的土壤進(jìn)行必要的處理，使之pH有所降低，符合一些喜酸作物生長的需要。調(diào)節(jié)措施：(1)施用酸性物質(zhì)進(jìn)行調(diào)理(2)施用釋酸物質(zhì)進(jìn)行調(diào)理(3)對于堿化土壤和堿土，可以通過施用石膏來調(diào)節(jié)2．土壤堿化土壤堿化是指對偏酸的土壤進(jìn)行必要的處理，使之pH有所提高，符合一些喜堿作物的需要。土壤堿化的常用方法是向土壤中施加石灰等堿性物質(zhì)，常用的有生石灰、熟石灰和石灰石粉。第77頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月四、土壤酸堿度反應(yīng)與植物生長1、影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)（1）影響土壤微生物活性（2）影響?zhàn)B分的固定，釋放和淋失2、影響粘粒礦物的形成3、影響土壤理化性質(zhì)4、影響作用生長第78頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

(四)土壤酸堿性對土壤肥力和作物生長的影響

1．土壤酸堿性影響土壤中養(yǎng)分物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和有效性土壤酸堿性與養(yǎng)分有效性的關(guān)系，如圖2．土壤酸堿性影響土壤微生物活性

3．土壤酸堿性影響土壤的理化性質(zhì)

4．土壤酸堿性影響作物生長

第79頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第80頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月表3—3主要栽培植物生長適宜的pH范圍

大田作物

園藝作物

林業(yè)植物

名稱

適宜pH

名稱

適宜pH

名稱

適宜