土壤胶体与土壤吸收性能

1 2 土 壤 胶 体 土 壤 中 最 细 微 的 颗 粒 胶 体 颗 粒 的 直 径 一 般 在 1-100nm（ 长 、 宽 、高 三 个 方 向 上 ， 至 少 有 一 个 方 向 在 此 范围 内 ） 3 土 壤 吸 收 性 能 类 型 机 械 吸 收 性 指 土 壤 对 物 体 的 机 械 阻 留 物 理 吸 收 性 指 土 壤 对 分 子 态 物 质 的 保 持 能 力 化 学 吸 收 性 指 易 溶 性 盐 在 土 壤 中 转 变 为 难 溶 性 盐 而沉 淀 保 存 在 土 壤 中 的 过 程 物 理 化 学 吸 收 性 指 土 壤 对 可 溶 性 物 质 中 离 子 态 养 分的 保 持 能 力 生 物 吸 收 性 指 土 壤 中 植 物 根 系 和 微 生 物 对 营 养 物 质的 吸 收 4 土 壤 胶 体 的 种 类 无 机 胶 体 含 水 氧 化 硅 胶 体 含 水 氧 化 铁 、 氧 化 铝 胶 体 层 状 硅 酸 盐 (phyllosilicate,layer silicate)矿 物 有 机 胶 体 有 机 无 机 复 合 体 （ organo-mineral complex） 5 层 状 硅 酸 盐 结 构 硅 氧 片 和 硅 四 面 体 硅 氧 片 是 由 硅 四 面体 连 接 而 成 ， 一 个 硅 四 面 体 是 由 四 个 氧原 子 和 一 个 硅 原 子 所 组 成 。 铝 氧 片 与 铝 八 面 体 铝 氧 片 由 铝 八 面 体连 接 而 成 ， 铝 八 面 体 为 六 个 氧 原 子 围 绕一 个 铝 原 子 而 构 成 铝 八 面 体 。 6硅 氧 四 面 体铝 氧 八 面 体 硅 氧 片水 铝 片 1:1型2:1型 高 岭 石蒙 脱 石水 化 云 母 7硅 氧 四 面 体 硅 氧 四 面 体 的 构 造 图 示 法 1、 基 本 结 构 单 位 (结 晶 学 , 不 是 化 合 物 ）(1)硅 氧 四 面 体 （ SiO 44-Si2O 52-Si4O 104- ） 8 硅 氧 四 面 体 9 铝 氧 八 面 体 铝 氧 八 面 体 的 构 造 图 示 法 (2)铝 氧 八 面 体 (AlO 69-Al4O 1212-Al4（ O H ） 8O 44- ) 10 11 2、 单 位 晶 片 (硅 氧 片 、 水 铝 片 ) Si2O 52-硅 氧 四 面 体 硅 氧 片（ 蜂 窝 状 ）共 用 氧 单 位 晶 胞 12 铝 氧 八 面 体 （ Al2O 6-6） 水 铝 片 （ 疏 散 状 ） 立 体 侧 视 图共 用 2个 氧 原 子 13 3、 单 位 晶 层 1:1型 层 状 硅 酸 盐 (高 岭 石 )晶 体 结 构 示 意 图 （ 1） 1:1型 一 层 硅 层 与 一 层 铝 层 重 叠 而 成 142:1型 层 状 硅 酸 盐 （ 蒙 脱 石 ） 晶 体 结 构 示 意 图 （ 2） 2:1型 两 层 硅 层 中 间 夹 一 铝 层 15 2:1:1型 层 状 硅 酸 盐 （ 绿 泥 石 ） 结 构 示 意 图 （ 3） 2:1 :1型 2:1型 基 础 上 增 加 一 铝 层 (或 镁 层 ) 16 1:1型 矿 物 2:1型 矿 物 胀 缩 型 非 胀 缩 型 （ 晶 层 构 造 、 膨 胀 性 、 电 荷 及 胶 体 特 性 ） 17 18 19 土壤胶体的构造 胶 体 微 粒 胶 粒 胶 核 双 电 层 决 定 电 位 离 子 层（ 内 ） 补 偿 离 子 层 （ 外 ） 非 活 性 离 子 层扩 散 层 20 土 壤 胶 体 的 特 性 土 壤 胶 体 比 表 面 和 表 面 能 土 壤 胶 体 电 荷 土 壤 胶 体 有 凝 聚 和 分 散 的 作 用 21 土 壤 胶 体 的 表 面 积土 壤 中 常 见 粘 土 矿 物 的 比 表 面 积 （ m2g-1）胶 体 成 分 内 表 面 积 外 表 面 积 总 表 面 积蒙 脱 石蛭 石水 云 母高 岭 石埃 洛 石水 化 埃 洛 石水 铝 英 石 700-750400-7500-500400130-400 15-1501-5090-1505-4010-4525-30130-400 700-850400-80090-1505-4010-45430260-800土 壤 胶 体 的 比 表 面 和 表 面 积 22 土 壤 表 面 电 荷 和 电 位 土 壤 电 荷 的 起 因 和 种 类 1、 永 久 电 荷 (permanent charge)* 永 久 电 荷 起 源 于 矿 物 晶 格 内 部 离 子 的 同 晶 置 换 。 2、 可 变 电 荷 (variable charge)* 随 pH的 变 化 而 变 化 的 土 壤 电 荷 ， 这 种 电 荷 称 为 可 变 电 荷 。 零 点 电 荷 ： 如 果 在 某 个 pH值 时 ， 粘 土 矿 物 表 面 上 即不 带 正 电 荷 ， 也 不 带 负 电 荷 ， 其 表 面 电 荷 等 于 零 ，此 时 的 pH值 称 为 零 点 电 荷 （ ZPC） 。 23 可 变 电 荷 的 成 因 主 要 是 胶 核 表 面 分 子 或 原 子 团 的 解 离 ：A. 含 水 氧 化 硅 的 解 离B. 粘 粒 矿 物 的 晶 面 上 的 OH和 H的 解 离C. 腐 殖 质 上 某 些 官 能 团 的 解 离D. 含 水 氧 化 和 水 铝 石 表 面 的 分 子 中 OH的解 离 ； pH 3.2 从 上 述 四 种 情 况 来 看 ， 土 壤 胶 体 所 带 的电 荷 数 量 和 性 质 与 介 质 的 pH 值 有 密 切 关 系 。 24 *影 响 土 壤 电 荷 数 量 的 因 素 主 要 有 ： C. pH 值 主 要 影 响 可 变 电 荷 的 数 量 。 B. 土 壤 胶 体 的 种 类 土 壤 质 地 完 全 相 同 的 两 种 土 壤 ，它 们 所 带 的 电 荷 数 量 可 以 完 全 不 同 。 这 是 有 胶 体类 型 不 同 所 致 。A. 质 地 一 般 来 说 ， 土 壤 的 质 地 越 粘 ， 土 粒 越 细 ，其 电 荷 总 量 也 越 多 。 所 以 粘 土 的 电 荷 数 量 要 比 壤土 类 和 砂 土 类 高 得 多 。 25 阳 离 子 交 换 作 用 * 在 土 壤 中 ， 被 胶 体 静 电 吸 附 的 阳 离 子 ， 一 般 都 可以 被 溶 液 中 另 一 种 阳 离 子 交 换 而 从 胶 体 表 面 解 吸 。 对这 种 能 相 互 交 换 的 阳 离 子 叫 做 交 换 性 阳 离 子 ， 而把 发 生 在 土 壤 胶 体 表 面 的 阳 离 子 交 换 反 应 称 之 为 阳离 子 交 换 作 用 *。 阳 离 子 交 换 26 阳 离 子 交 换 作 用 特 点a、 可 逆 反 应b、 反 应 迅 速 c、 等 量 交 换 27 阳 离 子 交 换 能 力 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+ 28 影 响 阳 离 子 交 换 能 力 的 因 素 有 ：a、 电 荷 的 数 量 b、 离 子 半 径 和 离 子 水 化 半 径 ， H+的 交 换力 比 两 价 的 Ca2+、 Mg2+离 子 大 。 c、 离 子 浓 度 29 离 子 半 径 与 吸 附 力 一 价 离 子 Li+ Na+ K+ NH+4 Rb+离 子 的 真 实 半 径 (nm) 0.078 0.098 0.133 0.143 0.149离 子 的 水 合 半 径 (nm) 1.008 0.790 0.537 0.532 0.509强 弱 30 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 *土 壤 阳 离 子 交 换 量 (cation exchange capacity)-CEC 是 指 土 壤 溶 液 为 中 性 （ pH = 7） 时 ， 每 千 克土 所 含 的 全 部 交 换 性 阳 离 子 的 厘 摩 尔 数 称 为 土 壤的 阳 离 子 交 换 量 。 （ CEC： cmol(+)kg-1 ）保 肥 能 力 低 中 高 31 *影 响 土 壤 阳 离 子 交 换 量 的 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 OM % CEC（ 3） 胶 体 的 性 质 及 构 造蒙 脱 石 高 岭 石（ 4） pH值 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 32 不 同 类 型 土 壤 胶 体 的 阳 离 子 交 换 量 土 壤 胶 体 CECcmol(+).kg-1 腐 殖 质蛭 石蒙 脱 石伊 利 石高 岭 石倍 半 氧 化 物 200100-15070-9510-403-152-4 33 盐 基 离 子 与 盐 基 饱 和 度盐 基 离 子 与 致 酸 离 子 * 在 土 壤 里 ， 被 胶 体 吸 附 着 的 阳 离 子 ，可 以 分 为 两 类 ： 第 一 类 是 氢 离 子 和 铝 离 子 ， 它 们 是 致 酸离 子 ， 与 土 壤 的 酸 度 有 密 切 关 系 。 第 二 类 是 其 他 的 一 些 金 属 离 子 ， 如 Ca+2、Mg+2、 K+、 NH4+等 ， 在 古 典 化 学 上 ， 它 们都 称 为 盐 基 离 子 。 34 盐 基 饱 和 度 (base saturation percentage)BSP 在 土 壤 胶 体 所 吸 附 的 阳 离 子 中 ， 盐 基 离 子 的 数 量占 所 有 吸 附 的 阳 离 子 的 百 分 比 ， 叫 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% 35 交 换 性 离 子 的 有 效 度 *影 响 交 换 离 子 有 效 度 的 因 素 主 要 有 ： （ 1） 阳 离 子 饱 和 度 离 子 的 饱 和 度 越 大 ， 被 解 吸 的 机 会 就 越 大 ， 有效 度 就 越 大 （ 2） 土 壤 中 的 互 补 离 子 效 应 （ 3） 由 交 换 性 离 子 变 为 非 交 换 性 离 子 的 有 效 度 问 题 36 互 补 离 子 与 交 换 性 钙 的 有 效 性 土 壤 交 换 性 阳 离 子组 成 小 麦 幼 苗 干重 (g) 小 麦 幼 苗 吸 钙 量(mg) ABC 40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na 2.802.792.34 11.157.834.36 在 土 壤 胶 体 上 各 种 交 换 性 盐 基 离 子 之 间 的 相 互影 响 的 作 用 互 补 离 子 效 应 （ 陪 伴 离 子 效 应 ） 37 土 壤 胶 体 对 阴 离 子 的 吸 附 与 交 换（ 一 ） 土 壤 吸 附 的 阴 离 子土 壤 中 的 阴 离 子 依 其 吸 附 能 力 的 大 小 可 分 为 三 类 ：1 易 被 吸 附 的 阴 离 子 最 重 要 是 ：H2PO4- HPO42- PO43-HSiO3- SiO32- C2O42- 2 吸 附 作 用 很 弱 或 进 行 负 吸 附 的 阴 离 子Cl- NO 3- NO2- 3 中 间 类 型 的 离 子 ：SO42- CO32- 各 种 阴 离 子 被 土 壤 吸 收 的 次 序 如 下 ：F- 草 酸 根 柠 檬 酸 根 H2PO4- HCO3- HBO3- SO42- Cl - NO3- 38 阴 离 子 的 负 吸 附所 谓 阴 离 子 的 负 吸 附 ， 是 指 距 带 负 电 荷 的 胶体 表 面 越 近 ， 阴 离 子 数 量 越 少 的 现 象 。负 吸 附 现 象 也 受 土 壤 特 性 影 响 ， 其 它 条 件 相同 ， 则 负 吸 附 现 象 随 着 土 壤 胶 体 的 数 量 和 阳 离 子 代换 量 的 增 加 而 增 加 。 但 随 陪 伴 阳 离 子 价 数 的 增 加 而减 少 ， 不 同 的 粘 粒 矿 物 对 负 吸 附 的 影 响 也 不 同 ， 他们 递 减 的 次 序 为 ： 蒙 脱 石 伊 利 石 高 岭 石这 种 情 况 也 可 归 因 于 胶 体 负 电 荷 数 量 不 同 的缘 故 。带 负 电 荷 愈 多 的 土 壤 胶 体 ， 对 阴 离 子 的 排 斥 作 用愈 强 ， 负 吸 附 作 用 愈 明 显 。 39 阴 离 子 专 性 吸 附 阴 离 子 专 性 吸 附 是 指 阴 离 子 进 入 粘 土 矿 物 或氧 化 物 表 面 的 金 属 原 子 的 配 位 壳 中 ， 与 配 位 壳中 的 羟 基 或 水 合 基 重 新 配 位 ， 并 直 接 通 过 共 价键 或 配 位 键 结 合 在 固 体 的 表 面 。 这 种 吸 附 发 生在 胶 体 双 电 层 的 内 层 ， 也 称 为 配 位 体 交 换 吸 附 。产 生 专 性 吸 附 的 阴 离 子 有 F-离 子 以 及 磷 酸 根 、硫 酸 根 、 钼 酸 根 、 砷 酸 根 等 含 氧 酸 根 离 子 。 40 如 ： 磷 酸 根 在 氧 化 铁 表 面 的 专 性 吸 附氧 化 物 不 带 电 时 的 pH 值 称 为 电 荷 零 点 ， 简 称 ZPC 41 思 考 题 什 么 是 土 壤 胶 体 ？ 土 壤 胶 体 有 哪 几 种 类 型 ？ 什 么 是双 电 层 ？ 土 壤 胶 体 有 何 特 性 ？ 层 状 硅 酸 盐 矿 物 结 构 的 基 本 单 位 有 哪 两 种 ？ 什 么 是1:1型 矿 物 ？ 什 么 是 2:1型 矿 物 ？ 土 壤 吸 收 性 能 有 哪 几 种 类 型 ？ 什 么 是 阳 离 子 交 换 作用 ？ 阳 离 子 交 换 作 用 有 何 特 点 ？ 哪 些 因 素 影 响 阳 离子 交 换 能 力 ？ 什 么 是 阳 离 子 交 换 量 （ CEC） ? 什 么 是 盐 基 饱 和 度 ？影 响 土 壤 阳 离 子 有 效 度 的 因 素 有 哪 些 ？ 为 什 么 阴 离 子 能 被 带 负 电 的 土 壤 吸 附 ？