第八章-土壤胶体和土壤离子交换课件

l 土壤胶体的构造和性质土壤胶体的构造和性质l 土壤胶体的类型土壤胶体的类型l 土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用l 土壤阴离子交换作用土壤阴离子交换作用内容提要内容提要土壤胶体的构造和性质内容提要胶体的概念胶体的概念胶体是物质存在的一种状态，是一种胶体是物质存在的一种状态，是一种分散体系。分散体系。一种物质分散在另一种物质中所形成的体系，称为一种物质分散在另一种物质中所形成的体系，称为分散体系分散体系或分散系。或分散系。根据分散体系中被分散的物质（分散相）的大小，可把分散根据分散体系中被分散的物质（分散相）的大小，可把分散系分为：系分为：粗分散系、胶体分散系和分子、离子分散系。粗分散系、胶体分散系和分子、离子分散系。何为分散体系？何为分散体系？胶体的概念胶体是物质存在的一种状态，是一种分散体系。一种物质一一般般把把分分散散相相颗颗粒粒直直径径（非非球球颗颗粒粒则则指指长长、宽宽、高高三三向向中中一一个个方方向向的的长长度度）在在1-1001-100纳纳米米范范围围内内的的分分散散系系称称胶胶体体分分散散系系。其其颗颗粒粒大大小小介介于于粗粗分散系和分子、离子分散系之间。分散系和分子、离子分散系之间。胶体分散系胶体分散系一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、高三向中一个方第八章-土壤胶体和土壤离子交换课件第一节第一节 土壤胶体的构造和性质土壤胶体的构造和性质第一节土壤胶体的构造和性质一一、土壤胶体的概念、土壤胶体的概念颗颗粒粒直直径径（非非球球形形颗颗粒粒则则指指其其长长、宽宽、高高三三向向中中一一个个方方向向的的长长度度）在在1100nm1100nm范范围围内内的的带带电电的的土壤颗粒土壤颗粒与与土壤水土壤水组成的组成的分散系分散系。注注：通通常常情情况况下下，直直径径小小于于2m2m（或或1m1m）的的土土粒粒便便具具有有胶胶体体的的性性质质，因因而而被视为土壤胶体颗粒。被视为土壤胶体颗粒。土壤胶体的结构和性质一、土壤胶体的概念颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽二二、土壤胶体的构造、土壤胶体的构造胶核胶核双电层双电层决定电位离子层决定电位离子层补偿离子层补偿离子层非活性补偿离子层非活性补偿离子层扩散层扩散层胶粒胶粒胶团胶团_+_+土壤胶体的结构和性质二、土壤胶体的构造胶核双电层决定电位离子层补偿离子层非活性土壤胶体构造示意图土壤胶体构造示意图土壤胶体的结构和性质土壤胶体构造示意图土壤胶体的结构和性质 这是胶体的固体部分这是胶体的固体部分,土壤中胶土壤中胶核一般由含水核一般由含水SiOSiO2 2 ,Fe,Fe2 2 O O3 3,Al,Al2 2 O O3 3 、次生铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质、次生铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质等分子团分子组成等分子团分子组成 。(一一)胶核胶核土壤胶体的结构和性质这是胶体的固体部分,土壤中胶核一般由含水Si 由于内层电荷的静电引力的作用由于内层电荷的静电引力的作用,吸附土吸附土壤溶液中相反的离子壤溶液中相反的离子 而形成的而形成的:非活性离子非活性离子层层和和扩散层扩散层（发生离子交换）。（发生离子交换）。(二二)双电层双电层1、决定电位离子层决定电位离子层(内层内层)是固定在胶核表面是固定在胶核表面,并决定其电荷和电位的一层离子。并决定其电荷和电位的一层离子。2、补偿离子层补偿离子层(外层外层)土壤胶体的结构和性质由于内层电荷的静电引力的作用,吸附土壤溶液中相反的注意注意：把土壤胶粒完全理解为球形构造，显然是错误的。把土壤胶粒完全理解为球形构造，显然是错误的。现代土壤学的研究说明，只有现代土壤学的研究说明，只有土壤有机胶粒土壤有机胶粒，或，或无定形的氢氧化铁无定形的氢氧化铁、氢氧化铝氢氧化铝、含水氧化硅含水氧化硅和和水水铝英石铝英石等矿质胶粒可以认为等矿质胶粒可以认为近似圆球形构造近似圆球形构造。而。而土壤中大多数矿质胶粒，例如土壤中大多数矿质胶粒，例如层状硅酸盐类粘土层状硅酸盐类粘土矿物矿物通过通过X-X-射线和电子显微镜的研究，已经明确射线和电子显微镜的研究，已经明确是是层状构造层状构造.土壤胶体的结构和性质注意：土壤胶体的结构和性质层状黏土矿物胶体的构造示意图层状黏土矿物胶体的构造示意图土壤胶体的结构和性质层状黏土矿物胶体的构造示意图土壤胶体的结构和性质三三、土壤胶体的性质、土壤胶体的性质1.巨大的比表面积和表面能巨大的比表面积和表面能 单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积或比面，单位为或比面，单位为cm2g-1或或cm2cm-3。物体分割得愈细小，单体数愈多，总面积愈大，物体分割得愈细小，单体数愈多，总面积愈大，比面也愈大。比面也愈大。土壤胶体的结构和性质三、土壤胶体的性质1.巨大的比表面积和表面能1 cm3物物质表面表面积随分散度随分散度变化的情况化的情况土壤胶体的结构和性质1cm3物质表面积随分散度变化的情况土壤胶体的结构和性质各粒径土粒的比面各粒径土粒的比面很显然很显然,土粒越细比表面越大土粒越细比表面越大,土壤中颗粒的形状多种多样土壤中颗粒的形状多种多样.只有砂粒只有砂粒近似球形近似球形,但其表面大多不平但其表面大多不平,大部分粘粒多为大部分粘粒多为片状片状,棒状棒状,针状针状,实际实际上胶体的表面积比光滑的球体上胶体的表面积比光滑的球体大得多大得多。由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的表面能表面能。土壤胶体的结构和性质各粒径土粒的比面很显然,土粒越细比表面越大,土壤中颗粒的形状 2.土壤胶体的带电性土壤胶体的带电性 由于胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子由于胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子,使胶粒带电使胶粒带电.土壤中所有胶粒都是带电的（胶体的基本条件），土壤中所有胶粒都是带电的（胶体的基本条件），这是土壤产生离子吸附和交换、离子扩散、酸碱平这是土壤产生离子吸附和交换、离子扩散、酸碱平衡、氧化还原反应以及胶体的分散与絮凝等现象的衡、氧化还原反应以及胶体的分散与絮凝等现象的根本原因，而这些反应都直接或间接关系到土壤的根本原因，而这些反应都直接或间接关系到土壤的水、肥、气、热性质。水、肥、气、热性质。因此，土壤胶体的带电性对土壤肥因此，土壤胶体的带电性对土壤肥力性质有重要影响。力性质有重要影响。土壤胶体的结构和性质2.土壤胶体的带电性由于胶体表面的分子解离或吸附溶液中的(1)(1)同晶异质代换作用同晶异质代换作用 层状铝硅酸盐粘土矿物在形成时，中心离子可以被其它相近层状铝硅酸盐粘土矿物在形成时，中心离子可以被其它相近或稍大的同性离子代换而产生电荷，但矿物的结晶构造型式或稍大的同性离子代换而产生电荷，但矿物的结晶构造型式不变。不变。如如Al3+代代Si4+或或Fe2+代代Al3+等等,这样晶体中就产生了剩余负电荷这样晶体中就产生了剩余负电荷,这种电荷一这种电荷一旦产生旦产生,就不能改变就不能改变,故称故称永久电荷永久电荷。土壤胶体电荷的来源土壤胶体电荷的来源指组成矿物的中心离子被电性指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子替代而相同、大小相近的离子替代而晶格构造保持不变的现象。晶格构造保持不变的现象。土壤胶体的结构和性质(1)同晶异质代换作用土壤胶体电荷的来源指组成矿物的中心离四面体中的硅可被铝代换四面体中的硅可被铝代换Si4+Al3+八面体中的铝可被铁、镁代换八面体中的铝可被铁、镁代换 Al3+Fe2+或或Mg2+土壤胶体的结构和性质四面体中的硅可被铝代换Si4+(2)(2)晶格破碎边缘的断键晶格破碎边缘的断键 在在矿矿物物风风化化破破碎碎的的过过程程中中，晶晶体体晶晶格格边边缘缘的的离离子子有有一一部分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。部分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。例例如如晶晶格格在在硅硅层层或或铝铝层层截截面面上上断断裂裂，SiOSiSiOSi，AlAlOAlOAl在在断断裂裂后后，断断面面上上留留下下SiOSiO-、AlOAlO-，从从而而带带负电。负电。土壤胶体的结构和性质(2)晶格破碎边缘的断键土壤胶体的结构和性质(3)(3)胶体表面分子的解离胶体表面分子的解离 胶胶核核表表面面的的分分子子或或原原子子团团的的解解离离,这这种种电电荷荷的的数数量量和性质随介质的和性质随介质的pHpH而改变而改变,故称故称可变电荷可变电荷。黏土矿物晶面上黏土矿物晶面上-OH-OH的解离的解离含水铁、铝氧化物的解离（含水铁、铝氧化物的解离（AlAl2 2O O3 33H3H2 2O)O)腐殖质上某些官能团的解离（如腐殖质上某些官能团的解离（如-COOH-COOH）含水氧化硅的解离含水氧化硅的解离来源来源土壤胶体的结构和性质(3)胶体表面分子的解离黏土矿物晶面上-OH的解离来源土壤结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着OH原子团，在原子团，在一定条件下：一定条件下：l当当H+解离后，则使胶核带负电解离后，则使胶核带负电，如，如H2SiO3和层状硅铝和层状硅铝酸盐粘土矿物中解离酸盐粘土矿物中解离H+后使胶核带负电。后使胶核带负电。l当当OH-发生解离时，则胶核带正电发生解离时，则胶核带正电，如，如Fe(OH)3或或Al(OH)3中的中的OH-解离后则带正电。这种作用与普通酸碱解离后则带正电。这种作用与普通酸碱解离相似，受溶液的解离相似，受溶液的pH影响，因此称为影响，因此称为可变电荷可变电荷。a.黏土矿物晶面上黏土矿物晶面上-OH的解离的解离土壤胶体的结构和性质结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着OH原子团，在一定条件下：Al(OH)3+NaOH Al(OH)2O-+Na+H2O 胶核中的分子胶核中的分子带负电荷的胶体核粒带负电荷的胶体核粒Al(OH)3+HCl Al(OH)2+Cl-+H2O 胶核中的分子胶核中的分子带正电荷的胶体核粒带正电荷的胶体核粒如如AlAl（OHOH）3 3在碱性环境中的解离：在碱性环境中的解离：如如Al（OH）3在酸性环境中的解离：在酸性环境中的解离：Fe(OH)Fe(OH)3 3或或Al(OH)Al(OH)3 3解离解离H H+而成为带负电的胶体，还而成为带负电的胶体，还是解离是解离OHOH-而成为带正电的而成为带正电的胶体主要取决于胶体主要取决于溶液的溶液的pHpH值值。土壤胶体的结构和性质Al(OH)3+NaOHAl(OH)2 层状硅酸盐晶层上的层状硅酸盐晶层上的-OH-OH基可以解离出基可以解离出H H+，带负电，带负电:结结晶晶体体-OH-OH-OH结结晶晶体体-OH-OH-OH+3H+土壤胶体的结构和性质层状硅酸盐晶层上的-OH基可以解离出H+，带负电:结当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的 正负正负电荷相等时，此时胶体悬液的电荷相等时，此时胶体悬液的pHpH值称为值称为等电点等电点 (isoelectric point)(isoelectric point)。在土壤在土壤pH5-8pH5-8的条件下，大多数土壤胶体的的条件下，大多数土壤胶体的等电点低于等电点低于这个范这个范围，因此，对于土壤胶体来讲，围，因此，对于土壤胶体来讲，pH5-8pH5-8相当于在相当于在碱性环境碱性环境下，下，此时，腐殖质和铝硅酸盐等胶体都此时，腐殖质和铝硅酸盐等胶体都带负电带负电，表现为对阳离子，表现为对阳离子的吸的吸 附，只有附，只有Fe(OH)Fe(OH)3 3和和Al(OH)Al(OH)3 3带正电，吸附阴离子。故带正电，吸附阴离子。故 土壤胶体在通常情况下以带负电为主。土壤胶体在通常情况下以带负电为主。土壤胶体为什么土壤胶体为什么一般带负电一般带负电?土壤胶体的结构和性质当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的正负电荷相等 如三水铝石的如三水铝石的pHpH0 0值为值为4.84.8。当土壤当土壤pHpH低于低于pHpH0 0值时值时:（相当于酸性环境）（相当于酸性环境）Al Al2 2O O3 33H3H2 2O 2Al(OH)O 2Al(OH)2 2+2OH+2OH-当土壤当土壤pHpH高于高于pHpH0 0值时值时:（相当于碱性环境）（相当于碱性环境）Al Al2 2O O3 33H3H2 2O 2Al(OH)O 2Al(OH)2 2O O-+2OH+2OH-b.含水氧化铁、氧化铝的解离含水氧化铁、氧化铝的解离土壤胶体的结构和性质如三水铝石的pH0值为4.8。b.含水氧化铁、氧化铝 高高pH条件下：条件下：-COOH H+COO-OH H+-O-低低pH条件下：条件下：-NH2 -NH3+c.腐殖质上某些原子团的解离腐殖质上某些原子团的解离土壤胶体的结构和性质高pH条件下：c.腐殖质上某些原子团的解离土壤胶体d.含水氧化硅的解离含水氧化硅的解离SiO2H2O（或（或H2SiO3）的）的pH0值为值为2，在土壤中在土壤中一般不产生正电荷，所带负电荷的量随土壤一般不产生正电荷，所带负电荷的量随土壤pH值值的升高而增加。的升高而增加。H2SiO3 HSiO3-+H+（带正电）（带正电）SiO3-+H+土壤胶体的结构和性质d.含水氧化硅的解离SiO2H2O（或H2SiO3）的p3.土壤胶体的分散性和凝聚性土壤胶体的分散性和凝聚性 胶体的两种状态胶体的两种状态溶胶溶胶凝胶凝胶胶体微粒均匀分散在水中，胶体微粒均匀分散在水中，呈高度分散状态呈高度分散状态胶体微粒彼此联结凝聚在胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状一起而呈絮状凝聚作用凝聚作用分散作用分散作用胶体的凝聚或分散决定于动电电位的胶体的凝聚或分散决定于动电电位的高低高低：越高，排斥力愈强，溶胶状态。越高，排斥力愈强，溶胶状态。越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶状态。状态。土壤胶体由于大多带有负电土壤胶体由于大多带有负电荷，相互具有负电位，而互荷，相互具有负电位，而互相排斥，不易凝聚。相排斥，不易凝聚。土壤胶体的结构和性质3.土壤胶体的分散性和凝聚性胶体的两种状态溶胶凝胶胶体微l 电解质的电解质的浓度愈大浓度愈大，愈能有效地中和异电胶体的电性，愈能减小扩，愈能有效地中和异电胶体的电性，愈能减小扩 散层厚度，使散层厚度，使胶粒凝聚胶粒凝聚。l 电解质中异电离子的电解质中异电离子的价数愈高，聚沉能力愈大价数愈高，聚沉能力愈大，三价离子大于二价离子，二价离子大于一价离子；三价离子大于二价离子，二价离子大于一价离子；l 同价离子中，凝聚力大小与本身半径和水化半径有关，凡离子本身同价离子中，凝聚力大小与本身半径和水化半径有关，凡离子本身 半径大半径大 或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则小。或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则小。电解质阳离子的凝聚力大小顺序为：电解质阳离子的凝聚力大小顺序为：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+H+NH4+K+Na+电解质对胶体的凝聚作用受以下因素的影响：电解质对胶体的凝聚作用受以下因素的影响：土壤胶体的结构和性质电解质的浓度愈大，愈能有效地中和异电胶体的电性，愈能减小0.5 m0.5 m粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可逆的。逆的。阳离子这种凝聚作用的可逆和不可逆，与土阳离子这种凝聚作用的可逆和不可逆，与土壤结构的稳定性有关，钙离子和腐殖质胶结的结构壤结构的稳定性有关，钙离子和腐殖质胶结的结构具有水稳性，而钠离子胶结的不具水稳性。具有水稳性，而钠离子胶结的不具水稳性。土壤胶体的结构和性质0.5m粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度注：胶体的凝聚作凝聚作用强，利于胶体互相凝聚形成结构（团粒结构）。凝聚作用强，利于胶体互相凝聚形成结构（团粒结构）。农业上促进土壤团粒结构形成措施的理论解释：农业上促进土壤团粒结构形成措施的理论解释：l土壤干燥、冻结过程中，水膜消失，也就加大了电解质浓度，减土壤干燥、冻结过程中，水膜消失，也就加大了电解质浓度，减小扩散层厚度，使胶粒互相凝聚而形成结构。生产上晒垡、冻垡等小扩散层厚度，使胶粒互相凝聚而形成结构。生产上晒垡、冻垡等措施也就起了这个作用，所以措施也就起了这个作用，所以晒、冻垡有利于土壤形成结构晒、冻垡有利于土壤形成结构；相反，相反，土壤水分过多土壤水分过多，土壤溶液电解质浓度相应减小，扩散层加厚，土壤溶液电解质浓度相应减小，扩散层加厚，胶粒互相排斥而成溶胶状胶粒互相排斥而成溶胶状。l常年泡水的沤水田、烂泥田，土粒分散，缺少结构，通气性差，常年泡水的沤水田、烂泥田，土粒分散，缺少结构，通气性差，栽秧后易产生浮秧，就是因为胶粒分散，土壤不沉实。这种情况下，栽秧后易产生浮秧，就是因为胶粒分散，土壤不沉实。这种情况下，施用石灰（施用石灰（CaOCaO）、石膏（）、石膏（CaSOCaSO4 4），增加），增加CaCa2+2+浓度，对沉实土壤，改浓度，对沉实土壤，改良土性，有明显效果。良土性，有明显效果。在生产上的意义土壤胶体的结构和性质凝聚作用强，利于胶体互相凝聚形成结构（团粒结构）。农业上促进由由于于胶胶体体的的巨巨大大表表面面能能，使使其其对对周周围围分分子子或或离离子子有有很很强强的的吸吸附附力力，同同样样胶胶体体的的电电性性使使其其扩扩散散层层的的离离子子与与土土壤壤溶溶液液中中的的离离子子有有交换能力交换能力。4.土壤胶体的吸附性和交换能力土壤胶体的吸附性和交换能力 土壤胶体的结构和性质由于胶体的巨大表面能，使其对周围分子或离子有很强的吸第二节第二节 土壤胶体的类型土壤胶体的类型第二节土壤胶体的类型一、一、无机胶体无机胶体土壤胶体的类型含水氧化铁含水氧化铁含水氧化铝含水氧化铝含水氧化硅含水氧化硅次生铝硅酸盐类次生铝硅酸盐类（即粘土矿物）（即粘土矿物）主要包括：主要包括：一、无机胶体土壤胶体的类型含水氧化铁含水氧化铝含水氧化硅次SiO2.H2OH2SiO3 带负电带负电H2SiO3 H+HSiO3-H+SiO32-1.1.含水氧化硅胶体：含水氧化硅胶体：（游离态无定型）（游离态无定型）注：土壤反应越偏碱性，硅酸的解离注：土壤反应越偏碱性，硅酸的解离度也越大，所带的负电荷也越多。度也越大，所带的负电荷也越多。土壤胶体的类型SiO2.H2OH2SiO3带负电1.含水氧化硅胶体 此类胶体包括此类胶体包括褐铁矿褐铁矿（2Fe2Fe2 2O O3 33H3H2 2O O）、）、水赤铁矿水赤铁矿（3Fe3Fe2 2O O3 3HH2 2O O）、）、针铁矿针铁矿（FeFe2 2O O3 3HH2 2O O）、）、水铝矿水铝矿（AlAl2 2O O3 3HH2 2O O）、）、三水铝矿三水铝矿（AlAl2 2O O3 33H3H2 2O O）等晶质矿物和）等晶质矿物和氢氧化铁氢氧化铁Fe(OH)Fe(OH)3 3、氢氧化铝氢氧化铝Al(OH)Al(OH)3 3 等非晶质矿物。等非晶质矿物。这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为两性胶两性胶体体。2.2.含水氧化铁、铝：（两性胶体）含水氧化铁、铝：（两性胶体）土壤胶体的类型此类胶体包括褐铁矿（2Fe2O33H2O）、水赤铁矿（3Al(OH)3+H+Al(OH)2+H2O （pH5）纯净的氢氧化铁的等电点为纯净的氢氧化铁的等电点为pH7.1pH7.1，氢氧化铝等，氢氧化铝等电点为电点为pH8.1pH8.1，所以它们在大多数酸性或中性土，所以它们在大多数酸性或中性土壤中都带正电荷。壤中都带正电荷。土壤胶体的类型Al(OH)3+H+Al(OH)2+H2O（pH M2+M+（M表示阳离子）表示阳离子）离子价、离子半径及水化程度与交换力的关系离子价、离子半径及水化程度与交换力的关系阳离子交换b.离子的半径及水化程度：a.离子电荷价：离子价、离子c.离子运动速度：离子运动速度：凡离子运动速度愈大的，其交换力也愈大。例如氢离子就是凡离子运动速度愈大的，其交换力也愈大。例如氢离子就是这样，而且氢离子水化很弱，通常这样，而且氢离子水化很弱，通常H H+只带一个水分子，即以只带一个水分子，即以H H3 3O O+的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具有的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具有特殊位置。特殊位置。阳离子交换能力顺序：阳离子交换能力顺序：Fe3+Al 3+H+Ca2+Mg 2+K+NH4+Na+阳离子交换c.离子运动速度：阳离子交换能力顺序：阳离子交换2.2.阳离子的相对浓度及交换生成物的性质阳离子的相对浓度及交换生成物的性质阳离子交换作用也受质量作用定律所支配，如果溶液中某种离阳离子交换作用也受质量作用定律所支配，如果溶液中某种离子的浓度较大，则虽其交换能力较小，同样能把胶体上交换能子的浓度较大，则虽其交换能力较小，同样能把胶体上交换能力较大的其它阳离子代换下来。另外，当交换后形成不溶性或力较大的其它阳离子代换下来。另外，当交换后形成不溶性或难溶性物质时，或将其交换后的生成物不断除去时，都可使交难溶性物质时，或将其交换后的生成物不断除去时，都可使交换作用继续进行。换作用继续进行。阳离子交换2.阳离子的相对浓度及交换生成物的性质阳离子交换作用也受质量3.3.胶体性质胶体性质l交换量大的胶体（如蒙脱石）结合两价离子的能力强，交换量大的胶体（如蒙脱石）结合两价离子的能力强，结合一价离子的能力稍弱；结合一价离子的能力稍弱；l交换量小的胶体（如高岭石）则结合一价离子能力强，交换量小的胶体（如高岭石）则结合一价离子能力强，与两价离子的结合能力较弱，即一价离子可将两价离子交与两价离子的结合能力较弱，即一价离子可将两价离子交换下来。换下来。l又如：水云母具有六角形网孔（晶孔），容易吸附与其又如：水云母具有六角形网孔（晶孔），容易吸附与其孔径大小相当的孔径大小相当的K K+和和NHNH4 4+，这些离子一旦进入六角形孔，这些离子一旦进入六角形孔穴，即可发生配位作用，很难出来，只有当晶层破裂时，穴，即可发生配位作用，很难出来，只有当晶层破裂时，被固定的被固定的K K+、NHNH4 4+方可重新释放出来。方可重新释放出来。阳离子交换3.胶体性质交换量大的胶体（如蒙脱石）结合两价离子的能力强四、土壤阳离子交换量四、土壤阳离子交换量（一）定义：（一）定义：在一定土壤在一定土壤pHpH值条件下，土壤能吸附的交换性阳离子的值条件下，土壤能吸附的交换性阳离子的总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换性阳离子总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数（的厘摩尔数（Cation Exchange Capacity Cation Exchange Capacity，CECCEC）。）。单位：单位：cmolcmol（+）kgkg-1-1 。注：因为阳离子交换量随土壤注：因为阳离子交换量随土壤pHpH值变化而变化（因可变电荷变化），值变化而变化（因可变电荷变化），一般未特别注明时，是以一般未特别注明时，是以pHpH为为7 7的条件下测定土壤的交换量。的条件下测定土壤的交换量。阳离子交换量的大小与土壤可能吸附的速效养分（即阳离子）的容量阳离子交换量的大小与土壤可能吸附的速效养分（即阳离子）的容量有关，是有关，是土壤保肥力的重要指标土壤保肥力的重要指标。阳离子交换四、土壤阳离子交换量（一）定义：注：因为阳离子交换量随土壤p（二）影响（二）影响CECCEC的因素的因素1.1.胶体数量胶体数量（土壤质地）（土壤质地）土壤胶体物质越多（包括土壤胶体物质越多（包括矿质胶体、有机胶体和复矿质胶体、有机胶体和复合胶体），则合胶体），则CECCEC越大。越大。就矿质胶体而言，就矿质胶体而言，CECCEC随随着质地粘重程度增加而增着质地粘重程度增加而增加，所以粘质土加，所以粘质土CECCEC较砂较砂质土要大的多。质土要大的多。阳离子交换（二）影响CEC的因素1.胶体数量阳离子交换2.胶体类型胶体类型不同土壤胶体阳离子交换量相差很大不同土壤胶体阳离子交换量相差很大有机有机无机，无机，2:11:1，粘土矿物，粘土矿物含水的氧化物含水的氧化物 粘土矿物主要通过两个方面影响粘土矿物主要通过两个方面影响C：a、粘土矿物的比表面积粘土矿物的比表面积:蛭石、蒙脱石蛭石、蒙脱石水铝英石水铝英石、水云母、水云母 高岭石高岭石 b、粘土矿物所带的电荷数量粘土矿物所带的电荷数量 阳离子交换2.胶体类型有机无机，2:11:1，粘土矿物含水的3.土壤土壤pH值：值：土壤酸碱度影响胶体表面官能团中土壤酸碱度影响胶体表面官能团中H+的解离，的解离，因而影响因而影响可变电荷可变电荷的多少。的多少。阳离子交换3.土壤pH值：阳离子交换4.土壤有机质含量：土壤有机质含量：有机质中的腐殖质含有大量有机质中的腐殖质含有大量-COOH-COOH、-OH-OH等官能团，等官能团，当它们解离出当它们解离出H H+时，可使胶体带有大量负电荷，而时，可使胶体带有大量负电荷，而且腐殖质分散度大，具有很大的吸收表面。所以且腐殖质分散度大，具有很大的吸收表面。所以腐殖质的腐殖质的CECCEC远远大于无机胶体。远远大于无机胶体。施用有机肥料，增加土壤腐殖质，可以提施用有机肥料，增加土壤腐殖质，可以提高高CECCEC，增强土壤保肥性。，增强土壤保肥性。阳离子交换4.土壤有机质含量：有机质中的腐殖质含有大量-COOH、-附：主要粘土矿物的（附：主要粘土矿物的（p=7）（cmol（+）kg-1 水铝英石水铝英石 50-100 针铁矿、三水铝石针铁矿、三水铝石 0.5-1.0(pH,8.0)水合氧化硅水合氧化硅 4.6(pH,8.0)高岭石高岭石 4.6 伊利石伊利石 15-40 蒙脱石蒙脱石 60-120 膨润土膨润土 59-120 蛭石蛭石 120-200 阳离子交换附：主要粘土矿物的（p=7）（cmol（+）几种不同土壤的腐殖质的几种不同土壤的腐殖质的 H F pH 8.02 5.50 8.02 5.50 黑土黑土1 682 344 -黑土黑土2 642 358 736 514 花岗砖红壤花岗砖红壤 560 310 800 583 武砖红壤武砖红壤 -780 556 阳离子交换几种不同土壤的腐殖质的 土土壤壤交交换换量量的的大大小小，基基本本上上代代表表了了土土壤壤的的保保持持养养分分数数量量，也也就就是是平平常常所所说说的的保保肥肥力力高高低低；交交换换量量大大，也也就就是是保保存存养养分分的的能能力力大大，反反之之则则弱弱。所所以以，土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指标。土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指标。一般地：一般地：l小于小于10 cmol/kg，保肥力弱；，保肥力弱；l1020 cmol/kg，中等；，中等；l大于大于20 cmol/kg，强，强。CEC与土壤肥力的关系与土壤肥力的关系阳离子交换土壤交换量的大小，基本上代表了土壤的保持养分数量，也阳离子交换量和施肥有密切关系：阳离子交换量和施肥有密切关系：在施肥时不仅要了解作物的需要，同时还要考虑土壤交在施肥时不仅要了解作物的需要，同时还要考虑土壤交换量的大小。换量的大小。在生产上的意义在生产上的意义例如在例如在砂土上施用化肥砂土上施用化肥，由于土壤交换量小，土壤保肥力差，由于土壤交换量小，土壤保肥力差，应该分多次施应该分多次施肥，每次施量不宜多，以免养分淋失肥，每次施量不宜多，以免养分淋失。对于交换量小、保肥力差的土壤，可通过施用河塘泥、厩肥、泥炭或掺粘土，对于交换量小、保肥力差的土壤，可通过施用河塘泥、厩肥、泥炭或掺粘土，以增加土壤中的无机、有机胶体，以及通过施用石灰调节土壤反应等来提高以增加土壤中的无机、有机胶体，以及通过施用石灰调节土壤反应等来提高土壤的阳离子交换量。土壤的阳离子交换量。举例？举例？阳离子交换阳离子交换量和施肥有密切关系：在生产上的意义例如在砂土上施用长江中下游发育在冲积母质上的土壤，长江中下游发育在冲积母质上的土壤，粘土矿物以蒙脱石、水云母为主，交换粘土矿物以蒙脱石、水云母为主，交换量大约为量大约为2030cmol(+)kg-1。我国南北方土壤的我国南北方土壤的CECCEC比较比较含蒙脱石、水云母较多，土壤反应又多为中性含蒙脱石、水云母较多，土壤反应又多为中性或微碱性，因此，或微碱性，因此，阳离子交换量一般较高阳离子交换量一般较高。例。例如东北的黑土、内蒙的栗钙土的交换量在如东北的黑土、内蒙的栗钙土的交换量在3050 3050 cmol(+)kgcmol(+)kg-1-1。北方北方华南、西南华南、西南为为红、黄壤地带，无机胶体以高岭石和含水氧化红、黄壤地带，无机胶体以高岭石和含水氧化铁、氧化铝为主，土壤酸性大，铁、氧化铝为主，土壤酸性大，pH值低，值低，阳离子阳离子交换量小交换量小，一般每千克土只有十几个厘摩尔，广，一般每千克土只有十几个厘摩尔，广东的砖红壤的交换量只有东的砖红壤的交换量只有5.2 cmol(+)kg-1。长江中下游地区长江中下游地区阳离子交换长江中下游发育在冲积母质上的土壤，粘土矿物以蒙脱石、水云母为五、土壤盐基饱和度五、土壤盐基饱和度胶体上吸附的阳离子分为两类：胶体上吸附的阳离子分为两类：一类是一类是致酸离子致酸离子（如（如H H+和和AlAl3+3+）。）。另一类是另一类是盐基离子盐基离子（如（如CaCa2+2+、MgMg2+2+、K K+、NaNa+、NHNH4 4+等），盐基离子为植物等），盐基离子为植物所需的速效养分。所需的速效养分。1.定义定义指土壤胶体上交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分指土壤胶体上交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分率。以算式表示为：率。以算式表示为：阳离子交换五、土壤盐基饱和度胶体上吸附的阳离子分为两类：1.定义阳离盐基饱和土壤：盐基饱和土壤：土壤胶体吸附的阳离子如土壤胶体吸附的阳离子如绝大多数（绝大多数（80%80%以上）为盐基离子。以上）为盐基离子。盐基不饱和土壤盐基不饱和土壤：盐基饱和度在盐基饱和度在80%80%以下，以下，H H+、AlAl3+3+等离子含量较多。等离子含量较多。土壤盐基饱和度越大，养分有效性越高，因土壤盐基饱和度越大，养分有效性越高，因此盐基饱和度是土壤肥力的指标之一。此盐基饱和度是土壤肥力的指标之一。真正反映土壤有效速效养分含量的大小。若真正反映土壤有效速效养分含量的大小。若阳离子交换量大，而盐基饱和度偏小，需要阳离子交换量大，而盐基饱和度偏小，需要采取措施对土壤加以改良，如施肥或用石灰采取措施对土壤加以改良，如施肥或用石灰中和。中和。阳离子交换盐基饱和土壤：土壤胶体吸附的阳离子如绝大多数（80%以上）为 我国我国南方南方岩石矿物风化作用强、盐基淋失强，岩石矿物风化作用强、盐基淋失强，一般为一般为盐基不饱和盐基不饱和的土壤（酸性土的土壤（酸性土 壤），壤），北方北方则则相反，土壤的相反，土壤的盐基饱和度盐基饱和度都在都在80%以上（中性或碱以上（中性或碱性土壤）。性土壤）。2.影响盐基饱和度的因素影响盐基饱和度的因素 a.气候气候阳离子交换我国南方岩石矿物风化作用强、盐基淋失一般阔叶树种吸收盐基比针叶树多，通过枯落物一般阔叶树种吸收盐基比针叶树多，通过枯落物归还给土壤的盐基也多，另外，针叶在分解过程归还给土壤的盐基也多，另外，针叶在分解过程中产生相对较多的有机酸，增强了盐基的淋溶作中产生相对较多的有机酸，增强了盐基的淋溶作用，使用，使针叶林下耕层土壤盐基饱和度更低于阔叶针叶林下耕层土壤盐基饱和度更低于阔叶林土壤林土壤。b.b.地上植被类型地上植被类型阳离子交换一般阔叶树种吸收盐基比针叶树多，通过枯落物归还给土壤的盐基也c.c.母岩（或母质）母岩（或母质）原母质所含盐基的多少对土壤盐基饱和度有较大影原母质所含盐基的多少对土壤盐基饱和度有较大影响，在相同或类似的生物气候条件下，响，在相同或类似的生物气候条件下，玄武岩发育玄武岩发育的土壤盐基饱和度高于花岗岩的土壤盐基饱和度高于花岗岩。为什么？为什么？阳离子交换c.母岩（或母质）原母质所含盐基的多少对土壤盐基饱和度有较大六、影响交换性阳离子有效性的因素六、影响交换性阳离子有效性的因素1.1.交换性阳离子的饱和度交换性阳离子的饱和度饱和度大，该离子的有效性大。饱和度大，该离子的有效性大。饱和度饱和度:胶体上被吸附的胶体上被吸附的某种阳离子的量占土壤阳某种阳离子的量占土壤阳离子交换量的百分数。离子交换量的百分数。农谚：农谚：“施肥一大片，不如一条线。施肥一大片，不如一条线。”的含义？的含义？阳离子交换六、影响交换性阳离子有效性的因素1.交换性阳离子的饱和度饱和2.2.陪补离子的种类陪补离子的种类 对对于于某某一一特特定定的的离离子子来来说说，其其它它与与其其共共存存的的离离子子都都是是陪陪补补离离子子。（如如胶胶体体吸吸附附了了H H+、CaCa2+2+、MgMg2+2+、K K+等等离离子子，对对H H+来来说说，CaCa2+2+、MgMg2+2+、K K+是是它它 陪补离子）陪补离子）与与胶胶体体结结合合强强度度大大的的离离子子，本本身身有有效效性性低低，但但对对其它陪补离子的有效性有利。反之亦然。其它陪补离子的有效性有利。反之亦然。思考：思考：K K+的陪补离子分别为的陪补离子分别为CaCa2+2+、NaNa+时，有效性高时，有效性高低比较？低比较？阳离子交换2.陪补离子的种类对于某一特定的离子来说，其它与其共存的离不同陪补离子对交换性钙有效性的影响不同陪补离子对交换性钙有效性的影响各种离子相互抑制的能力如下：各种离子相互抑制的能力如下：Na+K+Mg2+Ca2+H+和和Al3+不同陪补离子对交换性钙有效性的影响各种离子相互抑制的能力如下3.无机胶体的种类无机胶体的种类 在饱和度相同的前提下，各种离子在无机胶体在饱和度相同的前提下，各种离子在无机胶体上的有效性：上的有效性：高岭石蒙脱石水云母高岭石蒙脱石水云母Why?高岭石高岭石：阳离子吸附点主要在破裂边缘外表面；：阳离子吸附点主要在破裂边缘外表面；蒙脱石蒙脱石：吸附点主要在晶层间内表面；：吸附点主要在晶层间内表面；水云母水云母：层间空隙狭窄，易使：层间空隙狭窄，易使NH4+、K+等离子产等离子产 晶穴固定。晶穴固定。阳离子交换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 离离子子半半径径大大小小与与晶晶格格孔孔穴穴大大小小的关系：的关系：离离子子大大小小与与孔孔径径相相近近，离离子子易易进进入入孔孔穴穴中中，且且稳稳定定性性较较大大，从而降低了有效性。从而降低了有效性。如如：孔孔穴穴半半径径为为1.41.4埃埃，钾钾离离子子的的半半径径为为1.331.33埃埃，铵铵离离子子的的半径为半径为1.421.42埃，则有效性较低。埃，则有效性较低。4.4.阳离子的非交换性吸收阳离子的非交换性吸收阳离子交换离子半径大小与晶格孔穴大小的关系：4.阳离子的非交换第四节第四节 土壤阴离子交换作用土壤阴离子交换作用第四节土壤阴离子交换作用土土壤壤中中带带正正电电荷荷的的胶胶体体吸吸附附的的阴阴离离子子与与土土壤壤溶溶液液中中阴离子的相互交换作用。阴离子的相互交换作用。如含水氧化铁、含水氧化铝。在如含水氧化铁、含水氧化铝。在酸性条件下带正电。酸性条件下带正电。阴离子交换定义定义土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中阴离子的相互交换一、吸收阴离子的原因一、吸收阴离子的原因2 2、土壤腐殖质中的、土壤腐殖质中的NHNH2 2 在在酸性条件酸性条件下吸下吸 收收H H+成为成为NHNH3 3+而带正电而带正电1 1、两性胶体带正电荷、两性胶体带正电荷 酸性酸性 Al(OH)Al(OH)3 3+HCl=Al(OH)+HCl=Al(OH)2 2+Cl+Cl-+H+H2 2O O 碱性碱性 Al(OH)Al(OH)3 3+NaOH=Al(OH)+NaOH=Al(OH)2 2O O-+Na+Na+H+H2 2O O3 3、粘粘粒粒矿矿物物表表面面上上的的-OH-OH原原子子团团可可与与土壤溶液中的阴离子代换。土壤溶液中的阴离子代换。阴离子交换一、吸收阴离子的原因2、土壤腐殖质中的NH21、两性胶三、阴离子吸附类型三、阴离子吸附类型1.1.易于被土壤吸附的阴离子易于被土壤吸附的阴离子如磷酸根（如磷酸根（H H2 2POPO4 4-、HPOHPO4 42-2-、POPO4 43-3-）、硅酸根（）、硅酸根（HSiOHSiO3 3-、SiOSiO3 32-2-）及某）及某些有机酸的阴离子。此类阴离子常和阳离子起化学反应产生难溶性些有机酸的阴离子。此类阴离子常和阳离子起化学反应产生难溶性化合物。化合物。2.2.很少或根本不被吸附的阴离子很少或根本不被吸附的阴离子如如ClCl-、NONO3 3-、NONO2 2-等。易出现负吸附。等。易出现负吸附。3.3.介于上述两者之间的阴离子介于上述两者之间的阴离子如如SOSO4 42-2-、COCO3 32-2-、HCOHCO3 3-及某些有机酸的阴离子，土壤吸收它及某些有机酸的阴离子，土壤吸收它们的能力很弱。们的能力很弱。阴离子交换三、阴离子吸附类型1.易于被土壤吸附的阴离子2.很少或根本不精品课件精品课件！精品课件！精品课件精品课件！精品课件！四、土壤中各种阴离子代换吸收能力四、土壤中各种阴离子代换吸收能力 不同阴离子代换吸收顺序如下：不同阴离子代换吸收顺序如下：草酸根离子草酸根离子 柠檬酸离子柠檬酸离子 磷酸根离子磷酸根离子 硫酸根硫酸根 离子离子 氯离子氯离子 硝酸根离子硝酸根离子 磷酸根离子和某些有机酸根离子易被土壤吸收。磷酸根离子和某些有机酸根离子易被土壤吸收。磷酸根常被某些阳离子如钙、镁、铁、铝所固定，而磷酸根常被某些阳离子如钙、镁、铁、铝所固定，而失去有效性。而土壤氯离子和硝酸根离子代换吸收能力失去有效性。而土壤氯离子和硝酸根离子代换吸收能力最弱，甚至不能吸收最弱，甚至不能吸收 。阴离子交换四、土壤中各种阴离子代换吸收能力不同阴离子代换吸收