土壤胶体与与土壤吸收性能.ppt

土壤化学性质 第 六 章 土壤胶体与与土壤吸收性能 第七章 土壤的酸碱性 一、 土壤胶体的概念及种类 二、层状硅酸盐粘土矿物 三、土壤胶体的构造 四、 土壤胶体的性质 五、 土壤的吸收性能 六、 土壤阳离子交换作用 一 、 土壤胶体的概念及种类 概念： 土壤胶体： 大小在 1-100nm的土壤固体颗粒 。 实际上直径小于 1000nm的土壤粘粒都具有胶 体的性质 。 所以在土壤学中 ， 通常把粒径在 1000nm以下的土壤粘粒都作为土壤胶体颗粒 ， 比 化学上的胶体颗粒上限大 10倍 土壤无机胶体 层状硅酸盐粘 土矿物 2： 1型如蒙脱石 1： 1型如高岭石 氧化物及其 水合物 Al Fe Si 的氧化物及水合 氧化物，常呈胶膜被覆于 土粒表面 土壤有机胶体 主要是腐殖质 少量的蛋白质或氨基酸 多肽，多糖类化合物 土壤有机无机复合体 类型 （一）土壤无机胶体 无机胶体存在土壤粘粒之中，包括： 层状（铝）硅酸盐矿物 ：是无机胶体的主要部 分，包括高岭石类、蒙脱石类及水化云母类。 含水氧化硅胶体 ；成分为 SiO2.H2O （ H2SiO3） . 含水氧化铁、铝胶体 ；褐铁矿、针铁矿、水铝 石、三水铝石等 . （二）土壤有机胶体 土壤有机胶体主要指腐殖质。 胶体表面的基团在 pH升高时带负电荷， pH降低时带正电荷。 有机胶体会被微生物分解。 （三）有机 -无机复合胶体 由有机胶体与无机胶体互相结合而形成 的复合胶体。 在土壤中，有机胶体和无机胶体很少独 立存在，大部分是以有机 -无机复合胶体 的形式存在的。 二、 层状铝硅酸盐粘土矿物 1 构造特征 基本结构单位 构成层状硅酸盐粘土矿物晶格 的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。 硅氧四面体 （简称四面体） 四面体的基本 结构是由一个硅原子和四个氧原子所构成。 硅原子位于中央，氧原子占据四个顶点。 铝氧八面体 （简称八面体） 八面体的基本 结构是 6个氧原子围绕 1个铝原子所构成。铝 原子位于中央，氧原子占据六个顶点。 硅氧四面体结构示意图 硅四面体 铝氧八面体结构示意图 铝氧八面体 硅氧片和铝氧片 硅氧四面体和硅氧四面体之间通过共用氧 原子互相联结就形成了 硅氧片 。 (底层氧离子 电性得到中和，成为稳定结构，而顶层氧的电 荷没变，还是 -1价这样的氧成为活性氧） 铝氧八面体与铝氧八面体通过共用氧原子 互相连接就形成了 水铝片 。（氧原子的电荷由 -1.5价变成 -1价） 硅氧片与铝氧片（水铝片）称为基本晶片。 硅氧片 硅 氧 四 面 体 硅氧四面体互相联结示意图 硅氧四面体联结成硅氧片 ,在平面 上形成六角形网眼 铝氧片 铝氧八面体： AlO69- 单位晶层 由于硅片和铝片都带有负电荷，不稳定， 必须通过重叠化合才能形成稳定的化合 物。 硅片和铝片以不同的方式堆叠，形成层 状铝硅酸盐的单位晶层。两种晶片的配 合比例不同，而构成 1： 1型、 2： 1型。 高岭石结构示意图 高岭石结构示意图 蒙脱石结构示意图 粘粒矿物晶格内的 同晶异质替代 同晶替代 是指在 铝硅酸盐形成过程中 ，硅氧片中的 si 以及铝氧片中的 AL，都可被电性相同、大小相近的 其他离子所替代，而晶格构造保持不变的现象。 替代和被替代的离子大小要相近，只有这样才能保证 替代后的晶形不发生改变 。 同晶异质替代 大部分是以低价离子代替高价离子，比 如： 硅氧四面体中的 si 4+可被 AL3+或 Fe3+代替。 铝氧 八面体中的 AL3+可被 Mg2+或 Fe2+代替。由于低价离子 取代了高价离子的位置，这样就少了一个正电荷，也 就是多了一个负电荷，从而胶体带上了负电。 同晶异质替代的结果是晶型不变，但使晶体带电，并 且带负电。 2 主要的层状铝硅酸盐矿物 高岭石： 单位晶层由一层硅氧片和一层铝氧片构 成。故称 1： 1型矿物 。 晶层之间以 氢键连接 ，联结力强。 比表面积小， 可塑性、粘结性、粘着性、 膨胀性很弱。 晶层中 很少或没有同晶替代 作用，对水 和阳离子的吸附力弱， CEC=3-15 cmol(+)/kg。 主要存在于风化程度较高的土壤中。 高岭石结构示意图 蒙脱石 ： 两层硅氧片中间夹一层铝氧片构成蒙脱石晶层。 2： 1型矿物 。 晶层之间通过 范德华力连接相连，联结力弱。 水分子和养分离子易于进入晶层之间。 比表面积大，胀缩性、粘结性、粘着性、可塑 性很强。 晶格内普遍存在 同晶替代 作用， 对水和阳离子 的 吸附力强 ， CEC=60-100 Cmol(+)/kg。 主要存在于风化度低的土壤中。东北的黑钙土 和华北的栗钙土。 蒙脱石结构示意图 三、土壤胶体的构造 土壤胶体是一种分散系统。土壤胶体分散 系统由 胶体微粒 （分散相）和 微粒间溶液 （分散介质）两大部分构成。 胶体微粒在构造上可分为 微粒核 、 决定电 位离子层 和 补偿电位离子层 三部分， 决定 电位离子层与补偿电位离子层共同组成胶 体微粒的双电层。 土壤胶体颗粒的构造 土壤胶体分散系 土壤胶粒 土壤溶液 胶核 双电层 决定电位离子层 （内 层） 补偿离子层 非活性层 扩散层 四、土壤胶体的性质 土壤胶体特性对土壤理化性质和肥力状 况起着巨大影响其中影响最大的特性有 三个： （一）土壤胶体具有巨大的比表面积和 表面能 （二）胶体带有电荷 （三）土壤胶体存在可改变的状态 凝聚与分散 （一）土壤胶体具有巨大的比表面积和表面能 比表面积也可叫做比面积，是指每单位重 量（或体积）物体的总表面积。比面积 总表面积 /重量 S=1.13*1/r（ cm2/g) 单位为 m2/g、 cm2/g。相同重量的物体，颗 粒分得越小，其比面积越大。 由于表面的存在而产生的能量，叫做表面能。 物 质的比面积越大，吸附能力也越强，由于土壤胶 体具有巨大的表面积，因而具有巨大的表面能。 表面能是因为物体表面分子所处的特殊条件引起 的。 （二）土壤胶体的带电性 永久电荷 可 变电荷 土壤胶体的电荷 1.永久电荷： 不受土壤溶液 pH值变化而影响的 电荷类型称为永久电荷 . 由于层状硅酸盐矿物 晶格中的同晶替代作用所 产生， 2： 1型的蒙脱石和伊利石同晶替代离子 比较多，电荷以永久负电荷为主。 2.可变电荷 ： 随着土壤溶液 pH变化而 变化的电荷叫可变电荷。 可变电荷产生的原因： 主要是胶体表面分 子 或者原子团的解离 。 （ 1）含水氧化硅分子解离 （ 2）粘土矿物晶面上羟基解离（ 1:1型粘 土矿物解离） （ 3）腐殖质上某些原子团的解离 （ 4）含水氧化铁铝表面解离出 OH-或 H+， 带正电荷或负电荷（在 pHAl3+Ca2+Mg2+ H+ NH4+K+Na+ 离子价越大，其凝聚作用越强，同价阳离子中， 离子半径大的，水膜厚度小的离子凝聚作用强。 2.电解质的浓度影响凝聚作用 ，随着浓度的加大， 其凝聚作用也增强。 胶体凝聚有可逆的也有不可逆的 由一价阳离子凝聚形成的凝胶，如反复用水淋 洗，凝胶可再分散形成溶胶，这叫做 可逆凝聚 。 由二价以上的阳离子凝聚形成的凝胶，很难或 不能再变成溶胶的凝聚称为 不可逆凝聚（可形 成水稳性团粒结构）。 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、离子、悬液中的悬浮 颗粒、气体以及微生物的能力。 土壤吸收性能的类型 （一）机械吸收作用 机械吸收作用 是指土壤对进入其中的固 体物质的机械阻留作用。 机械吸收作用 对养分的保存只能起部分极其有限的作 用。 （二）物理吸收作用 物理吸收作用是指土壤对 分子态物质的吸附 保持 作用 。 土壤物理吸收性能是由表面能所引起的，任 何物体都有减少其表面能以求稳定的趋势。 正吸附 ：可以使土壤中的许多养分，避免随 着土壤溶液而流失，或成气体而挥发。起到 保肥作用。 负吸附： 使土壤中的许多养分，离开土粒， 随着土壤溶液而流失。 CL- SO42- NO3- （三）化学吸收作用 化学吸收作用是指易溶性盐在土壤中转 变为难溶性盐而保存在土壤中的过程。 这种吸收是以纯化学反应为基础的，也 称为 化学固定 。 如过磷酸钙施入北方石灰性土壤中形成 磷酸钙沉淀。 化学吸收作用易造成养分的无效化，在 农业生产上应避免这种固定作用的发生 。 （四）物理化学吸收作用 土壤的物理化学吸收作用 也叫离子交换 作用， 是指土壤胶体扩散层中的离子与 土壤溶液中的离子进行交换，并经常保 持动态平衡的作用。 物理化学吸收作用对保肥供肥有着极其 重要的意义。 如，施入各种化肥，其中有大量的钾离 子、氨离子均可被吸附保存，而等量交 换出原吸附在土壤胶体上的离子，如钙 离子、镁离子、氢离子等。 （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、植物根系的生命活动，把植 物营养元素积累保存于土体中的作用。 生物吸收具有三个特点： （ 1）选择性（ 2）表聚性（ 3）创造性 六 、 土壤阳离子交换作用 （ 一 ） 概念： 土壤中带负电的胶体所吸附的阳 离子与土壤溶液中的阳离子互相交换 ， 称为 阳 离子交换作用 离子从溶液中转移的胶体上的过程 ， 称为 离子 的吸附过程 ；原来吸附在胶体上的离子转移到 溶液中的过程 ， 称为 离子的解吸过程 。 土壤 胶粒 土壤 胶粒 Ca 2+ NH4+ +3K + + Ca 2+ +NH4+ K + K+ K+ （二）阳离子交换作用的基本特征 1、可逆反应 阳离子交换反应 同时向两个相反方向进 行 ，而任何一个方向的反应都不能进行完全。达到的平衡 是一种动态平衡，如果溶液的组成或浓度改变，则反应又 在新的情况下重新达到平衡。 2、等当量交换 和其它化学反应相同，土壤阳离子交 换反应是 等当量电荷对等当量电荷 的反应。 3、受质量作用定律的支配 根据质量作用定律，离 子价数较低，交换能力较弱的离子，如果提高它的浓度， 也可以交换出离子价数较高，吸附力较强的离子。 阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体上 另一种阳离子交换出来的能力 。 各种阳离 子交换能力大小的顺序为： Fe3+ Al3+ H+ Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+ （三）阳离子交换能力 影响阳离子交换的因素 (1)离子价： 高价离子交换能力低价离子 (2)离子半径和离子水化半径 同价离子，半径越大，水化度越小，离子交换能力越 强。 (3)离子的运动速度 运动速度越快，越易被胶粒 吸附，交换能力越强 。 (4)离子浓度 受质量作用定律的支配，交换能力较 弱的离子，如果提高它的浓度，也可以把交换能力强 的离子从胶体上交换出来。 （ 四 ） 阳离子交换量 （ CEC) 在一定的 pH值条件下 ， 土壤所含有的交换性阳 离子的最大量 ， 就称为土壤的 阳离子交换量 ， 简称 CEC。 测定 CEC时通常将土壤 pH控制为 7 CEC的表示单位是是每公斤土壤交换性阳离子 的厘摩尔数， Cmol(+)/kg. (me/100g) 阳离子交换量是评价土壤肥力的 一个指标。 它直接反应土壤可以提 供速效养分的数量，也能表示土壤 保肥能力、缓冲能力的大小。 CEC 20 保肥能力 低 中 高 影响阳离子交换量的主要因素有： （ 1）质地 ：质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳 离子交换量也越大 。 （ 2）有机质： 有机质含量高， CEC也高； （ 3）无机胶体种类： 蒙脱石 水云母 高岭石 氧化铁、铝 （ 4）土壤酸碱度： 在一般情况下，随着 pH的升高， 土壤的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增 加。 质地 砂土 砂壤土 壤土 粘土 CEC 15 78 1518 2530 土壤阳离子交换量大小的地带性规律 ： 我国土壤 CEC大小， 由南向北，由西向东 逐渐增加。 南北差异 主要由于 粘土矿物组成不同 造 成。北方土壤以蒙脱石和水云母为主， CEC大，南方以高岭石及含水氧化铁铝为 主， CEC小。 东西部土壤 CEC大小差异 ，是由于 质地 不 同造成，西部土壤质地粗，东部土壤质 地较细。 （五）盐基饱和度 盐基离子 :K+,Na+,Ca2+,Mg2+, 土壤胶体 吸附的 NH4+ 阳离子 致酸离子 : Al3+, H+ 土壤中盐基离子占交换性阳离子总量的百分率 , 称为 盐 基饱和度 . 盐基饱和的土壤具有 中性或碱性反应 ； 而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为 酸性土壤 ； 克土）量阳离子交换量（毫克当 克土）当量交换性盐基总量（毫克盐基饱和度 100/ 100/ 100% 我国土壤盐基饱和度具有地带性规律 . (六 )影响 交换性阳离子有效度的因素 交换性阳离子对植物的有效性如何，在很大程度上取 决于它们从胶体上解吸或交换的难易。 1、 交换性阳离子的饱和度 交换性阳离子的 有效度 一方面与某种交换性离子的绝 对数量有关，但与该离子的饱和度的关系更大。 离子 的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效度就越大 交换性阳离子的饱和度与土壤阳离子交换量的大小有 关， 施同样数量的化肥与砂、粘两种土壤上，哪个有 效度大、见效快？ 2、陪补（伴）离子效应 陪补离子 :在土壤胶体上同时吸附这多种离子（如， K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+、 NH4+、 Al3+、 H+等），对其 中某种离子（如， K+）来说，其余各种离子都称为 它的陪补离子。 交换性阳离子的有效度与陪补离子的种类有关 。由于 陪补离子不同，对某种指定离子的有效度也不同。 陪补离子与土壤胶粒之间的吸附力越大，则愈能提高 指定离子的有效度。 陪补离子与指定离子吸附的先后顺序也影响有效度。 土壤中的阳离子（ K+ 、 NH4+） 所发生的非 交换性吸 收或固定。 3、阳离子的非交换吸收 发生机制：层状铝硅酸盐粘粒矿物的晶层表面， 吸附的可被交换的 K+ 、 NH4+,当粘粒矿物脱水收缩 时，极易被挤压陷入粘粒矿物晶层的网穴中， 成为 非交换性离子，降低对植物的有效性， 在土壤交换 性离子总量中， K+ 、 NH4+的饱和度越大，则越易 发生固定作用。