安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)講義-土壤學(xué)5(土壤膠體)課件

Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§1土壤膠體的概念土壤膠體：土壤中粒徑<1μm或2μm的礦物質(zhì)顆粒和腐殖質(zhì)（分散相）分散在土壤溶液（分散介質(zhì)）中的分散體系。粗分散體系膠體分散體系分子、離子分散體系Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§1土壤膠體的概念1Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§2土壤膠體的類型無機(jī)膠體；有機(jī)膠體；有機(jī)無機(jī)復(fù)合體

含水氧化物無機(jī)膠體層狀硅酸鹽礦物Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§2土壤膠體的類型2Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能硅氧片和硅四面體：硅四面體是由四個(gè)氧原子和一個(gè)硅原子所組成。許多硅四面體可以共用氧原子形成一層。氧原子排列成為中間有空的六角形，稱為硅氧片。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能硅氧片和硅四面體：3Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能SiAlOxygensSilicon

TetrahedronAluminum

OctahedronSiAlOxygensChap.5土壤膠體與土壤吸收性能SiAlOxygens4Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能Share

1oxygenChap.5土壤膠體與土壤吸收性能Share

1oxy5Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能鋁氧片和鋁八面體鋁八面體為6個(gè)氧原子圍繞一個(gè)鋁原子而構(gòu)成。許多個(gè)鋁八面體相互連接成片稱為鋁氧片。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能鋁氧片和鋁八面體6Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能SiAlOxygensSilicon

TetrahedronAluminum

OctahedronSiAlOxygensChap.5土壤膠體與土壤吸收性能SiAlOxygens7OctahedralSheetShare

2oxygensOctahedralSheetShare

2oxygen8SilicaTetrahedralSheetAluminumOctahedralSheetKaoliniteNon-Expanding10cmol(+)/kg1:1ClaySilicaTetrahedralSheetAlumin9SiTetra.AlOct.SiTetra.2:1ClayMontmorilloniteExpanding100cmol(+)/kgH2OH2OH2OH2OH2OSiTetra.AlOct.SiTetra.2:1C10KInterlayerK+KKKKK2:1ClayIlliteNon-expanding40cmol(+)/kgKInterlayerK+KKKKK2:1ClayIll11Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§3土壤膠體的構(gòu)造土壤膠體分散系包括膠體微粒（為分散相）和微粒間溶液（為分散介質(zhì)）兩大部分。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)償離子層三部分組成。（1）微粒核：主要由腐殖質(zhì)、無定形的SiO2、氧化鋁、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)膠體的分子群所構(gòu)成。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§3土壤膠體的構(gòu)造12Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§3土壤膠體的構(gòu)造（2）雙電層：微粒核表面的一層分子，通常解離成離子，形成一層離子層（決定電位離子層）；通過靜電引力，在其外圍形成一層符號(hào)相反而電量相等的離子層（補(bǔ)償離子層）。又稱之為雙電層。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§3土壤膠體的構(gòu)造13Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能14Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性（1）土壤膠體具有巨大比表面和表面能土壤膠體表面類型Surfacetypesofthesoilcolloid（一）Siloxanesurface(硅氧烷表面)

（二）Hydrousoxidesurface(水合氧化物表面)

（三）Organicmattersurface(有機(jī)物表面)Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性15安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)講義——土壤學(xué)5(土壤膠體)課件16安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)講義——土壤學(xué)5(土壤膠體)課件17安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)講義——土壤學(xué)5(土壤膠體)課件18安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)講義——土壤學(xué)5(土壤膠體)課件19Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能土壤膠體比表面和表面能比表面（比面）是指單位重量或單位體積的總表面積（cm2/g，cm3/cm3）。由于表面分子與外界的液體或氣體介質(zhì)相接觸，因而在內(nèi)、外方面受到的是不同分子的吸引力，不能相互抵消，所以具有多余的表面能。這種能量產(chǎn)生于物體表面，故稱為表面能。膠體數(shù)量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附能力也就愈強(qiáng)。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能土壤膠體比表面和表面20表8－1土壤中常見粘土礦物的比表面積（m2·g-1）膠體成分內(nèi)表面積外表面積總表面積蒙脫石蛭石水云母高嶺石埃洛石水化埃洛石水鋁英石700-750400-7500-500400130-40015-1501-5090-1505-4010-4525-30130-400700-850400-80090-1505-4010-45430260-800表8－1土壤中常見粘土礦物的比表面積（m2·g-1）膠21ThespecificsurfaceareaofmainsoilsinChinaLatosol(磚紅壤)60－80m2

g-1

Redsoil100－150m2

g-1

Yellowbrownearth200－300m2

g-1

Measurementmethodofthespecificsurfacearea1、Instrumentmethod2、Adsorbedmethod:nitrogen、glycerineetc.、Thespecificsurfaceareaof22Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性（1）土壤膠體表面比表面（比面）是指單位重量或單位體積的總表面積（cm2/g，cm3/cm3）。由于表面分子與外界的液體或氣體介質(zhì)相接觸，因而在內(nèi)、外方面受到的是不同分子的吸引力，不能相互抵消，所以具有多余的表面能。這種能量產(chǎn)生于物體表面，故稱為表面能。膠體數(shù)量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附能力也就愈強(qiáng)。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性23Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性24Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性（2）土壤膠體帶有電荷永久電荷：它是由于粘粒礦物晶層內(nèi)的同晶替代所產(chǎn)生的電荷。這種電荷不受介質(zhì)的pH值的影響，主要發(fā)生在2：1型粘粒礦物中，在1：1型礦物中極少。可變電荷：電荷的的數(shù)量和性質(zhì)隨介質(zhì)pH而改變的電荷。土壤的pH0值是表征其可變電荷特點(diǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)，它被定義為土壤的可變正、負(fù)電荷數(shù)量相等時(shí)的pH值，或稱為可變電荷零點(diǎn)、等電點(diǎn)。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性25Silicon

TetrahedronAluminum

OctahedronMgAlExamplesofIsomorphicSubstitutionProducesa

NetNegative

ChargeAl3+forSi4+Mg2+forAl3+Silicon

TetrahedronAluminum

Oc26Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性產(chǎn)生可變電荷的主要原因有：①粘粒礦物晶層上的斷鍵等②粘粒礦物晶面上-OH基的解離；含水鐵、鋁氧化物的解離；腐殖質(zhì)上某些原子團(tuán)的解離；含水氧化硅的解離；腐殖質(zhì)上某些原子團(tuán)的解離③從介質(zhì)中吸收離子Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性27Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性可變電荷土壤：指含有較多鐵、鋁氧化物，土壤帶電性隨pH變化而變化的土壤。（主要是酸性土壤）如：三水鋁石pH低于pH0時(shí)，Al2O3?3H2O2Al(OH)2++2OH-pH高于pH0時(shí)，Al2O3?3H2O2Al(OH)2O-+2H+Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性28Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性腐殖質(zhì)上某些原子團(tuán)的解離

COOHCOO-OHO-NH3

+

NH2Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性N29Theelectricdoublelayer:

Theactualdistributionofcationsinasystemisconsideredtogradecontinuouslyfromahighconcentrationnearthecolloidsurfacetoaconsiderablylowerconcentrationinthebulksolution.Thistypeofdistributionisknownasadiffusedoublelayer.（三）Thesurfacepotentialofsoilcolloid圖8－2雙電層模型

Theelectricdoublelayer:（三30Theelectricdoublelayer:

Theactualdistributionofcationsinasystemisconsideredtogradecontinuouslyfromahighconcentrationnearthecolloidsurfacetoaconsiderablylowerconcentrationinthebulksolution.Thistypeofdistributionisknownasadiffusedoublelayer.（三）Thesurfacepotentialofsoilcolloid圖8－2雙電層模型

Theelectricdoublelayer:（三31Boltzmannequation

Cx=Coexp()Gouy（1910）andChapman（1913）putforwardmodelofelectricdoublelayer:

x=

oexp(-k·x)

Where

o

issurfacepotential;kisconstant,under25°C:

k＝3×107Z·Co

1/KiscalledbythethicknessofdiffusiondoublelayerBoltzmannequationCx=Coexp(32Theelectricdoublelayer:

Theactualdistributionofcationsinasystemisconsideredtogradecontinuouslyfromahighconcentrationnearthecolloidsurfacetoaconsiderablylowerconcentrationinthebulksolution.Thistypeofdistributionisknownasadiffusedoublelayer.（三）Thesurfacepotentialofsoilcolloid圖8－2雙電層模型

Theelectricdoublelayer:（三33Boltzmannequation

Cx=Coexp()Gouy（1910）andChapman（1913）putforwardmodelofelectricdoublelayer:

x=

oexp(-k·x)

Where

o

issurfacepotential;kisconstant,under25°C:

k＝3×107Z·Co

1/KiscalledbythethicknessofdiffusiondoublelayerBoltzmannequationCx=Coexp(341879年1910年1924年1947年1879年1910年1924年1947年35Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性（3）土壤膠體有凝聚和分散作用土壤膠體溶液如受到某些因素的影響，使膠體微粒下沉，由溶膠變成凝膠，這種作用叫做膠體的凝聚作用；反之，由凝膠分散成溶膠，叫做膠體的分散作用。促使膠體凝聚或分散的原因，主要決定于電動(dòng)電位的高低。而電動(dòng)電位的高低又取決于擴(kuò)散層的厚度.Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性36Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性凡電荷數(shù)量少而水化度大的離子(如Na+)，形成的擴(kuò)散層厚，電動(dòng)電位高。使膠體分散；電荷數(shù)量多，水化度小的離子(如Ca2+)，形成的擴(kuò)散層薄，電動(dòng)電位降至一定程度時(shí)，膠體即可凝聚。電解質(zhì)種類對(duì)膠體的凝聚作用有影響：一般是一價(jià)離子<二價(jià)離子<三價(jià)離子。Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+電解質(zhì)濃度對(duì)膠體的凝聚也有很大影響:濃度大,可促使凝膠形成。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§4土壤膠體的特性37Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用土壤吸收性能是指土壤能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。土壤吸收性能亦稱土壤吸收保肥性能。1.土壤吸收性能類型（1）機(jī)械吸收性：是指土壤對(duì)固體物體的機(jī)械阻留，如施用有機(jī)肥時(shí)，其中大小不等的顆粒，均可被保留在土壤中。這種吸收作用取決于土壤的孔隙狀況。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸38Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用（2）物理吸收性：這種吸收性能是指土壤對(duì)分子態(tài)物質(zhì)的保持能力，它表現(xiàn)在某些養(yǎng)分聚集在膠體表面，其濃度比在溶液中為大，另一些物質(zhì)則膠體表面吸附較少而溶液中濃度較大，前者稱為正吸附，后者稱為負(fù)吸附。產(chǎn)生這種作用的原因是由于固體顆粒界面上的表面自由能的作用。氣態(tài)物質(zhì)（水氣、CO2、NH3等）和細(xì)菌的吸附也是物理吸附。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸39Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用（3）化學(xué)吸附性：是指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中的過程。這種吸收是純化學(xué)作用過程。（4）物理化學(xué)吸收性：是指土壤對(duì)可溶性物質(zhì)中離子態(tài)養(yǎng)分的保持能力。這種吸收是以物理吸收為基礎(chǔ)，又呈現(xiàn)出化學(xué)反應(yīng)相似的特性。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸40Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用（5）生物吸收性：是指土壤中植物根系和微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，這種吸收作用的特點(diǎn)是選擇性，并且具有累積和集中養(yǎng)分的作用。上述五種吸收性不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互影響的，都具有重要的意義。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸41Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用2.土壤物理化學(xué)吸收性能土壤物理化學(xué)吸收性能即是土壤離子交換作用。分為土壤陽離子交換作用和陰離子交換作用（1）土壤陽離子交換作用

K+

+CaCl2=Ca2++2KClK+離子從溶液中轉(zhuǎn)移到膠體上的過程，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。土壤膠體土壤膠體Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸42CationExchangeCapacity----------------SO

I

LCa+2Mg+2Al+3K+Ca+2Mg+2H+Ca+2H+Ca+2Mg+2K+Al+3Ca+2H+Mg+2H+Mg+2Ca+2K+Ca+2Ca+2ExchangeableCationsAl+3H+K+H+Mg+2Ca+2Mg+2ReserveActiveActiveCationExchangeCapacity43Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用①陽離子交換作用特點(diǎn)：a.可逆反應(yīng)b.反應(yīng)迅速c.等量交換它是等量電荷對(duì)等量電荷的反應(yīng)。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸44Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用②陽離子交換能力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有能力。各種陽離子交換能力大小的順序?yàn)椋篎e3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+影響陽離子交換能力的因素有：a.電荷的數(shù)量b.離子半徑和離子水化半徑c.離子濃度Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸45Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用②陽離子交換能力b.離子半徑和離子水化半徑同價(jià)離子的半徑增大，則單位表面積的電荷量（電荷密度）減少，電場強(qiáng)度減弱，故對(duì)極性水分子的吸引力小，離子外圍的水膜薄，水化半徑減少，因而離負(fù)電膠體的距離較近，相互吸引力較大，具有較強(qiáng)的交換能力。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸46Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸47Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用③土壤陽離子交換量（CationExchangeCapacityCEC）陽離子交換量（或吸收容量）是指在一定pH值條件下每1000g干土所能吸附的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)（cmol/kg）。土壤陽離子交換量可以作為土壤保肥力的指標(biāo)，>20,10～20，〈10。CEC的大小，受下述因素的影響：a、膠體數(shù)量b、膠體類型（土壤質(zhì)地）c、土壤pH值Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸48Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能49StructureofHumicAcidR-C00-R-C00-R-C00-R-C00-R-C00-ContributestohighCEC200cmol(+)/kgStructureofHumicAcidR-C00-R50Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用④土壤的鹽基飽和度土壤膠體吸附的陽離子分為兩類，一類是鹽基離子，包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等；另一類是致酸離子，即H+、Al3+。土壤中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)稱為土壤的鹽基飽和度，即：鹽基飽和度=[交換性鹽基總量/陽離子交換量]×100%Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換51Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用⑤影響交換性陽離子有效度的因素a.交換性陽離子的飽和度離子飽和度：土壤吸附的某離子量占土壤全部陽離子量的百分?jǐn)?shù)。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換52Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用b.陪伴（補(bǔ)）離子效應(yīng)土壤膠體上同時(shí)吸附著多種陽離子，對(duì)其中某種離子來說，其余的各種離子都稱為它的陪補(bǔ)離子。Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸53Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用c.陽離子的非交換性吸收（專性吸附）專性吸附的陽離子均為非交換性離子，其反應(yīng)也不完全遵循可逆反應(yīng)和等量交換的規(guī)則。1）陽離子與氧化鐵、鋁及其水合物膠體表面氧的結(jié)合作用Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸54Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用

OH-1O-M0Fe+M2+Fe+H+OHOH

OH-1O-MOH-1Fe+MOH+Fe+H+OHOHChap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸55Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用2）礦物固定、晶穴固定：NH4+、K+離子被固定在硅氧四面體聯(lián)成的六邊型晶穴中，不能被交換出來的現(xiàn)象。陽離子專性吸附的意義：富集作用——地球化學(xué)探礦調(diào)控金屬元素的生物毒性和生物有效性Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸56Chap.5土壤膠體與土壤吸收性能§5土壤膠體的交換吸附作用（2）陰離