第六章土壤膠體與與土壤吸收性能

第六章土壤膠體與與土壤吸收性能第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五一、土壤膠體的概念及種類

二、層狀硅酸鹽粘土礦物三、土壤膠體的構(gòu)造四、土壤膠體的性質(zhì)五、土壤的吸收性能六、土壤陽離子交換作用第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五一、土壤膠體的概念及種類概念：土壤膠體：大小在1-100nm的土壤固體顆粒。實際上直徑小于1000nm的土壤粘粒都具有膠體的性質(zhì)。所以在土壤學(xué)中，通常把粒徑在1000nm以下的土壤粘粒都作為土壤膠體顆粒，比化學(xué)上的膠體顆粒上限大10倍第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五土壤無機(jī)膠體層狀硅酸鹽粘土礦物2：1型如蒙脫石1：1型如高嶺石氧化物及其水合物AlFeSi的氧化物及水合氧化物，常呈膠膜被覆于土粒表面土壤有機(jī)膠體主要是腐殖質(zhì)少量的蛋白質(zhì)或氨基酸

多肽，多糖類化合物土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體類型第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（一）土壤無機(jī)膠體

無機(jī)膠體存在土壤粘粒之中，包括：層狀（鋁）硅酸鹽礦物：是無機(jī)膠體的主要部分，包括高嶺石類、蒙脫石類及水化云母類。含水氧化硅膠體；成分為SiO2.H2O（H2SiO3）.含水氧化鐵、鋁膠體；褐鐵礦、針鐵礦、水鋁石、三水鋁石等.第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（二）土壤有機(jī)膠體土壤有機(jī)膠體主要指腐殖質(zhì)。膠體表面的基團(tuán)在pH升高時帶負(fù)電荷，pH降低時帶正電荷。有機(jī)膠體會被微生物分解。第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（三）有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體由有機(jī)膠體與無機(jī)膠體互相結(jié)合而形成的復(fù)合膠體。在土壤中，有機(jī)膠體和無機(jī)膠體很少獨立存在，大部分是以有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體的形式存在的。第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五二、層狀鋁硅酸鹽粘土礦物1構(gòu)造特征基本結(jié)構(gòu)單位構(gòu)成層狀硅酸鹽粘土礦物晶格的基本結(jié)構(gòu)單位是硅氧四面體和鋁氧八面體。①硅氧四面體（簡稱四面體）四面體的基本結(jié)構(gòu)是由一個硅原子和四個氧原子所構(gòu)成。硅原子位于中央，氧原子占據(jù)四個頂點。②鋁氧八面體

（簡稱八面體）八面體的基本結(jié)構(gòu)是6個氧原子圍繞1個鋁原子所構(gòu)成。鋁原子位于中央，氧原子占據(jù)六個頂點。第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五硅氧四面體結(jié)構(gòu)示意圖第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五硅四面體第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五鋁氧八面體結(jié)構(gòu)示意圖第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五鋁氧八面體第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五硅氧片和鋁氧片

硅氧四面體和硅氧四面體之間通過共用氧原子互相聯(lián)結(jié)就形成了硅氧片。(底層氧離子電性得到中和，成為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而頂層氧的電荷沒變，還是-1價這樣的氧成為活性氧）鋁氧八面體與鋁氧八面體通過共用氧原子互相連接就形成了水鋁片。（氧原子的電荷由-1.5價變成-1價）

硅氧片與鋁氧片（水鋁片）稱為基本晶片。第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五硅氧片硅氧四面體第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五硅氧四面體互相聯(lián)結(jié)示意圖第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五硅氧四面體聯(lián)結(jié)成硅氧片,在平面上形成六角形網(wǎng)眼第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五鋁氧片鋁氧八面體：AlO69-第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五單位晶層由于硅片和鋁片都帶有負(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。硅片和鋁片以不同的方式堆疊，形成層狀鋁硅酸鹽的單位晶層。兩種晶片的配合比例不同，而構(gòu)成1：1型、2：1型。

第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五高嶺石結(jié)構(gòu)示意圖第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五高嶺石結(jié)構(gòu)示意圖第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五蒙脫石結(jié)構(gòu)示意圖第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五粘粒礦物晶格內(nèi)的同晶異質(zhì)替代同晶替代是指在鋁硅酸鹽形成過程中，硅氧片中的si以及鋁氧片中的AL，都可被電性相同、大小相近的其他離子所替代，而晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。替代和被替代的離子大小要相近，只有這樣才能保證替代后的晶形不發(fā)生改變。同晶異質(zhì)替代大部分是以低價離子代替高價離子，比如：硅氧四面體中的si4+可被AL3+或Fe3+代替。鋁氧八面體中的AL3+可被Mg2+或Fe2+代替。由于低價離子取代了高價離子的位置，這樣就少了一個正電荷，也就是多了一個負(fù)電荷，從而膠體帶上了負(fù)電。同晶異質(zhì)替代的結(jié)果是晶型不變，但使晶體帶電，并且?guī)ж?fù)電。第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2主要的層狀鋁硅酸鹽礦物高嶺石：單位晶層由一層硅氧片和一層鋁氧片構(gòu)成。故稱1：1型礦物。晶層之間以氫鍵連接，聯(lián)結(jié)力強(qiáng)。比表面積小，可塑性、粘結(jié)性、粘著性、膨脹性很弱。晶層中很少或沒有同晶替代作用，對水和陽離子的吸附力弱，CEC=3-15cmol(+)/kg。主要存在于風(fēng)化程度較高的土壤中。第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五高嶺石結(jié)構(gòu)示意圖第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五

蒙脫石：兩層硅氧片中間夾一層鋁氧片構(gòu)成蒙脫石晶層。2：1型礦物。晶層之間通過范德華力連接相連，聯(lián)結(jié)力弱。水分子和養(yǎng)分離子易于進(jìn)入晶層之間。比表面積大，脹縮性、粘結(jié)性、粘著性、可塑性很強(qiáng)。晶格內(nèi)普遍存在同晶替代作用，對水和陽離子的吸附力強(qiáng)，CEC=60-100Cmol(+)/kg。主要存在于風(fēng)化度低的土壤中。東北的黑鈣土和華北的栗鈣土。第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五蒙脫石結(jié)構(gòu)示意圖第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五三、土壤膠體的構(gòu)造土壤膠體是一種分散系統(tǒng)。土壤膠體分散系統(tǒng)由膠體微粒（分散相）和微粒間溶液（分散介質(zhì)）兩大部分構(gòu)成。膠體微粒在構(gòu)造上可分為微粒核、決定電位離子層和補(bǔ)償電位離子層三部分，決定電位離子層與補(bǔ)償電位離子層共同組成膠體微粒的雙電層。第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五土壤膠體顆粒的構(gòu)造土壤膠體分散系土壤膠粒土壤溶液膠核雙電層決定電位離子層（內(nèi)層）補(bǔ)償離子層非活性層擴(kuò)散層第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五四、土壤膠體的性質(zhì)土壤膠體特性對土壤理化性質(zhì)和肥力狀況起著巨大影響其中影響最大的特性有三個：（一）土壤膠體具有巨大的比表面積和表面能（二）膠體帶有電荷（三）土壤膠體存在可改變的狀態(tài)――凝聚與分散

第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（一）土壤膠體具有巨大的比表面積和表面能比表面積也可叫做比面積，是指每單位重量（或體積）物體的總表面積。比面積＝總表面積/重量

S=1.13*1/r（cm2/g)單位為m2/g、cm2/g。相同重量的物體，顆粒分得越小，其比面積越大。由于表面的存在而產(chǎn)生的能量，叫做表面能。物質(zhì)的比面積越大，吸附能力也越強(qiáng)，由于土壤膠體具有巨大的表面積，因而具有巨大的表面能。

表面能是因為物體表面分子所處的特殊條件引起的。第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（二）土壤膠體的帶電性

永久電荷可變電荷土壤膠體的電荷1.永久電荷：不受土壤溶液pH值變化而影響的電荷類型稱為永久電荷.由于層狀硅酸鹽礦物晶格中的同晶替代作用所產(chǎn)生，2：1型的蒙脫石和伊利石同晶替代離子比較多，電荷以永久負(fù)電荷為主。第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2.可變電荷：

隨著土壤溶液pH變化而變化的電荷叫可變電荷。

可變電荷產(chǎn)生的原因：主要是膠體表面分子或者原子團(tuán)的解離。（1）含水氧化硅分子解離（2）粘土礦物晶面上羥基解離（1:1型粘土礦物解離）（3）腐殖質(zhì)上某些原子團(tuán)的解離（4）含水氧化鐵鋁表面解離出OH-或H+，帶正電荷或負(fù)電荷（在pH<5時帶正電荷）

第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（三）土壤膠體的分散性和凝聚性

土壤膠體有兩種存在的狀態(tài)，一種是膠體微粒相當(dāng)充分的分散在介質(zhì)中形成的一種外觀頗似溶液的膠體溶液，稱為溶膠。另一種是在外因作用下，膠體微粒聚合在一起形成的處于凝聚狀態(tài)的膠體，稱為凝膠。溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，這一過程稱為凝聚；凝膠也可以轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z，這一過程稱為分散。第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五

影響土壤膠體凝聚和分散的因素：1.土壤中交換性陽離子的種類：土壤膠體主要帶負(fù)電核，所以加入陽離有使膠體凝聚的作用。土壤中常見的陽離子引起膠體凝聚作用大小的順序為:

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+

離子價越大，其凝聚作用越強(qiáng)，同價陽離子中，離子半徑大的，水膜厚度小的離子凝聚作用強(qiáng)。2.電解質(zhì)的濃度影響凝聚作用，隨著濃度的加大，其凝聚作用也增強(qiáng)。第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五膠體凝聚有可逆的也有不可逆的由一價陽離子凝聚形成的凝膠，如反復(fù)用水淋洗，凝膠可再分散形成溶膠，這叫做可逆凝聚。由二價以上的陽離子凝聚形成的凝膠，很難或不能再變成溶膠的凝聚稱為不可逆凝聚（可形成水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)）。第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五五、土壤的吸收性能土壤吸收性能是指土壤能吸收和保持土壤溶液中的分子、離子、懸液中的懸浮顆粒、氣體以及微生物的能力。土壤吸收性能的類型（一）機(jī)械吸收作用機(jī)械吸收作用是指土壤對進(jìn)入其中的固體物質(zhì)的機(jī)械阻留作用。機(jī)械吸收作用對養(yǎng)分的保存只能起部分極其有限的作用。

第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（二）物理吸收作用物理吸收作用是指土壤對分子態(tài)物質(zhì)的吸附保持作用。土壤物理吸收性能是由表面能所引起的，任何物體都有減少其表面能以求穩(wěn)定的趨勢。正吸附：可以使土壤中的許多養(yǎng)分，避免隨著土壤溶液而流失，或成氣體而揮發(fā)。起到保肥作用。負(fù)吸附：使土壤中的許多養(yǎng)分，離開土粒，隨著土壤溶液而流失。CL-SO42-NO3-第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（三）化學(xué)吸收作用化學(xué)吸收作用是指易溶性鹽在土壤中轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性鹽而保存在土壤中的過程。這種吸收是以純化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的，也稱為化學(xué)固定。如過磷酸鈣施入北方石灰性土壤中形成磷酸鈣沉淀?；瘜W(xué)吸收作用易造成養(yǎng)分的無效化，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)避免這種固定作用的發(fā)生。第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（四）物理化學(xué)吸收作用土壤的物理化學(xué)吸收作用也叫離子交換作用，是指土壤膠體擴(kuò)散層中的離子與土壤溶液中的離子進(jìn)行交換，并經(jīng)常保持動態(tài)平衡的作用。物理化學(xué)吸收作用對保肥供肥有著極其重要的意義。如，施入各種化肥，其中有大量的鉀離子、氨離子均可被吸附保存，而等量交換出原吸附在土壤膠體上的離子，如鈣離子、鎂離子、氫離子等。第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（五）生物吸收作用生物吸收作用是指土壤借助生活于其中的微生物、植物根系的生命活動，把植物營養(yǎng)元素積累保存于土體中的作用。生物吸收具有三個特點：（1）選擇性（2）表聚性（3）創(chuàng)造性第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五六、土壤陽離子交換作用（一）概念：土壤中帶負(fù)電的膠體所吸附的陽離子與土壤溶液中的陽離子互相交換，稱為陽離子交換作用離子從溶液中轉(zhuǎn)移的膠體上的過程，稱為離子的吸附過程；原來吸附在膠體上的離子轉(zhuǎn)移到溶液中的過程，稱為離子的解吸過程。土壤膠粒土壤膠粒Ca2+NH4++3K++Ca2++NH4+

K+K+K+第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（二）陽離子交換作用的基本特征1、可逆反應(yīng)陽離子交換反應(yīng)同時向兩個相反方向進(jìn)行，而任何一個方向的反應(yīng)都不能進(jìn)行完全。達(dá)到的平衡是一種動態(tài)平衡，如果溶液的組成或濃度改變，則反應(yīng)又在新的情況下重新達(dá)到平衡。2、等當(dāng)量交換

和其它化學(xué)反應(yīng)相同，土壤陽離子交換反應(yīng)是等當(dāng)量電荷對等當(dāng)量電荷的反應(yīng)。3、受質(zhì)量作用定律的支配根據(jù)質(zhì)量作用定律，離子價數(shù)較低，交換能力較弱的離子，如果提高它的濃度，也可以交換出離子價數(shù)較高，吸附力較強(qiáng)的離子。第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五陽離子交換能力是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的順序為：

Fe3+＞Al3+＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+（三）陽離子交換能力第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五影響陽離子交換的因素(1)離子價：高價離子交換能力＞低價離子(2)離子半徑和離子水化半徑

同價離子，半徑越大，水化度越小，離子交換能力越強(qiáng)。(3)離子的運動速度

運動速度越快，越易被膠粒吸附，交換能力越強(qiáng)。(4)離子濃度

受質(zhì)量作用定律的支配，交換能力較弱的離子，如果提高它的濃度，也可以把交換能力強(qiáng)的離子從膠體上交換出來。

第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（四）陽離子交換量（CEC)

在一定的pH值條件下，土壤所含有的交換性陽離子的最大量，就稱為土壤的陽離子交換量，簡稱CEC。測定CEC時通常將土壤pH控制為7CEC的表示單位是是每公斤土壤交換性陽離子的厘摩爾數(shù)，Cmol(+)/kg.(me/100g)第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五

陽離子交換量是評價土壤肥力的一個指標(biāo)。它直接反應(yīng)土壤可以提供速效養(yǎng)分的數(shù)量，也能表示土壤保肥能力、緩沖能力的大小。

CEC<1010-20>20保肥能力低中高第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五影響陽離子交換量的主要因素有：（1）質(zhì)地：質(zhì)地越粘重，含粘粒越多的土壤，其陽離子交換量也越大。（2）有機(jī)質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量高，CEC也高；（3）無機(jī)膠體種類：蒙脫石>水云母>高嶺石>氧化鐵、鋁（4）土壤酸堿度：在一般情況下，隨著pH的升高，土壤的可變電荷增加，土壤的陽離子交換量也增加。質(zhì)地砂土砂壤土壤土粘土CEC1~57~815~1825~30第四十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五土壤陽離子交換量大小的地帶性規(guī)律：我國土壤CEC大小，由南向北，由西向東逐漸增加。南北差異主要由于粘土礦物組成不同造成。北方土壤以蒙脫石和水云母為主，CEC大，南方以高嶺石及含水氧化鐵鋁為主，CEC小。東西部土壤CEC大小差異，是由于質(zhì)地不同造成，西部土壤質(zhì)地粗，東部土壤質(zhì)地較細(xì)。第四十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（五）鹽基飽和度

鹽基離子:K+,Na+,Ca2+,Mg2+,

土壤膠體吸附的NH4+陽離子

致酸離子:Al3+,H+土壤中鹽基離子占交換性陽離子總量的百分率,稱為鹽基飽和度.鹽基飽和的土壤具有中性或堿性反應(yīng)；而鹽基不飽和的土壤則具有酸性反應(yīng)，為酸性土壤；

100%我國土壤鹽基飽和度