土壤胶体和土壤的交换性能

第 六 章 土 壤 胶 体 和 土 壤 的 交 换 性 能3、 影 响 植 物 对吸 收 ？ 主 要 内 容第 一 节 土 壤 胶 体 概 述第 二 节 土 壤 阳 离 子 交 换第 三 节 土 壤 阴 离 子 交 换第 四 节 土 壤 离 子 吸 收 代 换 作 用 的 意 义第 五 节 土 壤 阳 离 子 吸 收 与 代 换 性 的 改 良 第 六 章 土 壤 胶 体 和 土 壤 的 交 换 性 能本 章 重 点 ：1、 掌 握 几 种 主 要 土 壤 胶 体 的 特 性2、 了 解 土 壤 阳 离 子 的 交 换 过 程 。 第 六 章 土 壤 胶 体 和 土 壤 的 交 换 性 能本 章 难 点 ：1、 主 要 是 土 壤 胶 体 的 带 电 性 及 土 壤 胶 体 为什 么 会 带 电 。2、 土 壤 胶 体 具 有 双 电 层 构 造 。 第 六 章 土 壤 胶 体 和 土 壤 阳 离 子 交 换思 考 题一 、 名 词 解 释 ：1、 土 壤 胶 体 ； 2、 土 壤 阳 离 子 交 换 量 ；3、 土 壤 盐 基 饱 和 度 ； 4、 比 表 面 积5、 硅 酸 盐 层二 、 土 壤 胶 体 有 哪 些 类 型 ？三 、 影 响 阳 离 子 交 换 量 大 小 的 因 素 有 哪 些 ？ 第 一 节 土 壤 胶 体一 、 概 念 土 壤 胶 体 是 指 颗 粒 直 径 小 于 0.001mm或0.002mm的 土 壤 微 粒 。 目 前 土 壤 胶 体 粒 径 的 大 小 范 围 ， 并 不 是绝 对 的 。 这 是 因 为 胶 体 性 质 的 出 现 ， 是随 着 粒 径 的 减 小 逐 渐 加 强 的 。 没 有 截 然划 分 的 界 限 。 二 、 胶 体 的 类 型1、 土 壤 无 机 胶 体 ：主 要 是 指 次 生 矿 物 包 括 三 类 ： 氧 化 硅 类 、 三 氧 化 物 类 和 层 状 铝 硅 酸 盐 二 、 胶 体 的 类 型2、 土 壤 中 有 机 胶 体 主 要 是 腐 殖 质 ，它 是 有 机 质 在 土 壤 微 生 物 等 的 作 用 下 形 成 的 。3、 有 机 无 机 复 合 体是 土 壤 腐 殖 质 和 粘 土 矿 物 通 过 混 合 和 吸 附 结合 在 一 起 ， 结 合 过 程 比 较 复 杂 。 1、 粘 土 矿 物 硅 酸 盐 层 的 基 本 构 造 单 位 ：（ 1） 硅 氧 四 面 体 硅 氧 四 面 体 形 成 的 原 因 ：一 是 硅 具 有 正 原 子 价 ， 而 氧 具 负 原 子 价 ，二 者 可 相 互 吸 引 。二 是 与 原 子 大 小 有 关 ， 四 个 氧 原 子 堆 积 成四 面 体 时 ， 其 间 所 形 成 的 空 隙 与 硅 原 子的 大 小 基 本 相 似 。 1、 粘 土 矿 物 硅 酸 盐 层 的 基 本 构造 单 位 ：（ 2） 铝 氧 八 面 体铝 氧 八 面 体 是 由 六 个 氧 原 子 围 绕 一 个 铝 原子 构 成 。 2、 单 位 晶 片（ 1） 四 面 体 片在 水 平 方 向 上 ， 四 面 体 通 过 共 用 底 部 氧 的方 式 ， 在 两 维 方 向 上 无 限 延 伸 ， 排 列 成近 似 蜂 窝 状 的 四 面 体 片 。 2、 单 位 晶 片（ 2） 八 面 体 片八 面 体 在 水 平 方 向 上 ， 相 邻 的 八 面 体 通 过共 用 两 个 氧 离 子 的 方 式 ， 在 平 面 两 维 方向 上 无 限 延 伸 ， 形 成 八 面 体 片 。 3、 单 位 晶 层硅 片 和 铝 片 以 不 同 的 方 式 化 合 ， 形 成 层 状铝 硅 酸 盐 的 单 位 晶 层 。由 于 硅 片 和 铝 片 的 配 合 比 例 不 同 ，分 为 1： 1型 矿 物 和 2： 1型 矿 物或 分 为 二 层 矿 物 和 三 层 矿 物 。 四 、 几 种 主 要 的 土 壤 胶 体 及 性 质（ 一 ） 高 岭 石 （ kaolinite） 1、 分 布 ： 是 强 烈 化 学 风 化 条 件 下 的 产 物 ,B比 较 稳 定 ，2、 晶 格 构 造 ：是 二 层 型 （ 1： 1） 粘 土 矿 物 ， 硅 酸 盐 层 之间 由 氢 键 连 接 ， 作 用 力 很 强 ， 间 隙 小 ，水 分 子 或 其 他 离 子 很 难 进 入 层 间 。 （ 一 ） 高 岭 石 （ kaolinite） 1、 高 岭 石 （ kaolinite） （ 一 ） 高 岭 石 （ kaolinite）3、 比 表 面 积 ：（ 1） 概 念 ：是 单 位 质 量 的 固 体 物 质 与 液 体 或 气 体 之 间 ，全 部 界 面 积 的 总 和 。 单 位 m2/g（ 2） 高 岭 石 比 表 面 积 ： 较 小 ， 仅 为 30m2/g。只 有 外 表 面 ， 没 有 内 表 面 ， 无 胀 缩 性 . （ 一 ） 高 岭 石 （ kaolinite）4、 带 电 性 ：（ 1） 带 电 原 因 ：一 部 分 电 荷 是 晶 格 破 裂 产 生 的 ；另 外 晶 格 表 面 的 OH和 OH2在 土 壤 呈 强碱 性 条 件 下 ， 释 放 出 氢 质 子 ， 导 致 高岭 石 带 负 电 荷 。 这 种 电 荷 称 可 变 电 荷 。（ 2） 带 电 量 的 多 少高 岭 石 所 带 电 荷 数 量 较 少 。 （ 二 ） 伊 利 石1、 分 布 ： 主 要 分 布 在 干 旱 半 干 旱 地 区 。2、 晶 格 构 造 ：属 三 层 型 （ 2： 1） 粘 土 矿 物 ， 硅 酸 盐 层 间由 钾 离 子 连 接 ， 晶 格 距 离 比 较 稳 定 。 （ 二 ） 伊 利 石3、 比 表 面 积 ：晶 格 的 边 缘 具 有 胀 缩 性 ， 比 表 面 积 为100m2/g， 其 中 的 外 表 面 小 ， 内 表 面 比 大 ；4、 带 电 性 ：伊 利 石 带 有 的 电 荷 是 由 同 晶 代 换 产 生 的 。其 中 有 一 部 分 负 电 荷 被 钾 离 子 中 和 ， 伊 利石 的 带 电 量 比 高 岭 石 多 。 同 晶 代 换在 粘 土 矿 物 晶 格 的 形 成 过 程 中 ， 部 分 晶 格中 的 中 央 离 子 ， 被 其 它 价 数 的 阳 离 子 取代 。 如 四 面 体 中 央 的 Si4+被 Al 3+代 替 ， 八面 体 中 央 的 Al 3+被 Mg 2+代 替 ， 就 产 生 了剩 余 的 负 电 荷 。所 产 生 的 负 电 荷 位 于 硅 酸 盐 层 的 晶 格 中 ，不 受 外 界 溶 液 的 影 响 ， 称 为 永 久 电 荷 或层 电 荷 。 （ 三 ） 蒙 脱 石1、 分 布 ： 主 要 分 布 在 干 旱 和 半 干 旱 地 区的 土 壤 中 。2、 晶 格 构 造 ： 属 三 层 型 （ 2： 1） 粘 土 矿物 ， 硅 酸 盐 层 之 间 由 钙 离 子 和 镁 离 子连 接 。3、 比 表 面 积 ： 硅 酸 盐 层 之 间 全 部 胀 缩 性 ，内 表 面 积 非 常 大 ， 比 表 面 积 为 800 m2/g；4、 带 电 性 ： 带 有 的 电 荷 是 由 同 晶 代 换 产生 的 ， 带 电 量 比 伊 利 石 多 。 (四 ） 含 水 氧 化 物1、 含 水 氧 化 物 的 种 类 ：包 括 非 晶 质 的 硅 酸 和 含 水 氧 化 铁 或 氧 化 铝 。2、 硅 酸 的 带 电 性 ：非 晶 质 的 硅 酸 是 各 种 铝 硅 酸 盐 经 过 化 学 风化 过 程 的 最 后 产 物 ， 其 所 带 电 荷 是 由 H +解 离 产 生 的 。这 种 解 离 只 有 在 碱 性 范 围 内 才 能 达 到 较 大程 度 的 解 离 。 (四 ） 含 水 氧 化 物3、 含 水 氧 化 铁 或 氧 化 铝 的 种 类有 褐 铁 矿 、 赤 铁 矿 、 针 铁 矿 、 水 铝 石 和 三 水铝 石 。它 们 均 属 两 性 胶 体 ， 所 带 电 荷 随 pH 值 变 化有 很 大 不 同 ， 在 溶 液 偏 酸 时 ， 解 离 出 OH ， 成 为 (OH )2+带 正 电 。在 溶 液 偏 碱 时 ， 解 离 出 H +， 成 为 (OH )2O带负 电 。 （ 五 ） 腐 殖 质 胶 体1、 结 构 ： 高 分 子 有 机 化 合 物 ， 呈 球 形 ，具 三 维 空 间 的 网 状 结 构 。2、 带 电 性 ： 负 电 荷 主 要 是 由 羧 基 和 酚 羟 基解 离 的 氢 离 子 引 起 ， 与 pH 相 关 ；3、 腐 殖 质 胶 体 中 的 NH 2可 接 受 氢 离 子 ， 导致 腐 殖 质 胶 体 带 正 电 荷 。 胡 敏 酸 结 构 富 里 酸 结 构 第 二 节 土 壤 阳 离 子 交 换一 、 土 壤 阳 离 子 交 换 过 程 ：1、 概 念 ： 土 壤 胶 体 吸 附 阳 离 子 ， 在 一 定 条 件 下 ，与 土 壤 溶 液 中 的 阳 离 子 发 生 交 换 ， 这 就 是 土壤 阳 离 子 的 交 换 过 程 。能 够 参 与 交 换 过 程 的 阳 离 子 ， 就 成 为 交 换 性 阳离 子 。 土 壤 阳 离 子 交 换 过 程 一 、 土 壤 阳 离 子 交 换 过 程 ：2、 特 点 ： 第 一 ， 是 可 逆 反 应 。 任 何 一 方 的 反 应 都不 能 进 行 到 底 ， 只 有 不 断 排 除 生 成 物 ，并 反 复 浸 提 ， 才 能 把 胶 体 表 面 上 的 钙 离子 和 钾 离 子 全 部 交 换 出 来 ；第 二 ， 阳 离 子 交 换 作 用 按 等 摩 尔 进 行 ， 即20克 钙 离 子 可 以 和 39.1克 钾 离 子 交 换 ； 一 、 土 壤 阳 离 子 交 换 过 程 ：第 三 ， 交 换 受 温 度 影 响 较 小 ， 而 与 交 换 点位 置 直 接 相 关 ：外 表 面 上 的 交 换 可 瞬 时 发 生 ， 一 小 时 内 达到 平 衡 ；内 表 面 上 的 交 换 需 要 很 长 时 间 才 能 达 到 平衡 ， 因 为 离 子 在 到 达 交 换 点 前 需 要 在 晶层 间 隙 中 运 动 ， 受 离 子 扩 散 规 律 制 约 ，所 以 往 往 需 要 很 长 时 间 才 能 达 到 平 衡 。 二 、 土 壤 阳 离 子 交 换 量（ Cation Exchange Capacity） CEC 1、 定 义 ：在 一 定 pH 值 时 ， 每 千 克 土 壤 中 所 含 有 的 全部 交 换 性 阳 离 子 的 厘 摩 尔 数 。单 位 ： cmol/kg 。 与 旧 单 位 me/100g土 等 量换 算 二 、 土 壤 阳 离 子 交 换 量2、 意 义 ： 土 壤 交 换 量 可 以 作 为 评 价 土 壤 保 肥 力 的 指标 。一 般 认 为 ： 小 于 10 cmol/kg， 保 肥 力 弱 ； 1020 cmol/kg， 保 肥 力 中 等 ； 大 于 20 cmol/kg， 保 肥 力 强 。 三 、 影 响 土 壤 阳 离 子 交 换 量 的 因 素1、 土 壤 质 地 的 影 响 土 壤 质 地 愈 粘 ， 土 壤 的 交 换 量 也 就 愈 大 。一 般 ：土 壤 质 地 砂 土 轻 壤 土 中 、 重 壤 土 粘 土交 换 量 cmol/kg 12 78 1518 2530 三 、 影 响 土 壤 阳 离 子 交 换 量 的 因 素 2、 腐 殖 质 含 量 腐 殖 质 含 量 越 高 ， 阳 离 子 交 换 量 越 大 。 腐 殖 质 易 带 负 电 荷 ， 腐 殖 质 胶 体 具 有 极 大的 比 表 面 积 ， 交 换 量 为 200500cmol/kg。3、 无 机 胶 体 种 类 高 岭 石 （ 6 cmol/kg） 、伊 利 石 （ 30 mol/kg） 、蒙 脱 石 （ 100 cmol/kg） 三 、 影 响 土 壤 阳 离 子 交 换 量 的 因 素4、 土 壤 的 酸 碱 性可 变 的 负 电 荷 ， 是 由 pH 的 增 加 而 增 加 的 。含 腐 殖 质 多 的 土 壤 ， 交 换 量 受 pH 影 响 显著 ， 当 pH 值 从 2.5上 升 到 8.0时 ， 交 换 量从 65 cmol/kg上 升 到 345 cmol/kg 。另 外 高 岭 石 、 铁 铝 的 含 水 氧 化 物 所 带 电 荷也 受 酸 碱 环 境 的 影 响 。 四 、 土 壤 盐 基 饱 和 度1、 盐 基 饱 和 度 ： 土 壤 胶 体 上 的 交 换 性 盐 基 离子 占 交 换 性 阳 离 子 总 量 的 百 分 比 。 土 壤 交 换 性 阳 离 子 可 分 为 二 类 ：致 酸 离 子 （ H +、 Al3+） 和 盐 基 离 子 (K +、 Na+、Ca2+、 Mg2+等 )。盐 基 离 子 为 植 物 所 需 的 速 效 养 分 。 四 、 土 壤 盐 基 饱 和 度2、 盐 基 饱 和 度 的 意 义 ：真 正 反 映 土 壤 有 效 速 效 养 分 含 量 的 大 小 。 若 阳 离 子总 量 大 ， 而 盐 基 饱 和 度 偏 小 ， 土 壤 中 养 分 状 况 ？盐 基 饱 和 度 80%的 土 壤 ， 一 般 是 很 肥 沃 的 ；盐 基 饱 和 度 50%80%的 土 壤 ， 为 中 等 肥 力 水 平 。盐 基 饱 和 度 钾 离 子 镁 离 子 钙 离 子 氢 离 子 铝 离 子 ； 五 、 影 响 交 换 性 阳 离 子 有 效 性 的 因 素3、 无 机 胶 体 的 种 类 ：在 饱 和 度 相 同 的 前 提 下 ， 各 种 离 子 在 无 机 胶 体上 的 有 效 性 ：高 岭 石 大 于 蒙 脱 石 大 于 伊 利 石 ；4、 离 子 半 径 与 晶 格 网 状 孔 穴 大 小 的 关 系 。离 子 大 小 与 孔 径 相 近 ， 从 而 降 低 了 有 效 性 。如 ： 孔 穴 半 径 为 1.4埃 ， 钾 离 子 的 半 径 为 1.33埃 ，铵 离 子 的 半 径 为 1.42埃 ， 则 有 效 性 较 低 。 第 三 节 土 壤 胶 体 对 阴 离 子 的 吸 附一 、 土 壤 吸 收 阴 离 子 的 原 因1、 两 性 胶 体 带 正 电 荷酸 性 Al(OH )3 +H Cl= Al(OH )2+Cl-+H 2O碱 性 Al(OH )3 +NaOH = Al(OH )2O-+Na+H 2O2、 土 壤 腐 殖 质 中 的 NH 2 在 酸 性 条 件 下吸 收 H + 成 为 NH 3+ 而 带 正 电 。 二 、 土 壤 中 各 种 阴 离 子 的 吸 附 方 式 1、 表 面 吸 附氯 离 子 和 硝 酸 根 离 子 通 过 静 电 引 力 作 用 ， 被土 壤 胶 体 所 吸 附 ， 但 结 合 得 比 较 疏 松 ， 可以 和 其 它 的 阴 离 子 互 相 交 换 。2、 镶 嵌 吸 附 ： 对 磷 酸 盐 、 钼 酸 盐 和 硅 酸 盐 与土 壤 胶 体 表 面 的 铁 和 铝 是 通 过 氧 桥 相 结 合 。这 种 结 合 是 很 牢 固 的 。 二 、 土 壤 中 各 种 阴 离 子 的 吸 附 方 式根 据 阴 离 子 吸 收 的 特 点 ， 在 施 肥 时 ， 应 采取 相 应 措 施 ， 磷 肥 施 用 时 应 防 止 固 定 ，硝 酸 态 氮 肥 应 防 止 流 失 。 第 四 节 离 子 吸 收 代 换 作 用 的 意 义 一 、 使 土 壤 具 有 保 持 和 供 应 养 分 的 能 力 离 子 态 的 养 分 ， 在 土 壤 胶 体 的 离 子 代 换 作 用 下 ，保 持 在 土 壤 中 ， 这 就 是 土 壤 的 保 肥 性 。被 土 壤 胶 体 吸 收 的 离 子 与 土 壤 溶 液 间 的 离 子 能 进 行可 逆 性 交 换 ， 植 物 可 随 时 从 土 壤 中 得 到 养 分 ，这 就 是 土 壤 的 供 肥 性 。土 壤 如 具 有 较 高 的 离 子 代 换 吸 收 量 ， 土 壤 也 就 具 备了 较 好 的 养 分 保 持 与 供 应 能 力 。 二 、 调 节 土 壤 的 物 理 状 况 土 壤 胶 粒 之 间 的 凝 聚 作 用 ， 是 土 壤 具 有 结构 的 根 本 原 因 ，当 土 壤 胶 体 表 面 吸 收 大 量 钠 离 子 时 ， 促 使胶 粒 分 散 。 而 当 土 壤 胶 体 吸 附 钙 后 ， 胶粒 易 于 凝 聚 ， 形 成 土 壤 结 构 体 。在 碱 性 土 壤 上 施 石 膏 ， 可 改 良 土 壤 的 不 良性 状 。第 四 节 离 子 吸 收 代 换 作 用 的 意 义 第 五 节 土 壤 阳 离 子 吸 收 与 代 换 性 的 改 良一 、 提 高 阳 离 子 代 换 量1、 增 加 矿 质 胶 体 在 北 方 地 区 质 地 粗 的 土 壤 中 ， 应 增 加 阳 离子 代 换 量 高 的 粘 土 。 南 方 地 区 土 壤 以 高 岭 石 为 主 ， 代 换 量 低 ， 应增 加 富 含 蒙 脱 石 、 蛭 石 的 土 壤 。 蛭 石 是 云 母 类 矿 物 脱 钾 后 形 成 的 ， 在 北 方 土壤 中 含 量 高 ， 化 学 成 分 变 化 大 ， 与 蒙 脱 石的 区 别 是 层 间 连 接 比 较 紧 。 第 五 节 土 壤 阳 离 子 吸 收 与 代 换 性 的 改 良n 2、 增 加 有 机 胶 体 有 机 胶 体 的 代 换 量 （ 200500cmol/kg)是 矿 质胶 体 的 若 干 倍 。对 任 何 土 壤 来 说 ， 增 加 腐 殖 质 ， 可 提 高 阳 离 子 代换 量 。每 增 加 1%腐 殖 质 ， 可 提 高 12cmol/kg的 交 换 量 。n 3、 适 当 提 高 土 壤 pH 。 碱 性 条 件 有 利 于 氢 离 子 解 离 ， 阳 离 子 代 换 量 也提 高 。 对 酸 性 土 壤 来 说 ， 完 全 可 行 。 第 五 节 土 壤 阳 离 子 吸 收 与 代 换 性 的 改 良二 、 改 善 代 换 性 阳 离 子 组 成 肥 沃 土 壤 的 代 换 性 阳 离 子 组 成 应 以 钙 、镁 为 主 ， 其 次 为 钾 和 钠 。 如 氢 、 铝 占 优 势 ， 就 成 强 酸 性 土 壤 ， 盐 基饱 和 度 低 ， 肥 力 低 。如 钠 比 例 高 ， 呈 强 碱 性 土 壤 。