土壤胶体构造示意图课件

第八章第八章 土壤胶体和土壤离子交换土壤胶体和土壤离子交换第八章第八章土壤胶体和土壤离子交换土壤胶体和土壤离子交换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。一种物质一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、高三向中一个方向的长度）高三向中一个方向的长度）在在1-100纳米范围内纳米范围内的分散系称胶体分散系。的分散系称胶体分散系。其颗粒大小介于粗分其颗粒大小介于粗分散系和分子、离子分散系之间。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、高三向中一个方土壤胶体构造示意图课件土壤胶体构造示意图课件第一节第一节 土壤胶体的构造和性质土壤胶体的构造和性质第一节第一节土壤胶体的构造和性质土壤胶体的构造和性质一一、土壤胶体的概念、土壤胶体的概念颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽、高三向颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽、高三向中一个方向的长度）在中一个方向的长度）在1100nm范围内的带电的范围内的带电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：通常情况下，直径小于注：通常情况下，直径小于2m（或（或1m）的土粒便具有胶体的性质，因）的土粒便具有胶体的性质，因而被视为土壤胶体颗粒。而被视为土壤胶体颗粒。土壤胶体的结构和性质一一、土壤胶体的概念、土壤胶体的概念颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽颗粒直径（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,土壤中胶核土壤中胶核一般由含水一般由含水SiO2 ,Fe2 O3,Al2 O3、次、次生铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质等分生铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质等分子团分子组成子团分子组成。(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这是胶体的固体部分,土壤中胶核一般由含水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,吸附土壤溶吸附土壤溶液中相反的离子液中相反的离子 而形成的而形成的:非活性离子层非活性离子层和和扩扩散层散层（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由于内层电荷的静电引力的作用,吸附土壤溶液中相反的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-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1 cm3物质表面积随分散度变化的情况物质表面积随分散度变化的情况立方体立方体边长（cm）立方体数立方体数目目总表面表面积比表面比表面积（cm2cm-3）116cm260.110360cm26100.01106600cm261020.0011096000cm261030.000110126m261040.00001101560m261050.0000011018600m261060.000000110216000m26107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立方体边长立方体数目总物质表面积随分散度变化的情况立方体边长立方体数目总各粒径土粒的比面各粒径土粒的比面土粒土粒（粒径（粒径mm）比表面比表面积（cm2g-1）土粒土粒（粒径（粒径mm）比表面比表面积（cm2g-1）粗砂粒（粗砂粒（1）22.6粘粒粘粒（0.0005）500nm45,200中砂粒（中砂粒（0.1）226胶粒胶粒（0.0001）100nm226,000细砂粒（砂粒（0.01）2,260胶粒胶粒（0.00005）50nm452,000粘粒（粘粒（0.001）22,600胶粒胶粒（0.00001）10nm2,260,000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.只有砂粒近只有砂粒近似球形似球形,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,实际上胶实际上胶体的表面积比光滑的球体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土粒比表面积土粒比表面积各粒径土粒的比面土粒比表面积土粒比表面积粗砂粒（粗砂粒（1）22 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由于胶体表面的分子解离或吸附溶液中的(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四面体中的硅可被铝代换Si4+(2)晶格破碎边缘的断键晶格破碎边缘的断键 在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有一在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有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。例如例如晶格在硅层或铝层截面上断裂，晶格在硅层或铝层截面上断裂，SiOSi，AlOAl在断裂后，断面上留下在断裂后，断面上留下SiO-、AlO-，从而带，从而带负电。负电。土壤胶体的结构和性质(2)晶格破碎边缘的断键晶格破碎边缘的断键土壤胶体的结构和性质土壤胶体的结构和性质(3)胶体表面分子的解离胶体表面分子的解离 胶核表面的分子或原子团的解离胶核表面的分子或原子团的解离,这种电荷的数量这种电荷的数量和性质随介质的和性质随介质的pH而改变而改变,故称故称可变电荷可变电荷。l黏土矿物晶面上黏土矿物晶面上-OH的解离的解离l含水铁、铝氧化物的解离（含水铁、铝氧化物的解离（Al2O33H2O)l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）l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胶体表面分子的解离黏土矿物晶面上黏土矿物晶面上-OH的解离来源土壤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：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Al（OH）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)3或或Al(OH)3解离解离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OH-而成为带正电而成为带正电的胶体主要取决于的胶体主要取决于溶液的溶液的pH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基可以解离出基可以解离出H+，带负电，带负电:结结晶晶体体-OH-OH-OH结结晶晶体体-O-O-O-+3H+土壤胶体的结构和性质层状硅酸盐晶层上的层状硅酸盐晶层上的-OH基可以解离出基可以解离出H+，带负电，带负电:结结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时，此时胶体悬液的荷相等时，此时胶体悬液的pH值称为值称为等电点等电点(isoelectric point)。在土壤在土壤pH5-8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这个范围，因此，对于土壤胶体来讲，范围，因此，对于土壤胶体来讲，pH5-8相当于在相当于在碱性环境碱性环境下，此时，腐殖质和铝硅酸盐等胶体都下，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，表现为对阳离子的吸附，只有离子的吸附，只有Fe(OH)3和和Al(OH)3带正电，吸附阴离子。带正电，吸附阴离子。故故 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时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时如三水铝石的如三水铝石的pH0值为值为4.8。当土壤当土壤pH低于低于pH0值时值时:（相当于酸性环境）（相当于酸性环境）Al2O33H2O 2Al(OH)2+2OH-当土壤当土壤pH高于高于pH0值时值时:（相当于碱性环境）（相当于碱性环境）Al2O33H2O 2Al(OH)2O-+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如三水铝石的pH0值为值为4.8。b.含水氧化铁、氧化铝含水氧化铁、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高pH条件下：条件下：c.腐殖质上某些原子团的解离土壤胶体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）SiO32-+H+土壤胶体的结构和性质d.含水氧化硅的解离含水氧化硅的解离SiO2H2O（或（或H2SiO3）的）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 半径大或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则小。半径大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 m粘土粘土悬浊液开始凝聚液开始凝聚时的的电解解质浓度度电解质名称电解质名称开始凝聚时的浓度开始凝聚时的浓度（molL-1）电解质名称电解质名称开始凝聚时的浓度开始凝聚时的浓度（molL-1）NaCl0.02500.0125CaCl20.00060.00025NH4Cl0.02500.0125AlCl30.000042KCl0.02500.0125FeCl30.000042MgCl20.00060.00025HCl0.0010.0005注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可逆的。注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可逆的。阳离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，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具有水稳性，而钠离子胶结的不具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。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电解质名称开始凝粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度电解质名称开始凝凝聚作用强，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（CaO）、石膏（）、石膏（CaSO4），增加），增加Ca2+浓度，对沉实土壤，浓度，对沉实土壤，改良土性，有明显效果。改良土性，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）。农业上促进由于胶体的巨大表面能，使其对周围分由于胶体的巨大表面能，使其对周围分子或离子有子或离子有很强的吸附力很强的吸附力，同样胶体的电，同样胶体的电性使其扩散层的离子与土壤溶液中的离子性使其扩散层的离子与土壤溶液中的离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由于胶体的巨大表面能，使其对周围分子或离子有第二节第二节 土壤胶体的类型土壤胶体的类型第二节第二节土壤胶体的类型土壤胶体的类型一、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：水铝英石水铝英石一、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.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带负电带负电1.含水氧化硅胶体含水氧化硅胶体 此类胶体包括此类胶体包括褐铁矿褐铁矿（2Fe2O33H2O）、）、水赤铁矿水赤铁矿（3Fe2O3H2O）、）、针铁矿针铁矿（Fe2O3H2O）、）、水铝矿水铝矿（Al2O3H2O）、）、三水铝矿三水铝矿（Al2O33H2O）等晶质矿）等晶质矿物和物和氢氧化铁氢氧化铁Fe(OH)3、氢氧化铝氢氧化铝Al(OH)3等非晶质等非晶质矿物。这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为矿物。这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为两性胶体两性胶体。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（此类胶体包括褐铁矿（2Fe2O33H2O）、水赤铁矿（）、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pH7.1，氢氧化铝等，氢氧化铝等电点为电点为pH8.1，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：离离子的半径及水化程度：离子价子价数原数原子子量离子半径（量离子半径（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+只带一个水分子，即以只带一个水分子，即以H3O+的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具有特殊位置。有特殊位置。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：离子运动速度：阳离子交换能力顺序：阳离子交换阳离子交换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.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pH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，CEC）。）。单位：单位：cmol（+）kg-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pH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pH为为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CEC的因素的因素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CEC越大。越大。就矿质胶体而言，就矿质胶体而言，CEC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CEC较砂较砂质土要大的多。质土要大的多。质地质地阳离子交换量阳离子交换量（cmol(+)kg-1)砂土砂土1-5砂壤土砂壤土7-8壤土壤土7-18粘土粘土25-30阳离子交换（二）影响（二）影响CEC的因素的因素1.胶体数量质地阳离子交换量砂土胶体数量质地阳离子交换量砂土12.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胶休胶休种类种类腐殖质腐殖质蛭石蛭石蒙脱石蒙脱石水云母水云母高岭石高岭石含水氧化铁、含水氧化铁、铝铝CEC（cmol(+)kg-1)150-500100-15060-10020-403-15微量微量比表面比表面（m2g-1)800-1000700800100-2005-20-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.胶体类型胶休腐殖质蛭石蒙脱石水云母高岭石含水氧化铁、铝胶体类型胶休腐殖质蛭石蒙脱石水云母高岭石含水氧化铁、铝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。pH4.5pH6.4pH8.1沼泽土胡敏酸沼泽土胡敏酸170.0286.3400.0灰化土胡敏酸灰化土胡敏酸234.0410.0508.7黑钙土胡敏酸黑钙土胡敏酸292.2432.9590.5pH2.5-6pH7高岭石高岭石410蒙脱石蒙脱石95100阳离子交换3.土壤土壤pH值：值：pH4.5pH6.4pH8.1沼泽土胡敏酸沼泽土胡敏酸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、-OH等官能等官能团，当它们解离出团，当它们解离出H+时，可使胶体带有大量负电时，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。荷，而且腐殖质分散度大，具有很大的吸收表面。所以腐殖质的所以腐殖质的CEC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CEC，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（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几种不同土壤的腐殖质的土壤交换量的大小，基本上代表了土壤的保持养土壤交换量的大小，基本上代表了土壤的保持养分数量，也就是平常所说的保肥力高低；分数量，也就是平常所说的保肥力高低；交换量交换量大，也就是保存养分的能力大，反之则弱大，也就是保存养分的能力大，反之则弱。所以，。所以，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CEC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 cmol(+)kg-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+和和Al3+）。）。另一类是另一类是盐基离子盐基离子（如（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等），盐基离子为等），盐基离子为植物所需的速效养分。植物所需的速效养分。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：五、土壤盐基饱和度胶体上吸附的阳离子分为两类：1.定义阳离定义阳离l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%以上）为盐基离子。以上）为盐基离子。l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%以下，以下，H+、Al3+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（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.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.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.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。土壤土壤CEC/(c molkg-1）交换性交换性Ca量量/(c molkg-1)交换性交换性Ca的的饱和度饱和度%Ca的有效度的有效度甲甲10440.0大大乙乙40512.5小小农谚：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交换性阳离子的饱和度饱和2.陪补离子的种类陪补离子的种类对于某一对于某一特定的离子来说，特定的离子来说，其它与其共存的离子都是陪其它与其共存的离子都是陪补离子补离子。（如胶体吸附了。（如胶体吸附了H+、Ca2+、Mg2+、K+等离子，对等离子，对H+来说，来说，Ca2+、Mg2+、K+是它是它 陪补离子）陪补离子）与胶体结合强度大的离子，本身有效性低，但对与胶体结合强度大的离子，本身有效性低，但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+的陪补离子分别为的陪补离子分别为Ca2+、Na+时，有效性时，有效性高低比较？高低比较？阳离子交换2.陪补离子的种类陪补离子的种类对于某一特定的离子来说，其它与其共存的离对于某一特定的离子来说，其它与其共存的离土壤处理土壤处理 交换性离子组成交换性离子组成盆中幼苗干重盆中幼苗干重(g)(g)盆中幼苗吸钙盆中幼苗吸钙量量(mg)(mg)甲甲40%Ca+60%40%Ca+60%H H2.82.811.1511.15乙乙40%Ca+60%40%Ca+60%MgMg2.792.797.837.83丙丙40%Ca+60%40%Ca+60%NaNa2.342.344.364.36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+土壤处理交换性离子组成盆中幼苗干重土壤处理交换性离子组成盆中幼苗干重(g)盆中幼苗吸钙量盆中幼苗吸钙量(mg3.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：高岭石高岭石蒙脱石蒙脱石水云母水云母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.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：离子半径大小与晶格孔穴大小的关系：4.阳离子的非交换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第四节土壤阴离子交换作用土壤阴离子交换作用土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中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、土壤腐殖质中的、土壤腐殖质中的NH2 在在酸性条件酸性条件下吸下吸 收收H+成为成为NH3+而带正电而带正电1、两性胶体带正电荷、两性胶体带正电荷 酸性酸性 Al(OH)3+HCl=Al(OH)2+Cl-+H2O 碱性碱性 Al(OH)3+NaOH=Al(OH)2O-+Na+H2O3、粘粒矿物表面上的、粘粒矿物表面上的-OH原子团可与原子团可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、吸收阴离子的原因一、吸收阴离子的原因2、土壤腐殖质中的、土壤腐殖质中的NH21、两性胶、两性胶三、阴离子吸附类型三、阴离子吸附类型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（H2PO4-、HPO42-、PO43-）、硅酸根（）、硅酸根（HSiO3-、SiO32-）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化合物。溶性化合物。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Cl-、NO3-、NO2-等。易出现负吸附。等。易出现负吸附。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SO42-、CO32-、HCO3-及某些有机酸的阴离子，土壤吸收及某些有机酸的阴离子，土壤吸收它们的能力很弱。它们的能力很弱。阴离子交换三、阴离子吸附类型三、阴离子吸附类型1.易于被土壤吸附的阴离子易于被土壤吸附的阴离子2.很少或根本不很少或根本不四、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，而失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最去有效性。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四、土壤中各种阴离子代换吸收能力不同阴离子代换吸收不同阴离子代换吸收