土壤胶体和土壤吸收特性课件

第五章土壤胶体和土壤吸收特性n n土壤胶体是土壤中最活跃的部分，对土壤肥力有深刻的影响。土壤胶体及其特性土壤胶体及其特性土壤的交换吸收性能土壤的交换吸收性能第五章 土壤胶体和土壤吸收特性土壤胶体是土壤中最活跃的部分1第一节、土壤胶体及其特性 The soil contains minute particles called soil colloids.They are smaller than one hundredth-thousand of a millimeter.Soil colloids are thin and disc-like.There are mineral as well as organic soil colloids.Mineral colloids are usually found to be fine particles of clay minerals.第一节、土壤胶体及其特性 The soil co2一、土壤胶体（一、土壤胶体（soil colloid）的概念）的概念（一）胶体的概念（一）胶体的概念（一）胶体的概念（一）胶体的概念 一一一一种种种种或或或或数数数数种种种种物物物物质质质质的的的的微微微微小小小小颗颗颗颗粒粒粒粒均均均均匀匀匀匀地地地地分分分分散散散散于于于于另另另另一一一一种种种种物物物物质质质质中中中中，便便便便构构构构成成成成分散体系。均匀分散的颗粒称为分散相颗粒。分散体系。均匀分散的颗粒称为分散相颗粒。分散体系。均匀分散的颗粒称为分散相颗粒。分散体系。均匀分散的颗粒称为分散相颗粒。分分分分散散散散相相相相颗颗颗颗粒粒粒粒的的的的粒粒粒粒径径径径在在在在1-100nm1-100nm（毫毫毫毫微微微微米米米米）范范范范围围围围的的的的分分分分散散散散相相相相体体体体系系系系，称称称称为胶体分散体系，其中的分散相颗粒就是胶体颗粒。为胶体分散体系，其中的分散相颗粒就是胶体颗粒。为胶体分散体系，其中的分散相颗粒就是胶体颗粒。为胶体分散体系，其中的分散相颗粒就是胶体颗粒。n n土土土土壤壤壤壤胶胶胶胶体体体体一一一一般般般般指指指指土土土土壤壤壤壤粘粘粘粘粒粒粒粒，其其其其粒粒粒粒径径径径在在在在1-21-2微微微微米米米米之之之之间间间间（1000-20001000-2000毫毫毫毫微米）。比一般规定的胶体粒级大微米）。比一般规定的胶体粒级大微米）。比一般规定的胶体粒级大微米）。比一般规定的胶体粒级大10-2010-20倍。倍。倍。倍。n n严格说来，土壤胶体是一种准胶体。严格说来，土壤胶体是一种准胶体。严格说来，土壤胶体是一种准胶体。严格说来，土壤胶体是一种准胶体。一、土壤胶体（soil colloid）的概念（一）胶体的概3二、土壤胶体的类型及其电荷特征二、土壤胶体的类型及其电荷特征n n土壤胶体可以分成三大类：n n无机胶体n n有机胶体n n有机-无机复合胶体。二、土壤胶体的类型及其电荷特征土壤胶体可以分成三大类：4（一）土壤无机胶体（一）土壤无机胶体n n 无机胶体存在土壤粘粒之中，包括：无机胶体存在土壤粘粒之中，包括：无机胶体存在土壤粘粒之中，包括：无机胶体存在土壤粘粒之中，包括：层状（铝）硅酸盐矿物层状（铝）硅酸盐矿物层状（铝）硅酸盐矿物层状（铝）硅酸盐矿物含水氧化硅胶体；含水氧化硅胶体；含水氧化硅胶体；含水氧化硅胶体；含水氧化铁、铝胶体；含水氧化铁、铝胶体；含水氧化铁、铝胶体；含水氧化铁、铝胶体；水铝英石；水铝英石；水铝英石；水铝英石；（一）土壤无机胶体 无机胶体存在土壤粘粒之中，包括：5MicaHumic AcidKaolinite(kandite)Montmorillonite(smectite)MicaHumic AcidKaoliniteMontmor61、层状硅酸盐矿物、层状硅酸盐矿物n n（1 1 1 1）基本结构单位）基本结构单位）基本结构单位）基本结构单位 A A、硅氧四面体和铝氧八面体、硅氧四面体和铝氧八面体、硅氧四面体和铝氧八面体、硅氧四面体和铝氧八面体 硅硅硅硅氧氧氧氧四四四四面面面面体体体体由由由由一一一一个个个个硅硅硅硅原原原原子子子子和和和和四四四四个个个个氧氧氧氧原原原原子子子子组组组组成成成成，硅硅硅硅原原原原子子子子位位位位于中央，氧原子占据四个顶点。于中央，氧原子占据四个顶点。于中央，氧原子占据四个顶点。于中央，氧原子占据四个顶点。铝铝铝铝氧氧氧氧八八八八面面面面体体体体由由由由一一一一个个个个铝铝铝铝原原原原子子子子和和和和八八八八个个个个氧氧氧氧原原原原子子子子组组组组成成成成，铝铝铝铝原原原原子子子子位位位位于中央，氧原子占据八个顶点。于中央，氧原子占据八个顶点。于中央，氧原子占据八个顶点。于中央，氧原子占据八个顶点。1、层状硅酸盐矿物（1）基本结构单位7硅氧四面体结构示意图硅氧四面体结构示意图TarbuckandLutgens,2003硅氧四面体结构示意图Tarbuck and Lutgens,8SimplifiedRepresentationsofSilicateStructuresSimplified Representations of 9硅氧四面体互相联结示意图硅氧四面体互相联结示意图TarbuckandLutgens,2003硅氧四面体互相联结示意图Tarbuck and Lutgen10硅氧四面体联结成硅氧片,在平面上形成六角形网眼TarbuckandLutgens,2003硅氧四面体联结成硅氧片,在平面上形成六角形网眼Tarbuck11TectosilicateTarbuckandLutgens,2003TectosilicateTarbuck and Lutge12B B、硅氧片和水铝片、硅氧片和水铝片、硅氧片和水铝片、硅氧片和水铝片 硅硅硅硅氧氧氧氧四四四四面面面面体体体体和和和和硅硅硅硅氧氧氧氧四四四四面面面面体体体体之之之之间间间间通通通通过过过过共共共共用用用用氧氧氧氧原原原原子子子子互互互互相相相相联联联联结结结结就就就就形形形形成成成成了了了了硅硅硅硅氧氧氧氧片片片片。每每每每六六六六个个个个硅硅硅硅氧氧氧氧四四四四面面面面体体体体相相相相连连连连就就就就形形形形成一个六边形网孔。成一个六边形网孔。成一个六边形网孔。成一个六边形网孔。铝铝铝铝氧氧氧氧八八八八面面面面体体体体与与与与铝铝铝铝氧氧氧氧八八八八面面面面体体体体通通通通过过过过共共共共用用用用氧氧氧氧原原原原子子子子互互互互相相相相连连连连接就形成了接就形成了接就形成了接就形成了水铝片水铝片水铝片水铝片。硅硅硅硅氧氧氧氧片片片片与与与与铝铝铝铝氧氧氧氧片片片片（水水水水铝铝铝铝片片片片）称称称称为为为为基基基基本本本本晶晶晶晶片片片片。晶晶晶晶片片片片与晶片按一定方式堆叠就形成了与晶片按一定方式堆叠就形成了与晶片按一定方式堆叠就形成了与晶片按一定方式堆叠就形成了粘土矿物的晶层粘土矿物的晶层粘土矿物的晶层粘土矿物的晶层。B、硅氧片和水铝片13铝氧八面体结构示意图铝氧八面体结构示意图铝氧八面体结构示意图14（2）主要的层状铝硅酸盐矿物）主要的层状铝硅酸盐矿物n n高岭石高岭石高岭石高岭石(1:1(1:1型型型型)n n蛭石与蒙脱石蛭石与蒙脱石蛭石与蒙脱石蛭石与蒙脱石(2:1(2:1型型型型)硅酸盐矿物的一般结构示意图硅酸盐矿物的一般结构示意图硅酸盐矿物的一般结构示意图硅酸盐矿物的一般结构示意图（2）主要的层状铝硅酸盐矿物高岭石(1:1型)硅酸盐矿物的一15ClayMineralsTherearethreemaingroupsofclayminerals:Kaolinite-alsoincludesdickiteandnacrite;formedbythedecompositionoforthoclasefeldspar(e.g.ingranite);kaolinistheprincipalconstituentinchinaclay.Illite-alsoincludesglauconite(agreenclaysand)andarethecommonestclayminerals;formedbythedecompositionofsomemicasandfeldspars;predominantinmarineclaysandshales.Smectites or montmorillonites-also includes bentonite and vermiculite;formedbythealterationofmaficigneousrocksrichinCaandMg;weaklinkage by cations(e.g.Na+,Ca+)results in high swelling/shrinkingpotentialClay MineralsThere are three m16ClayMineralsarePhyllosilicatesAllhavelayersofSitetrahedraandlayersofAl,Fe,Mgoctahedra,similartogibbsiteorbruciteSEMviewofclayClay Minerals are Phyllosilica17Si tetrahedral and Al octahedral sheets formed by sharing oxygen moleculesSi tetrahedral and Al octahedr18ClayMineralsThekaoliniteclaysare1:1phyllosilicatesThemontmorilloniteandilliteclaysare2:1phyllosilicatesClay MineralsThe kaolinite cla191:1 silicate clay(kandite)2:1 silicate clay(smectite&vermiculite)1:1 silicate clay(kandite)2:1201:1and2:1ClayMinerals1:1 and 2:1 Clay Minerals21高岭石高岭石高岭石高岭石n n单单单单位位位位晶晶晶晶层层层层由由由由一一一一层层层层硅硅硅硅氧氧氧氧片片片片和和和和一一一一层层层层铝铝铝铝氧氧氧氧片片片片构构构构成成成成，故称故称故称故称1 1：1 1型矿物。型矿物。型矿物。型矿物。n n晶层之间以氢键连接，联结力强。晶层之间以氢键连接，联结力强。晶层之间以氢键连接，联结力强。晶层之间以氢键连接，联结力强。n n塑性、粘结性、粘着性、膨胀性很弱。塑性、粘结性、粘着性、膨胀性很弱。塑性、粘结性、粘着性、膨胀性很弱。塑性、粘结性、粘着性、膨胀性很弱。n n对对对对 水水水水 和和和和 阳阳阳阳 离离离离 子子子子 的的的的 吸吸吸吸 附附附附 力力力力 弱弱弱弱，CEC=3-15 CEC=3-15 cmol(+)/kgcmol(+)/kg。n n主要存在于风化程度较高的土壤中。主要存在于风化程度较高的土壤中。主要存在于风化程度较高的土壤中。主要存在于风化程度较高的土壤中。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22KaoliniteAl2Si2O5(OH)2Kaoliniteclayshavelongbeenusedintheceramicindustry,especiallyinfineporcelains,becausetheycanbeeasilymolded,haveafinetexture,andarewhitewhenfired.Theseclaysarealsousedasafillerinmakingpaper.IntheUnitedStates,depositsarefoundprimarilyinGeorgia,NorthCarolina,andPennsylvania;chinaclayisalsominedinEngland(Cornwall)andFrance.Kaolinite Al2Si2O5(OH)2Kaolini23KaoliniteKaoliniteisthepurestofclays,meaningthatitvarieslittleincomposition.Italsodoesnotabsorbwateranddoesnotexpandwhenitcomesincontactwithwater.Thus,kaoliniteisthepreferredtypeofclayfortheceramicindustry.KaoliniteKaolinite is the pure24IlliteIlliteissimilartomuscoviteandisthemostcommonclaymineral,oftencomposingmorethan50percentoftheclay-mineralsuiteinthedeepsea.Theyarecharacteristicofweatheringintemperateclimatesorinhighaltitudesinthetropics,andtypicallyreachtheoceanviariversandwindtransport.RelictzirconinilliteIlliteIllite is similar to mus25IlliteTheIlliteclayshaveastructuresimilartothatofmuscovite,butistypicallydeficientinalkalies,withlessAlsubstitutionforSi.Thus,thegeneralformulafortheillitesis:KyAl4(Si8-y,Aly)O20(OH)4,usuallywith1y1.5,butalwayswithy2.Becauseofpossiblechargeimbalance,CaandMgcanalsosometimessubstituteforK.TheK,Ca,orMginterlayercationspreventtheentranceofH2Ointothestructure.Thus,theilliteclaysarenon-expandingclays.IllitetypeclaysareformedfromweatheringofKandAl-richrocksunderhighpHconditions.Thus,theyformbyalterationofmineralslikemuscoviteandfeldspar.Illiteclaysarethemainconstituentofshales.IlliteThe Illite clays have a 26蒙脱石：蒙脱石：蒙脱石：蒙脱石：n n两两两两层层层层硅硅硅硅氧氧氧氧片片片片中中中中间间间间夹夹夹夹一一一一层层层层铝铝铝铝氧氧氧氧片片片片构构构构成成成成蒙脱石晶层。蒙脱石晶层。蒙脱石晶层。蒙脱石晶层。2 2：1 1型矿物。型矿物。型矿物。型矿物。n n晶层之间通过键相连，联结力弱。晶层之间通过键相连，联结力弱。晶层之间通过键相连，联结力弱。晶层之间通过键相连，联结力弱。n n胀缩性、粘结性、可塑性很强。胀缩性、粘结性、可塑性很强。胀缩性、粘结性、可塑性很强。胀缩性、粘结性、可塑性很强。n n对对对对 水水水水 和和和和 阳阳阳阳 离离离离 子子子子 的的的的 吸吸吸吸 附附附附 力力力力 强强强强，CEC=60-100 Cmol(+)/kgCEC=60-100 Cmol(+)/kg。n n主要存在于风化度低的土壤中。主要存在于风化度低的土壤中。主要存在于风化度低的土壤中。主要存在于风化度低的土壤中。蒙脱石：蛭石与蒙脱石结构示意图27MontmorilloniteMontmorilloniteorsmectiteisfamilyofexpansible2:1phyllosilicateclayshavingpermanentlayerchargebecauseoftheisomorphoussubstitutionineithertheoctahedralsheet(typicallyfromthesubstitutionoflowchargespeciessuchasMg2+,Fe2+,orMn2+forAl3+)MontmorilloniteMontmorillonite28MontmorilloniteThemostcommonsmectiteisMontmorillinite,withageneralchemicalformula:(12Ca,Na)(Al,Mg,Fe)4(Si,Al)8O20(OH)4.nH2OMontmorilliniteisthemainconstituentofbentonite,derivedbyweatheringofvolcanicash.Montmorillinitecanexpandbyseveraltimesitsoriginalvolumewhenitcomesincontactwithwater.Thismakesitusefulasadrillingmud(tokeepdrillholesopen),andtoplugleaksinsoil,rocks,anddams.Montmorillinite,however,isadangeroustypeofclaytoencounterifitisfoundintunnelsorroadcuts.Becauseofitsexpandablenature,itcanleadtoseriousslopeorwallfailures.MontmorilloniteThe most common29SEMViewofMontmorilloniteFromYuccaMountain,NVSEM View of MontmorilloniteFro302 2、含水氧化硅胶体、含水氧化硅胶体、含水氧化硅胶体、含水氧化硅胶体n n成分为成分为成分为成分为SiO2.H2O SiO2.H2O（H2SiO3H2SiO3）.n n外层硅酸分子会发生解离，从而带负电；土壤溶液越碱，负电荷越多。外层硅酸分子会发生解离，从而带负电；土壤溶液越碱，负电荷越多。外层硅酸分子会发生解离，从而带负电；土壤溶液越碱，负电荷越多。外层硅酸分子会发生解离，从而带负电；土壤溶液越碱，负电荷越多。3 3、含水氧化铁、铝胶体、含水氧化铁、铝胶体、含水氧化铁、铝胶体、含水氧化铁、铝胶体n n褐铁矿、水赤铁矿、针铁矿、水铝石、三水铝石等晶质或非晶质物质。褐铁矿、水赤铁矿、针铁矿、水铝石、三水铝石等晶质或非晶质物质。褐铁矿、水赤铁矿、针铁矿、水铝石、三水铝石等晶质或非晶质物质。褐铁矿、水赤铁矿、针铁矿、水铝石、三水铝石等晶质或非晶质物质。n n当土壤溶液的当土壤溶液的当土壤溶液的当土壤溶液的pHpH低于这些物质的等电点时，它们带正电荷；低于这些物质的等电点时，它们带正电荷；低于这些物质的等电点时，它们带正电荷；低于这些物质的等电点时，它们带正电荷；n n当土壤溶液的当土壤溶液的当土壤溶液的当土壤溶液的pHpH高于这些物质的等电点时，它们带负电荷；高于这些物质的等电点时，它们带负电荷；高于这些物质的等电点时，它们带负电荷；高于这些物质的等电点时，它们带负电荷；4 4、水铝英石、水铝英石、水铝英石、水铝英石n n非晶质物质；成分是含水的硅铝二三氧化物；两性胶体；非晶质物质；成分是含水的硅铝二三氧化物；两性胶体；非晶质物质；成分是含水的硅铝二三氧化物；两性胶体；非晶质物质；成分是含水的硅铝二三氧化物；两性胶体；n n主要存在于火山灰发育的土壤中。主要存在于火山灰发育的土壤中。主要存在于火山灰发育的土壤中。主要存在于火山灰发育的土壤中。2、含水氧化硅胶体成分为SiO2.H2O（H2SiO3）.31（二）土壤有机胶体（二）土壤有机胶体（二）土壤有机胶体（二）土壤有机胶体n n土壤有机胶体主要指腐植质。土壤有机胶体主要指腐植质。土壤有机胶体主要指腐植质。土壤有机胶体主要指腐植质。n n腐植质胶体由各种腐植酸的分子团所组成。腐植质胶体由各种腐植酸的分子团所组成。腐植质胶体由各种腐植酸的分子团所组成。腐植质胶体由各种腐植酸的分子团所组成。n n胶体表面的基团在胶体表面的基团在胶体表面的基团在胶体表面的基团在pHpH升高时带负电荷，升高时带负电荷，升高时带负电荷，升高时带负电荷，pHpH降低时带正电荷。降低时带正电荷。降低时带正电荷。降低时带正电荷。n n有机胶体会被微生物分解。有机胶体会被微生物分解。有机胶体会被微生物分解。有机胶体会被微生物分解。（三）有机（三）有机（三）有机（三）有机-无机复合胶体无机复合胶体无机复合胶体无机复合胶体n n由有机胶体与无机胶体互相结合而形成的复合胶体。由有机胶体与无机胶体互相结合而形成的复合胶体。由有机胶体与无机胶体互相结合而形成的复合胶体。由有机胶体与无机胶体互相结合而形成的复合胶体。n n在在在在土土土土壤壤壤壤中中中中，有有有有机机机机胶胶胶胶体体体体和和和和无无无无机机机机胶胶胶胶很很很很少少少少独独独独立立立立存存存存在在在在，大大大大部部部部分分分分是是是是以以以以有有有有机机机机-无无无无机机机机复复复复合合合合胶体的形式存在的。胶体的形式存在的。胶体的形式存在的。胶体的形式存在的。（二）土壤有机胶体土壤有机胶体主要指腐植质。（三）有机-无机32三.胶体双电层构造（Electrical Double Layer）决定电位离子决定电位离子potential determining ion扩散双电层扩散双电层diffused double layer三.胶体双电层构造（Electrical Double 33双电层模型双电层模型Electrical Double Layer胶核决定电位离子层（-）固定层（+）可动层胶粒反离子层胶团结构 电位电位电位反离子层呈大气式分布反离子层呈大气式分布双电层模型 Electrical Double Layer胶34四、土壤胶体的特性四、土壤胶体的特性n n（一）具有巨大的比表面和表面积（一）具有巨大的比表面和表面积（一）具有巨大的比表面和表面积（一）具有巨大的比表面和表面积（SurfaceareasSurfaceareas ）MontmorilloniteKaolinite 四、土壤胶体的特性（一）具有巨大的比表面和表面积（Surfa35（二）土壤胶体的带电性（二）土壤胶体的带电性n n土壤胶体所带的电荷可以分为两类：土壤胶体所带的电荷可以分为两类：土壤胶体所带的电荷可以分为两类：土壤胶体所带的电荷可以分为两类：永永永永久久久久电电电电荷荷荷荷（Permanent Permanent Charge Charge）：指指指指由由由由于于于于层层层层状状状状硅硅硅硅酸酸酸酸盐盐盐盐矿矿矿矿物物物物晶晶晶晶格格格格中中中中的的的的同同同同晶晶晶晶替替替替代代代代作作作作用用用用所所所所产产产产生生生生的的的的剩剩剩剩余余余余负负负负电电电电荷荷荷荷。这这这这种种种种负负负负电电电电荷荷荷荷不不不不受受受受介介介介质质质质pHpHpHpH值的影响。值的影响。值的影响。值的影响。可可可可变变变变负负负负电电电电荷荷荷荷（Variable Variable Charge Charge）：指指指指随随随随介介介介质质质质pHpHpHpH的的的的变变变变化化化化而而而而变变变变化化化化的的的的负电荷。负电荷。负电荷。负电荷。n n有有有有机机机机胶胶胶胶体体体体、氧氧氧氧化化化化物物物物胶胶胶胶体体体体的的的的电电电电荷荷荷荷属属属属于于于于可可可可变变变变电电电电荷荷荷荷，层层层层状状状状硅硅硅硅酸酸酸酸盐盐盐盐矿矿矿矿物物物物的的的的电荷既有永久电荷，也有可变电荷。电荷既有永久电荷，也有可变电荷。电荷既有永久电荷，也有可变电荷。电荷既有永久电荷，也有可变电荷。（二）土壤胶体的带电性土壤胶体所带的电荷可以分为两类：36Isomorphic substitutionIsomorphic substitution（同晶替代作用）（同晶替代作用）Critical Critical to to understanding understanding how how soils soils develop develop the the capacity capacity to to attract and retain cationsattract and retain cationsAlOSi4+SiOOOOONo net chargeAlOAl3+SiOOOOONet negative chargeSoil development-Mg2+Isomorphic substitution（同晶替代作用37（三）胶体的分散性和凝聚性（三）胶体的分散性和凝聚性n n胶体有两种状态：胶体有两种状态：胶体有两种状态：胶体有两种状态：n n溶溶溶溶胶胶胶胶状状状状态态态态：胶胶胶胶粒粒粒粒带带带带同同同同种种种种电电电电荷荷荷荷，彼彼彼彼此此此此互互互互相相相相排排排排斥斥斥斥，所所所所以以以以可可可可以稳定地分散在介质中。以稳定地分散在介质中。以稳定地分散在介质中。以稳定地分散在介质中。n n凝凝凝凝聚聚聚聚状状状状态态态态：胶胶胶胶粒粒粒粒与与与与胶胶胶胶粒粒粒粒之之之之间间间间互互互互相相相相凝凝凝凝聚聚聚聚在在在在一一一一起起起起形形形形成成成成絮絮絮絮状状状状或无定形沉淀。或无定形沉淀。或无定形沉淀。或无定形沉淀。（三）胶体的分散性和凝聚性胶体有两种状态：38（四）土壤胶体的吸收代换性（四）土壤胶体的吸收代换性n n带带带带电电电电荷荷荷荷的的的的土土土土壤壤壤壤胶胶胶胶体体体体会会会会吸吸吸吸附附附附土土土土壤壤壤壤溶溶溶溶液液液液中中中中的的的的带带带带相相相相反反反反电电电电荷荷荷荷的的的的离离离离子子子子，以以以以补补补补偿胶体电性的不平衡。偿胶体电性的不平衡。偿胶体电性的不平衡。偿胶体电性的不平衡。n n一一一一部部部部分分分分被被被被吸吸吸吸附附附附的的的的离离离离子子子子，可可可可以以以以和和和和土土土土壤壤壤壤溶溶溶溶液液液液中中中中的的的的离离离离子子子子进进进进行行行行交交交交换换换换。这这这这种种种种现象就称为现象就称为现象就称为现象就称为 土壤胶体的吸收交换性能。土壤胶体的吸收交换性能。土壤胶体的吸收交换性能。土壤胶体的吸收交换性能。（四）土壤胶体的吸收代换性带电荷的土壤胶体会吸附土壤溶液中的39Clay structure magnified 1,600 times第二节、土壤的交换吸附性能第二节、土壤的交换吸附性能Clay structure magnified 1,60040一、土壤阳离子交换吸附作用一、土壤阳离子交换吸附作用n n土土土土壤壤壤壤中中中中带带带带负负负负电电电电荷荷荷荷的的的的胶胶胶胶体体体体所所所所吸吸吸吸附附附附的的的的阳阳阳阳离离离离子子子子，在在在在静静静静电电电电引引引引力力力力、离离离离子子子子本本本本身身身身的的的的热热热热运运运运动动动动或或或或浓浓浓浓度度度度梯梯梯梯度度度度的的的的作作作作用用用用下下下下，可可可可以以以以和和和和土土土土壤壤壤壤溶溶溶溶液液液液或或或或其其其其它它它它胶胶胶胶体体体体表面的阳离子进行交换。这种作用就称为表面的阳离子进行交换。这种作用就称为表面的阳离子进行交换。这种作用就称为表面的阳离子进行交换。这种作用就称为阳离子交换作用阳离子交换作用阳离子交换作用阳离子交换作用。n n这种能互相交换的阳离子就称为这种能互相交换的阳离子就称为这种能互相交换的阳离子就称为这种能互相交换的阳离子就称为交换性阳离子交换性阳离子交换性阳离子交换性阳离子。n n离子从溶液转移到胶体表面的过程，称为离子的离子从溶液转移到胶体表面的过程，称为离子的离子从溶液转移到胶体表面的过程，称为离子的离子从溶液转移到胶体表面的过程，称为离子的吸附过程吸附过程吸附过程吸附过程。n n吸吸吸吸附附附附的的的的离离离离子子子子从从从从胶胶胶胶体体体体表表表表面面面面转转转转移移移移到到到到溶溶溶溶液液液液去去去去的的的的过过过过程程程程，称称称称为为为为离离离离子子子子的的的的解解解解吸吸吸吸过程过程过程过程。一、土壤阳离子交换吸附作用土壤中带负电荷的胶体所吸附的阳离子41土壤胶体和土壤吸收特性课件42土壤胶体和土壤吸收特性课件43Variably Charged SoilsOrganic matterOLow pHHOHH+NO3-Anion Exchange CapacityO-Mg2+Variably Charged SoilsOrganic 44（一）阳离子交换量（一）阳离子交换量n n在在在在一一一一定定定定的的的的pHpH值值值值条条条条件件件件下下下下，土土土土壤壤壤壤所所所所含含含含有有有有的的的的交交交交换换换换性性性性阳阳阳阳离离离离子子子子的的的的最最最最大大大大量量量量，就就就就称为土壤的阳离子交换量，简称称为土壤的阳离子交换量，简称称为土壤的阳离子交换量，简称称为土壤的阳离子交换量，简称CECCEC。n n测定测定测定测定CECCEC时通常将土壤时通常将土壤时通常将土壤时通常将土壤pHpH控制为控制为控制为控制为7 7，但有的方法也有例外。，但有的方法也有例外。，但有的方法也有例外。，但有的方法也有例外。n nCECCEC的的的的表表表表示示示示单单单单位位位位是是是是是是是是每每每每公公公公斤斤斤斤土土土土壤壤壤壤交交交交换换换换性性性性阳阳阳阳离离离离子子子子的的的的厘厘厘厘摩摩摩摩尔尔尔尔数数数数，Cmol(+)/kg.(me/100g)Cmol(+)/kg.(me/100g)（一）阳离子交换量在一定的pH值条件下，土壤所含有的交换性阳45Cation Exchange CapacityAlOSi4+SiOOOOONo net chargeAlOAl3+SiOOOOONet negative chargeSoil development-Mg2+Cation Exchange Capacity=Ability to hold(retain)cations and is an important part of soil fertility（Ions are atoms with an electrical charge）Can be dependent on permanent charge or pH dependant chargeNegatively charged colloids(organic matter and clay)attract and hold cationsCation Exchange CapacityAlOSi446Cation Exchange Capacity(CEC)CationsCa2+,Mg2+Na+,K+AnionsSO42-,PO43-Cl-,NO3-Ability of a soil to hold and exchange cationsIons are atoms with an electrical chargeNegatively charged colloids(organic matter and clay)attract and hold cationsIons are atoms with an electrical chargeCation Exchange Capacity(CEC)47CEC of a soil is due to:Organic Matter ContentClay ContentType of ClayMontmorillonite high CECIllite mod.CECKaolinite low CECCEC of a soil is due to:Organi48CEC(cont.)Most soils are negatively charged and hold cations.Most soils are negatively charged and hold cations.Cations Cations held held on on exchange exchange sites sites may may move move into into the the soil soil solution&be taken up by roots.solution&be taken up by roots.Anions Anions are are not not held held on on soil soil and and are are subject subject to to leaching leaching(P is exception).(P is exception).CEC(cont.)Most soils are nega49SOIL COLLOIDN SN SS NN S+-+-+-Like poles(charges)repelOpposite poles(charges)attractCa2+K+Na+Mg2+SO42-NO3-Cl-SOIL COLLOIDN SN SS NN S+-+50土壤胶体和土壤吸收特性课件51Cations in Soil SolutionNO3-NH4+Ca2+K+K+K+Mg2+Ca2+H+K+H+H+Ca2+Mg2+Cation Exchange CapacitySandSandClayOrganic Matter-Cations Held on Exchange SitesCations in Soil SolutionNO3-NH52土壤胶体和土壤吸收特性课件53Common CEC RangeHeavy Clay50 CEC50 CECSand2 CEC2 CECCEC 25More Clay,More Positions to Hold CationsCEC 5Less Clay,Fewer Positions to Hold CationsH+Ca2+Mg2+NH4+Na+K+H+H+H+K+SandClayAnother Schematic Look at CECCommon CEC RangeHeavy Clay50 C54阳离子交换量的意义阳离子交换量的意义1.作为土壤保肥性能的评价指标 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。CECCEC102020保肥性保肥性弱弱中等中等强强2.作为制定施肥计划的参考CEC高的土壤，稳肥，耐肥性好，可以少次多量；CEC低的土壤，性燥，耐肥性差，可以少量多次阳离子交换量的意义1.作为土壤保肥性能的评价指标CEC 水云母水云母水云母水云母 高岭石高岭石高岭石高岭石 氧化铁、铝氧化铁、铝氧化铁、铝氧化铁、铝n n（4 4）土壤酸碱度：）土壤酸碱度：）土壤酸碱度：）土壤酸碱度：pHpH高，高，高，高，CECCEC也高。也高。也高。也高。影响阳离子交换量的主要因素有：（1）质地：质地越细，CEC越56（二）盐基饱和度（二）盐基饱和度 盐基离子：盐基离子：盐基离子：盐基离子：K K+,Na,Na+,Ca,Ca2+2+,NH,NH4+4+,Mg,Mg2+2+吸附的吸附的吸附的吸附的阳离子阳离子阳离子阳离子 致酸离子：致酸离子：致酸离子：致酸离子：AlAl3+3+,H,H+土壤中盐基离子占交换性阳离子总量的百分率土壤中盐基离子占交换性阳离子总量的百分率土壤中盐基离子占交换性阳离子总量的百分率土壤中盐基离子占交换性阳离子总量的百分率,称为盐基饱和度称为盐基饱和度称为盐基饱和度称为盐基饱和度.n n一般说来，酸性土壤的盐基饱和度较低，而碱性土壤的盐基饱和度较高。一般说来，酸性土壤的盐基饱和度较低，而碱性土壤的盐基饱和度较高。一般说来，酸性土壤的盐基饱和度较低，而碱性土壤的盐基饱和度较高。一般说来，酸性土壤的盐基饱和度较低，而碱性土壤的盐基饱和度较高。n n肥沃的土壤应该具有较高的盐基饱和度。肥沃的土壤应该具有较高的盐基饱和度。肥沃的土壤应该具有较高的盐基饱和度。肥沃的土壤应该具有较高的盐基饱和度。（二）盐基饱和度 57二、土壤的阴离子吸收作用二、土壤的阴离子吸收作用（一）阴离子吸收的机制（一）阴离子吸收的机制（一）阴离子吸收的机制（一）阴离子吸收的机制1 1、静电吸附：静电吸附：静电吸附：静电吸附：土壤带正电荷的胶体表面对阴离子的吸附。土壤带正电荷的胶体表面对阴离子的吸附。土壤带正电荷的胶体表面对阴离子的吸附。土壤带正电荷的胶体表面对阴离子的吸附。以这种机制被吸附的阴离子，具有交换性。以这种机制被吸附的阴离子，具有交换性。以这种机制被吸附的阴离子，具有交换性。以这种机制被吸附的阴离子，具有交换性。如：如：如：如：ClCl-，NO NO3 3-的吸附的吸附的吸附的吸附2 2、配位体交换吸附：配位体交换吸附：配位体交换吸附：配位体交换吸附：指阴离子取代氧化物表面羟基而被吸附的过程。指阴离子取代氧化物表面羟基而被吸附的过程。指阴离子取代氧化物表面羟基而被吸附的过程。指阴离子取代氧化物表面羟基而被吸附的过程。这这这这种种种种吸吸吸吸附附附附属属属属于于于于专专专专性性性性吸吸吸吸附附附附。能能能能发发发发生生生生这这这这种种种种交交交交换换换换作作作作用用用用的的的的阴阴阴阴离离离离子子子子主主主主要要要要有有有有F F-和和和和含含含含氧氧氧氧酸酸酸酸根离子。可以发生在正电、负电或中性胶体表面。根离子。可以发生在正电、负电或中性胶体表面。根离子。可以发生在正电、负电或中性胶体表面。根离子。可以发生在正电、负电或中性胶体表面。3 3、化学沉淀作用：、化学沉淀作用：、化学沉淀作用：、化学沉淀作用：指阴离子与土壤矿物质形成沉淀的过程。指阴离子与土壤矿物质形成沉淀的过程。指阴离子与土壤矿物质形成沉淀的过程。指阴离子与土壤矿物质形成沉淀的过程。如磷酸根与铁、铝的沉淀。如磷酸根与铁、铝的沉淀。如磷酸根与铁、铝的沉淀。如磷酸根与铁、铝的沉淀。pp阴离子的吸收强度取决于土壤的胶体类型和土壤阴离子的吸收强度取决于土壤的胶体类型和土壤阴离子的吸收强度取决于土壤的胶体类型和土壤阴离子的吸收强度取决于土壤的胶体类型和土壤pHpHpHpH。pp氧化物和氧化物和氧化物和氧化物和1 1 1 1：1 1 1 1型矿物含量越高，型矿物含量越高，型矿物含量越高，型矿物含量越高，pHpHpHpH越低，阴离子吸收越强烈。越低，阴离子吸收越强烈。越低，阴离子吸收越强烈。越低，阴离子吸收越强烈。二、土壤的阴离子吸收作用（一）阴离子吸收的机制58（二）阴离子的吸收强度（二）阴离子的吸收强度1 1、被土壤强烈吸收的阴离子：、被土壤强烈吸收的阴离子：、被土壤强烈吸收的阴离子：、被土壤强烈吸收的阴离子：磷磷磷磷酸酸酸酸根根根根、硅硅硅硅酸酸酸酸根根根根和和和和若若若若干干干干有有有有机机机机酸酸酸酸根根根根(C(C2 2OO4 42-2-)。这这这这类类类类阴阴阴阴在在在在土土土土壤壤壤壤中中中中常常常常形形形形成难溶沉淀。成难溶沉淀。成难溶沉淀。成难溶沉淀。2 2、吸附很弱或产生负吸附的阴离子：、吸附很弱或产生负吸附的阴离子：、吸附很弱或产生负吸附的阴离子：、吸附很弱或产生负吸附的阴离子：所所所所谓谓谓谓负负负负吸吸吸吸附附附附，指指指指阴阴阴阴离离离离子子子子在在在在土土土土壤壤壤壤胶胶胶胶体体体体表表表表面面面面的的的的浓浓浓浓度度度度低低低低于于于于土土土土壤壤壤壤溶溶溶溶液液液液中中中中的的的的浓度的现象。实际上指土壤胶体对阴离子的排斥现象。浓度的现象。实际上指土壤胶体对阴离子的排斥现象。浓度的现象。实际上指土壤胶体对阴离子的排斥现象。浓度的现象。实际上指土壤胶体对阴离子的排斥现象。土壤对土壤对土壤对土壤对ClCl-，NONO3 3-的吸附通常较弱或产生负吸附。的吸附通常较弱或产生负吸附。的吸附通常较弱或产生负吸附。的吸附通常较弱或产生负吸附。3 3、中间类型的阴离子：、中间类型的阴离子：、中间类型的阴离子：、中间类型的阴离子：指吸收强度介于上述两种的阴离子。指吸收强度介于上述两种的阴离子。指吸收强度介于上述两种的阴离子。指吸收强度介于上述两种的阴离子。如：如：如：如：SOSO4 42-2-，CO CO3 32-2-等。等。等。等。（二）阴离子的吸收强度1、被土壤强烈吸收的阴离子：59常见阴离子被土壤吸收的难易顺序：常见阴离子被土壤吸收的难易顺序：n n F F-草草草草酸酸酸酸根根根根 柠柠柠柠檬檬檬檬酸酸酸酸根根根根HH2 2POPO4 4-HCOHCO3 3-HH2 2BOBO3 3-CHCH3 3COOCOO-SCNSCN-SOSO4 42-2-ClCl-NONO3 3-n n 硝硝硝硝酸酸酸酸根根根根容容容容易易易易被被被被淋淋淋淋失失失失，而而而而磷磷磷磷酸酸酸酸根根根根容容容容易易易易被被被被固固固固定定定定。这这这这是是是是农农农农业业业业生生生生产产产产上上上上十十十十分分分分需要注意的问题。需要注意的问题。需要注意的问题。需要注意的问题。常见阴离子被土壤吸收的难易顺序：F-草酸根柠檬酸60思考题思考题1.1.土壤胶体有何特性？简述其对土壤肥力的影响？土壤胶体有何特性？简述其对土壤肥力的影响？2.2.影影响响土土壤壤保保肥肥性性和和供供肥肥性性的的因因素素主主要要有有哪哪些些？如如何何调节？调节？3.3.试比较高岭石与蒙脱石晶层构造上的差异。试比较高岭石与蒙脱石晶层构造上的差异。思考题1.土壤胶体有何特性？简述其对土壤肥力的影响？61