第二章 土壤的基本組成和性質(zhì),第五節(jié) 土壤膠體與吸附性 一、土壤膠體及性質(zhì) 二、土壤的交換吸附性能,了解土壤膠體的表面類型、構(gòu)造、種類、性質(zhì)，掌握土壤膠體對(duì)陽(yáng)離子、陰離子的吸附作用及影響因素。,【教學(xué)目標(biāo)】,一、土壤膠體 膠體是一種分散系統(tǒng) 分散介質(zhì)：土壤溶液和土壤空氣 分散相：土壤固相顆粒 土壤膠體：是指土壤中顆粒直徑小于1微米或小于2微米，具有膠體性質(zhì)的微粒。,二、土壤膠體的構(gòu)造,膠體微粒構(gòu)造示意圖,1、膠核：膠核由許多分子或其他微粒聚集而成。 2、雙電層 （1）決定離子電位層：吸附在膠粒核表面，決定膠粒電荷正負(fù)及大小的離子層，或稱雙電層外層。 （2）補(bǔ)償離子層：決定電位離子層產(chǎn)生的靜電力吸附粒間溶液中帶相反電荷的離子，形成補(bǔ)償離子層，又稱雙電層外層。又分為擴(kuò)散層和非活性離子補(bǔ)償層。,擴(kuò)散層,（一）膠體具有巨大的比面和表面能,單位質(zhì)量或體積物體的總表面積稱為比面,三、土壤膠體的基本特性,（比面=總面積/質(zhì)量）,可見(jiàn)，土粒愈細(xì)小，總表面積愈大，比面愈大。 土壤中顆粒其實(shí)是多種多樣的，多為片狀、棒狀、針狀。實(shí)際上膠體的表面積比光滑的球體的大得多。,7,表面能：界面上的物質(zhì)分子(表面分子)所具有的多余的不飽和能量。,顆粒愈細(xì)，比面愈大，表面能也愈強(qiáng)。因而顆粒微細(xì)的土壤膠體具有巨大的表面能，使其具有很強(qiáng)的表面活性。,作用：能吸附各種重金屬等污染元素，有較大的緩沖能力，保持土壤元素，忍受酸堿變化，減輕某些毒性物質(zhì)的危害。,因此，土壤膠體的帶電性對(duì)土壤肥力性質(zhì)以及污染元素、有機(jī)污染物等在土壤溶液中的聚集、遷轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)化等有重要影響。,（二）膠體土壤膠體的帶電性,由于膠體表面的分子解離或吸附溶液中的離子,使膠粒帶電.,土壤中所有膠粒都是帶電的（一般為負(fù)電荷），這是土壤產(chǎn)生離子吸附和交換、離子擴(kuò)散、酸堿平衡、氧化還原反應(yīng)以及膠體的分散與絮凝等現(xiàn)象的根本原因，而這些反應(yīng)都直接或間接關(guān)系到土壤的水、肥、氣、熱性質(zhì)。 土壤表面電荷數(shù)量決定土壤所能吸附的離子數(shù)量，土壤膠體表面電荷密度，則影響著離子的吸附強(qiáng)度。,10,土壤電荷的來(lái)源： （1）同晶置換 （2）礦物晶格斷鍵 （3）表面分子的解離,土壤的電荷數(shù)量,土壤電荷的數(shù)量一般用每千克物質(zhì)吸附離子的厘摩爾數(shù)表示。,土壤的正電荷和負(fù)電荷的代數(shù)和就是土壤的凈電荷。一般土壤的負(fù)電荷多于正電荷，所以土壤一般帶負(fù)電荷。,溶膠 土壤膠體微粒均勻地分散在水中，呈高度分散的溶膠,凝膠 膠體微粒彼此凝集在一起呈絮狀的凝膠,膠體的凝聚,膠體的分散,（三）土壤膠體的凝聚性和分散性,影響因素 ：主要因素是膠體的動(dòng)電電位,土壤溶液,陽(yáng)離子,對(duì)膠體的凝聚力： Fe3+ Al3+ H+Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+,通常土壤膠體是帶負(fù)電荷的，土壤膠體之間帶有負(fù)的電動(dòng)電位，是相互排斥的，這種負(fù)電動(dòng)電位越高，排斥力越強(qiáng)，越能成為穩(wěn)定的溶膠。 當(dāng)加入一些多價(jià)離子的時(shí)候，土壤膠體之間分子引力大于靜電排斥力，膠體就會(huì)相互凝聚形成凝膠。,三、土壤膠體的類型 （一）有機(jī)膠體 土壤中的有機(jī)物質(zhì)，主要是腐殖質(zhì)；,土壤有機(jī)膠體腐殖質(zhì),特點(diǎn) a.保肥性強(qiáng) b.帶有大量的負(fù)電荷 C.具有高度的親水性,（二）無(wú)機(jī)膠體 無(wú)機(jī)膠體包括：次生鋁硅酸鹽礦物和含水氧化物。,含水氧化鋁,含水氧化鐵,含水氧化硅,水鋁英石,次生鋁硅酸鹽類（即粘土礦物）,無(wú)機(jī)膠體,含水氧化物,（三）有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體 土壤中的礦質(zhì)膠體和有機(jī)膠體很少單獨(dú)存在，大多相互結(jié)合成為有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體。這是因?yàn)橥寥栏迟|(zhì)存在的活潑官能團(tuán)，在粘土礦物的表面也存在著許多活潑的原子團(tuán)或化學(xué)鍵，他們之間必然產(chǎn)生物理、化學(xué)或物理化學(xué)作用，因而會(huì)結(jié)合形成不同的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體。,有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體的結(jié)合方式比較復(fù)雜，主要的結(jié)合方式有下列三種：,（1）通過(guò)鈣離子結(jié)合 通過(guò)Ca2+ 結(jié)合的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體與水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)形成有關(guān)，對(duì)土壤肥力起著重要作用。,（2）有機(jī)膠體通過(guò)鋁鐵膠體結(jié)合,胡敏酸與鐵鋁結(jié)合有二種方式，與Fe3+、Al3+結(jié)合，形成鐵或鋁胡敏酸化合物；也可與膠態(tài)鐵鋁結(jié)合形成鐵、鋁胡敏酸凝膠。,19,（3）有機(jī)膠體與無(wú)機(jī)膠體的直接結(jié)合,二、土壤的交換吸附性能,一）陽(yáng)離子交換吸附作用的特點(diǎn) 二）土壤陽(yáng)離子交換量 三）影響陽(yáng)離子交換作用的因素 四）土壤鹽基飽和度 五）交換性陽(yáng)離子的活度及其影響因素,一、土壤的離子交換,土壤膠體的交換作用是指土壤膠體微粒擴(kuò)散層中的離子與土壤溶液或不同膠粒中電荷符號(hào)相同的離子相互交換過(guò)程。,土壤的離子交換作用是由土壤膠體引起的。 分為陽(yáng)離子交換作用和陰離子交換作用兩種。,（一）土壤中陽(yáng)離子交換作用,陽(yáng)離子交換作用指土壤膠體表面所吸附的陽(yáng)離子與土壤溶液中或不同膠粒上的陽(yáng)離子相互交換的過(guò)程。,當(dāng)土壤溶液中陽(yáng)離子吸附在膠體上時(shí)，表示陽(yáng)離子養(yǎng)分的暫時(shí)保蓄，即保肥過(guò)程；當(dāng)膠體上的陽(yáng)離子解離至土壤溶液中時(shí)，表示養(yǎng)分的釋放，即供肥過(guò)程。,a. 可逆反應(yīng)，迅速平衡 ；,1.土壤陽(yáng)離子交換作用的特點(diǎn),b. 按等量關(guān)系進(jìn)行，等價(jià)交換；,c. 交換反應(yīng)的速度受交換點(diǎn)的位置和溫度的影響；,陽(yáng)離子交換反映是一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，這對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)有重要的意義。當(dāng)植物從土壤溶液中吸收了陽(yáng)離子后，膠體上的交換性陽(yáng)離子會(huì)迅速補(bǔ)給到土壤溶液中。,a. 可逆反應(yīng)，迅速平衡,b. 陽(yáng)離子交換按等量關(guān)系進(jìn)行，等價(jià)交換,c. 交換反應(yīng)的速度受交換點(diǎn)的位置和溫度的影響；,位置： 如果溶液中的離子能直接與膠粒表面代換性離子接觸，交換速度就快；如離子要擴(kuò)散到膠粒內(nèi)層才進(jìn)行交換，則交換時(shí)間就較長(zhǎng)，有的需要幾晝夜才能達(dá)成平衡。 溫度： 高溫可加快離子交換反應(yīng)的速率，因?yàn)闇囟壬撸x子的熱運(yùn)動(dòng)變得更為劇烈，致使單位時(shí)間內(nèi)碰撞固相表面的次數(shù)增多。,2.影響陽(yáng)離子交換作用的因素,（1）陽(yáng)離子交換能力,（2）陽(yáng)離子的相對(duì)濃度及交換生成物的性質(zhì),（3）膠體性質(zhì),c.離子運(yùn)動(dòng)速度越大，交換力越強(qiáng) 凡運(yùn)動(dòng)速度快的其交換能力也大。H半徑小，但水化很弱，水膜薄，運(yùn)動(dòng)速度快，因此它在交換能力上具有特殊位置。,a.離子電荷數(shù)量三價(jià)二價(jià)一價(jià) b.離子的半徑和水化程度 同價(jià)離子，離子半徑越大，水化程度越弱，則水化半徑越小，其代換能力越強(qiáng)，如K+ Na+ 。,（1）陽(yáng)離子交換能力,K Ca2K2SO4 K CaSO4,有利于向生成物方向進(jìn)行的條件： 生成物不斷被移走（生物吸收、淋溶） 形成沉淀（礦物固定）不溶物或難溶物 形成氣體,土壤 膠粒,土壤 膠粒,（2） 陽(yáng)離子的相對(duì)濃度及交換生成物的性質(zhì),（3）膠體的性質(zhì),一般情況下，交換量大的膠體結(jié)合兩價(jià)離子能力強(qiáng)，結(jié)合一價(jià)離子的能力稍弱；反之，交換量小的膠體結(jié)合一價(jià)離子能力強(qiáng)，與兩價(jià)離子的結(jié)合能力較弱，即一價(jià)離子可將兩價(jià)離子交換下來(lái)。,土壤中常見(jiàn)的離子交換能力排列順序是： Fe3Al3HCa2Mg2KNH4Na,凡運(yùn)動(dòng)速度快的其交換能力也大。H半徑小，但水化很弱，水膜薄，運(yùn)動(dòng)速度快，因此它在交換能力上具有特殊位置。,(1)土壤的陽(yáng)離子交換量 ，在一定土壤pH值條件下，土壤能吸附的交換性陽(yáng)離子的總量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交換性陽(yáng)離子的厘摩爾數(shù)（ Cation Exchange Capacity， CEC）。 單位：cmol（+）kg-1 。,3.土壤的陽(yáng)離子交換量和鹽基飽和度,不同質(zhì)地土壤的陽(yáng)離子交換量,2530,718,78,15,陽(yáng)離子 交換量,粘 土,壤 土,砂壤土,砂 土,土 壤,單位：cmol(+)kg,（2）影響土壤交換量的因素： a. 土壤質(zhì)地,b. 腐殖質(zhì)含量 腐殖質(zhì)膠體陽(yáng)離子交換量遠(yuǎn)大于礦質(zhì)膠體。 c. 膠體種類 有機(jī)膠體交換量最大；礦質(zhì)膠體中交換量大小是：蒙脫石伊利石高嶺石。 d. 土壤酸堿反應(yīng) 一般來(lái)說(shuō)，隨土壤堿度增加(pH值增高)解離度增高，帶電量多；反之，隨土壤酸度增加(pH值降低)解離度降低，帶電量減少。,（3）鹽基飽和度 鹽基飽和度是指土壤吸附的交換性鹽基離子占交換性陽(yáng)離子總量的百分?jǐn)?shù)。,交換性鹽基離子總量（cmolkg） 陽(yáng)離子交換量（cmolkg）,鹽基飽和度 （）,=,鹽基飽和度的大小常與雨量、母質(zhì)、植被等自然條件有密切關(guān)系。一般干旱地區(qū)的土壤鹽基飽和度大，多雨地區(qū)則小。,（4）交換性陽(yáng)離子的活度及其影響因素,交換性陽(yáng)離子活度是指實(shí)際能解離出來(lái)的交換性離子數(shù)量。 影響因素： 交換性離子的飽和度； 賠補(bǔ)離子的種類； 無(wú)機(jī)膠體的種類； 離子半徑大小與晶格孔穴大小的關(guān)系；,二、土壤陰離子交換作用,陰離子交換作用是指被膠粒表面正電荷吸附的陰離子與溶液或不同膠粒上陰離子交換的過(guò)程。 陰離子交換吸收作用有些是可逆的，受質(zhì)量作用定律的支配，但多數(shù)情況下陰離子交換吸收與化學(xué)固定是同時(shí)發(fā)生的，被吸收的陰離子轉(zhuǎn)化為難溶性化合物被固定在土壤中。,2、影響土壤陰離子吸附能力的因素,膠體種類和本身價(jià)位 高齡石易帶正電的粘土礦物易吸附陰離子，價(jià)位越高吸附力越強(qiáng)。 pH值和土壤溶液離子濃度 pH值越高，負(fù)電荷增大，吸附力減小；離子濃度增高，吸附力增大,三、離子交換對(duì)土壤肥力的影響,土壤離子交換對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的影響影響土壤的保肥性；膠體的吸附避免肥料被沖走流失或濃度過(guò)高影響土壤的供肥能力；土壤膠體吸收保存了大量養(yǎng)分又不斷釋放到土壤溶液中，才保證了植物在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)養(yǎng)分的需求。 影響土壤的酸堿性土壤酸堿性與土壤的鹽基飽和程度有關(guān)，一般鹽基不飽和的土壤呈酸性反應(yīng)，而鹽基飽和的土壤則呈中性或堿性。 影響土壤的緩沖性土壤膠體上吸附了大量的交換性陽(yáng)離子，對(duì)進(jìn)入土壤的少量酸性或堿性物質(zhì)起緩沖作用，不致使土壤pH有劇烈的變化。 影響土壤的物理性質(zhì)土壤膠體的聚散特性受土壤膠體上的陽(yáng)離子組成影響很大，膠體的聚散特性則直接關(guān)聯(lián)著土壤的結(jié)構(gòu)性，而結(jié)構(gòu)性是體現(xiàn)土壤物理性質(zhì)的重要方面。,四、土壤的其他吸收作用 根據(jù)吸附方式可以分為：,土壤機(jī)械吸收作用：過(guò)濾作用 土壤物理吸收作用：膠體表面能吸附作用 土壤化學(xué)吸收作用：化學(xué)反應(yīng)沉淀過(guò)程 土壤生物吸收作用：有機(jī)體對(duì)養(yǎng)分選擇性吸收，以有機(jī)質(zhì)形式積累,根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理可以分為： 交換性吸附 專性吸附 負(fù)吸附 化學(xué)沉淀與土壤吸附,5.提高土壤保肥和供肥措施有哪些？,本章小結(jié)： 1.影響陽(yáng)離子交換的因素有哪些？ 2.陽(yáng)離子交換作用的特點(diǎn)有哪些？ 3.土壤陽(yáng)離子交換作用的規(guī)律、影響陽(yáng)離子有效性的因素以及陽(yáng)離子交換對(duì)土壤性質(zhì)的影響。 4.試述土壤吸附性的種類和意義？,