第八章 土壤膠體和土壤離子交換,第一節(jié) 土壤膠體的構(gòu)造與性質(zhì),一、土壤膠體的概念 土壤中的固相、液相和氣相呈互相分散的膠體狀態(tài)，是一個(gè)分散系。即土壤學(xué)中所指的土壤膠體是指直徑小于2m或者小于1m土壤顆粒。,膠體微粒,膠核,雙電層,決定電位離子層（內(nèi)）,補(bǔ)償離子層（外）,非活性離子層,擴(kuò)散層,二、土壤膠體的構(gòu)造,1微粒核（膠核） 微粒核是土壤膠體微粒的核心部分，它是由組成膠體微粒的基本物質(zhì)的分子群所組成。,2擴(kuò)散雙電層 （1）決定電位離子層 是吸附在膠粒核表面，決定膠粒電荷正負(fù)及大小的一層離子。 （2）補(bǔ)償離子層 分為兩個(gè)層次。 一、非活性補(bǔ)償離子層。 二、擴(kuò)散層。,膠體微粒的擴(kuò)散雙電層構(gòu)造圖式,3、膠團(tuán)間溶液,即土壤膠體分散系中的分散介質(zhì)，也即是土壤溶液。,土粒,土壤溶液,一、巨大的比表面積和表面能 比表面積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或物體的總表面積稱為比表面積或比面，物體愈小比面愈大。,第二節(jié)土壤膠體的性質(zhì),土粒直徑(mm) 總表面積(cm2) 比面(cm2/cm3) 10 3.14 6 1 31.42 60 0.05 628.32 1200 0.001 31416 60000,表面能：由于表面分子的四周不都是相同的分子，受到的力不均衡，使表面分子對(duì)外表現(xiàn)有剩余能量，這種能量是由于表面的存在而產(chǎn)生，所以叫做表面能。,-內(nèi)表面：指膨脹性粘土礦物的晶層表面和腐植質(zhì)分子聚集體內(nèi)部的表面。 -外表面：指粘土礦物、氧化物和腐植質(zhì)分子暴露在外的表面。,土壤有機(jī)質(zhì)的比表面大，表觀比表面可達(dá)700 m2/g。,土壤中常見(jiàn)礦物的比表面積（ m2/g）,二、帶電性 土壤膠體微粒都帶有一定的電荷，（一）電荷類(lèi)型： 永久電荷(permanent charge) ：由同晶代換作用產(chǎn)生（粘土礦物晶質(zhì)中的一種離子被另一種離子取代的過(guò)程） 可變電荷(variable charge) 隨pH的變化而變化的土壤電荷。 晶格破碎邊緣帶電負(fù)電荷,土壤膠體的雙電層模型,可變電荷的成因主要是膠核表面分子或原子團(tuán) 的解離： A. 含水氧化硅的解離 B. 粘粒礦物的晶面上的OH和H的解離 C. 腐殖質(zhì)上某些官能團(tuán)的解離 D. 含水氧化和水鋁石表面的分子中OH的解離； pH< 3.2,從上述四種情況來(lái)看，土壤膠體所帶的電荷數(shù)量和性質(zhì)與介質(zhì)的pH值有密切關(guān)系。,（二）土壤的電荷數(shù)量,1、土壤電荷主要集中在膠體部分。,2、膠體組成成分是決定其電荷數(shù)量的物質(zhì)基礎(chǔ)。,3、有機(jī)膠體和無(wú)機(jī)膠體的電荷具有非加和性。,三、土壤膠體的分散性和凝聚性,膠體微粒均勻分散在土壤溶液中成為膠體溶液狀態(tài)，稱為溶膠。,1土壤膠體溶液（溶膠）,2土壤中無(wú)定形的凝膠體（凝膠）,微粒彼此相互聯(lián)結(jié)凝聚在一起，呈無(wú)定型絮狀凝膠體，稱凝膠。,3分散和凝聚作用,由溶膠聯(lián)結(jié)凝聚成凝膠的作用，叫做膠體的凝聚作用。,一般地，離子的價(jià)數(shù)越高，離子半徑越大，所產(chǎn)生的凝聚能力越強(qiáng)。常見(jiàn)陽(yáng)離子凝聚力的排列順序是：,Fe3Al3Ca2Mg2KNH4Na,凝膠分散成溶膠的作用，叫做膠體的分散作用。,膠體的凝聚作用，有些是可逆的，有些是不可逆的。,第二節(jié)土壤膠體類(lèi)型 一、土壤無(wú)機(jī)膠體（礦質(zhì)膠體） 主要為極細(xì)微的粘土礦物，包括成分簡(jiǎn)單的含水氧化物和成分復(fù)雜的各種次生層狀鋁硅酸鹽類(lèi)等。,1含水氧化物 主要包括水化程度不等的鐵、鋁、硅的氧化物。 （1）含水氧化硅 是一種非晶質(zhì)的凝膠，其化學(xué)式為SiO2nH2O或?qū)懗蒆2SIO3。,（2）含水氧化鐵,主要有: 褐鐵礦 2Fe2O33H2O 針鐵礦Fe2O3H2O 多水針鐵礦3FeO34H2O 一水赤鐵3Fe2O3H2O等。,（3）含水氧化鋁 主要有水鋁石Ai2O3H2O和三水鋁石Al2O33H2O等，也是兩性膠體，其電性決定于溶液的酸堿性。,硅氧四面體（或簡(jiǎn)稱四面體） 硅氧四面體是硅酸鹽礦物的最基本的結(jié)構(gòu)單位，不同的連接組合方式形成不同的硅酸鹽礦物。,2、粘土礦物,（1）粘土礦物的基本構(gòu)造特征 基本構(gòu)造,鋁氧八面體（或簡(jiǎn)稱八面體）,粘土礦物基本構(gòu)造,單位晶層結(jié)構(gòu), 1:1型單位晶層: 由一個(gè)硅片和一個(gè)鋁片構(gòu)成。硅片頂端的活性氧與鋁片底層的活性氧通過(guò)共用的方式形成單位晶層。1:1型層狀鋁硅酸鹽的單位晶層有兩個(gè)不同的層面，一個(gè)是由具有六角形空穴的氧原子層面，一個(gè)是由氫氧構(gòu)成的層面。, 2:1型單位晶層 由兩個(gè)硅片夾一個(gè)鋁片構(gòu)成。兩個(gè)硅片頂端的氧都向著鋁片，鋁片上下兩層氧分別與硅片通過(guò)共用頂端氧的方式形成單位晶層。2:1型層狀硅酸鹽的單位晶層的兩個(gè)層面都是氧原子面。,同晶替代 是指組成礦物的中心離子被電性相同、大小相近的離子所替代而晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。,鋁,4,3,（2）粘土礦物類(lèi)型 土壤中最主要的粘土礦物有高嶺石、伊利石、蒙脫石，還有蛭石、綠泥石、水鋁英石等。,特點(diǎn)：(1）1:1型的晶層結(jié)構(gòu) 單位晶胞的分子式可表示為Ai4Si4O10(OH)8。 （2）無(wú)膨脹性 兩個(gè)晶層的層面間產(chǎn)生了鍵能較強(qiáng)的氫 鍵，膨脹系數(shù)一般小于5.高嶺石層間距約為0.72nm。 （3）電荷數(shù)量少陽(yáng)離子交換量只有3-15Cmoles(+)Kg-1。 （4）膠體特性較弱 較粗（0.2-2m），顆粒的總表面積相 對(duì)較小，為1020103m2kg-1,高嶺組粘土礦物是南方熱帶和亞熱土壤中普遍而大量存在的粘土礦物，在華北、西北、東北及西藏高原土壤中含量很少。,高嶺類(lèi)礦物（1:1型礦物） 包括：高嶺石、珍珠陶土、迪愷石及埃洛石等,高嶺石礦物結(jié)構(gòu)示意圖1:1型,高嶺石結(jié)構(gòu)示意圖,特征： （1）2:1型的晶層結(jié)構(gòu)蒙脫石是其典型代表。單位晶胞的分子式可表示Al4Si8O20(OH)4nH2O。 （2）脹縮性大 蒙脫石晶層間距變化在0.96-2.14nm之間，蛭蟲(chóng)的膨脹性比蒙脫石小，其晶層間距變化在0.96-1.45nm之間。 （3）電荷數(shù)量大 同晶替代現(xiàn)象普遍。 （4）膠體特性突出 ，較細(xì)（有效直徑0.01-1m），總表面積為600800103m2kg-1，且80是內(nèi)表面。蛭石一般為400103m2kg-1。,蒙脫石組在我國(guó)東北、華北和西北地區(qū)的土壤中分布較廣,蒙脫石類(lèi)礦物 （2:1型膨脹性礦物 ） 包括：蒙脫石、綠脫石、拜來(lái)石、蛭石等。,蒙脫石礦物結(jié)構(gòu)示意圖2:1型,蒙脫石結(jié)構(gòu)示意圖,特征： （1）2:1型晶層結(jié)構(gòu)伊利石是其主要代表，。分子 式為K2(AlFeMg)4 (SiAl)8O20(OH)4nH2O。 （2）無(wú)膨脹性 在伊利石晶層之間吸附有鉀離子， 對(duì)相鄰兩晶層產(chǎn)生了很強(qiáng)的鍵聯(lián)效果，使晶層不易膨脹，伊利石晶層的間距為1.0nm。 （3）電荷數(shù)量較大 2040Cmoles(+)kg-1。 （4）膠體特性一般 總表面積為70120103m2kg-1，其可塑性、粘結(jié)性、粘著性和吸濕性都介于高嶺石和蒙脫石之間。,水化云母組（2:1型非膨脹性礦物）,伊利石廣泛分布于我國(guó)多種土壤中，尤其是華北干旱地區(qū)的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。,伊利石結(jié)構(gòu)示意圖 2:1型,水云母結(jié)構(gòu)示意圖,3種主要類(lèi)型硅酸鹽粘粒性質(zhì)比較,土壤有機(jī)膠體指土壤中腐殖質(zhì)、多糖等高分子化合物的細(xì)分散狀態(tài)，具膠體特性。 有機(jī)膠體主要是腐殖質(zhì)。,二、土壤有機(jī)膠體,三、土壤有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合膠體 有機(jī)膠體與礦質(zhì)膠體通過(guò)表面分子縮合、陽(yáng)離子橋接及氫鍵合等作用連結(jié)在一起的復(fù)合體，稱有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體。因復(fù)合體具有高度的吸收性能故又稱為吸收性復(fù)合體。,第三節(jié) 土壤陽(yáng)離子的交換作用,帶電荷的土壤膠體會(huì)吸附土壤溶液中的帶相反電荷的離子，以補(bǔ)償膠體電性的不平衡。 一部分被吸附的離子，可以和土壤溶液中的離子進(jìn)行交換。這種現(xiàn)象就稱為 土壤膠體的交換吸附性能。,離子從溶液轉(zhuǎn)移到膠體表面的過(guò)程，稱為離子的吸附過(guò)程。 吸附的離子從膠體表面轉(zhuǎn)移到溶液去的過(guò)程，稱為離子的解吸過(guò)程。,一、土壤陽(yáng)離子交換,陽(yáng)離子交換作用*,在土壤中，被膠體靜電吸附的陽(yáng)離子，一般都可以被溶液中另一種陽(yáng)離子交換而從膠體表面解吸。對(duì)這種能相互交換的陽(yáng)離子叫做交換性陽(yáng)離子，而把發(fā)生在土壤膠體表面的陽(yáng)離子交換反應(yīng)稱之為陽(yáng)離子交換作用*。,離子交換,（1）陽(yáng)離子交換作用是可逆反應(yīng)。,（2）交換是等當(dāng)量進(jìn)行的。,（3）陽(yáng)離子交換受質(zhì)量作用定律的支配。,二、陽(yáng)離子交換作用的特點(diǎn),三、影響陽(yáng)離子交換作用的因素,1陽(yáng)離子交換能力 一種陽(yáng)離子將他種陽(yáng)離子從膠粒上交換下來(lái)的能力叫做該種陽(yáng)離子的交換能力。,（1）離子電荷價(jià)三價(jià)二價(jià)一價(jià) （2）離子半徑及水化程度,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。,表42離子半徑及水化程度與交換力的關(guān)系,2陽(yáng)離子的相對(duì)濃度及交換生成物的 性質(zhì) 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,1土壤的陽(yáng)離子交換量（CEC：cmol(+)kg-1 ） 指每千克土壤或膠體吸附或代換周?chē)芤褐嘘?yáng)離子的厘摩爾數(shù)。陽(yáng)離子交換量是評(píng)價(jià)土壤肥力的一個(gè)指標(biāo)。,四、土壤的陽(yáng)離子交換量和鹽基飽和度,CEC 20,保肥能力,低,中,高,影響因素,（1）土壤質(zhì)地 一般是膠體物質(zhì)越多，陽(yáng)離子交換量越大；膠體粒子越少交換量越小；土壤質(zhì)地愈細(xì)，礦質(zhì)膠體數(shù)量愈多，交換量也愈高。,（2）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。 （3）膠體種類(lèi) 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。 （4）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。,不同類(lèi)型土壤膠體的陽(yáng)離子交換量,我國(guó)土壤陽(yáng)離子交換量，由南向北，由西向東有逐漸增多的趨勢(shì)。 陽(yáng)離子可分為兩大類(lèi)：,陽(yáng)離子的代換量是這兩類(lèi)離子被吸收的總量。,陽(yáng)離子,鹽基離子（Ca2、Mg2、K、Na、NH4等）,致酸離子H與Al3,2、鹽基飽和度（BS） :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） CEC（cmolkg）,BS（）,=,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。,鹽基飽和的土壤具有中性或堿性反應(yīng)； 而鹽基不飽和的土壤則具有酸性反應(yīng)，為酸性土壤；,五、交換性陽(yáng)離子的活度及影響因素,交換性陽(yáng)離子活度：指實(shí)際能解離的交換性陽(yáng)離子的數(shù)量,影響因素： 1、交換性離子飽和度 2、陪補(bǔ)離子的種類(lèi) 離子相互抑制的能力順序 Na K Mg2 Ca2 H Al3,3、無(wú)機(jī)膠體的種類(lèi) 高嶺石蒙脫石水云母 4、離子半徑大小與晶格孔隙大小 晶格固定（同晶代換）,六、陽(yáng)離子的專(zhuān)性吸附,（一）陽(yáng)離子專(zhuān)性吸附的機(jī)理,產(chǎn)生陽(yáng)離子專(zhuān)性吸附的土壤膠體物質(zhì)主要是鐵、鋁、錳等的氧化物及其水合物。,層狀硅酸鹽礦物在某些情況下對(duì)重金屬離子也可以產(chǎn)生專(zhuān)性吸附作用（絡(luò)合物） 。,（二）陽(yáng)離子專(zhuān)性吸附的實(shí)際意義:,對(duì)多種微量重金屬離子起富集作用。 調(diào)控金屬元素的生物有效性和生物毒性。 土壤溶液中Zn、Co、Cu、Mo等微量金屬離子的濃度受氧化物及其水合物專(zhuān)性吸附的控制。 對(duì)水體的重金屬污染起一定的凈化作用，但專(zhuān)性吸附作用也給土壤帶來(lái)潛在的污染威脅。,第四節(jié)土壤陰離子交換作用,被膠粒表面正電荷吸附的陰離子與溶液中陰離子的交換，稱為陰離子交換。,一、陰離子吸收的機(jī)制 1、靜電吸附：土壤帶正電荷的膠體表面對(duì)陰離子的吸附。 具有交換性。 如：Cl-， NO3-的吸附,2、配位體交換吸附：指陰離子取代氧化物表面羥基而被吸附的過(guò)程。屬于專(zhuān)性吸附。主要由F-和含氧酸根離子引起。,3、化學(xué)沉淀作用：指陰離子與土壤礦物質(zhì)形成沉淀的過(guò)程。 如磷酸根與鐵、鋁的沉淀。,1、易被土壤膠體吸附的陰離子 如 H2PO4、HPO42、PO43、HSiO3、SiO32及某些有機(jī)酸根。 2、很少被吸附甚至產(chǎn)生負(fù)吸收附陰離子 ，如 NO3、NO22、Cl等。 3、介于上述兩者之間的陰離子，如 SO42、CO32、HCO3以及某些有機(jī)酸根。,二、陰離子的吸收強(qiáng)度,所謂負(fù)吸附，指陰離子在土壤膠體表面的濃度低于土壤溶液中的濃度的現(xiàn)象。實(shí)際上指土壤膠體對(duì)陰離子的排斥現(xiàn)象。,常見(jiàn)陰離子被土壤吸收的難易順序：,F-草酸根檸檬酸根H2PO4-HCO3- H2BO3-CH3COO-SCN-SO42-Cl-NO3- 硝酸根容易被淋失，而磷酸根容易被固定。這是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上十分需要注意的問(wèn)題。,三、影響陰離子吸附的因素,陰離子電價(jià)隨著陰離子價(jià)數(shù)的增加而增加。 土壤膠體類(lèi)型帶負(fù)電荷愈多的膠體，對(duì)陰離子的排斥作用愈強(qiáng)，負(fù)吸附愈明顯。,名詞：陽(yáng)離子交換量 鹽基飽和度 1、土壤膠體的表面類(lèi)型、表面電荷來(lái)源與種類(lèi)。 2、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。 3、陽(yáng)離子專(zhuān)性吸附的實(shí)際意義。 4、高嶺石、伊利石和蒙脫石的基本特性。,本章重點(diǎn)：,本章結(jié)束,