1 2 土 壤 膠 體 土 壤 中 最 細 微 的 顆 粒 膠 體 顆 粒 的 直 徑 一 般 在 1-100nm（ 長 、 寬 、高 三 個 方 向 上 ， 至 少 有 一 個 方 向 在 此 范圍 內 ） 3 土 壤 吸 收 性 能 類 型 機 械 吸 收 性 指 土 壤 對 物 體 的 機 械 阻 留 物 理 吸 收 性 指 土 壤 對 分 子 態(tài) 物 質 的 保 持 能 力 化 學 吸 收 性 指 易 溶 性 鹽 在 土 壤 中 轉 變 為 難 溶 性 鹽 而沉 淀 保 存 在 土 壤 中 的 過 程 物 理 化 學 吸 收 性 指 土 壤 對 可 溶 性 物 質 中 離 子 態(tài) 養(yǎng) 分的 保 持 能 力 生 物 吸 收 性 指 土 壤 中 植 物 根 系 和 微 生 物 對 營 養(yǎng) 物 質的 吸 收 4 土 壤 膠 體 的 種 類 無 機 膠 體 含 水 氧 化 硅 膠 體 含 水 氧 化 鐵 、 氧 化 鋁 膠 體 層 狀 硅 酸 鹽 (phyllosilicate,layer silicate)礦 物 有 機 膠 體 有 機 無 機 復 合 體 （ organo-mineral complex） 5 層 狀 硅 酸 鹽 結 構 硅 氧 片 和 硅 四 面 體 硅 氧 片 是 由 硅 四 面體 連 接 而 成 ， 一 個 硅 四 面 體 是 由 四 個 氧原 子 和 一 個 硅 原 子 所 組 成 。 鋁 氧 片 與 鋁 八 面 體 鋁 氧 片 由 鋁 八 面 體連 接 而 成 ， 鋁 八 面 體 為 六 個 氧 原 子 圍 繞一 個 鋁 原 子 而 構 成 鋁 八 面 體 。 6硅 氧 四 面 體鋁 氧 八 面 體 硅 氧 片水 鋁 片 1:1型2:1型 高 嶺 石蒙 脫 石水 化 云 母 7硅 氧 四 面 體 硅 氧 四 面 體 的 構 造 圖 示 法 1、 基 本 結 構 單 位 (結 晶 學 , 不 是 化 合 物 ）(1)硅 氧 四 面 體 （ SiO 44-Si2O 52-Si4O 104- ） 8 硅 氧 四 面 體 9 鋁 氧 八 面 體 鋁 氧 八 面 體 的 構 造 圖 示 法 (2)鋁 氧 八 面 體 (AlO 69-Al4O 1212-Al4（ O H ） 8O 44- ) 10 11 2、 單 位 晶 片 (硅 氧 片 、 水 鋁 片 ) Si2O 52-硅 氧 四 面 體 硅 氧 片（ 蜂 窩 狀 ）共 用 氧 單 位 晶 胞 12 鋁 氧 八 面 體 （ Al2O 6-6） 水 鋁 片 （ 疏 散 狀 ） 立 體 側 視 圖共 用 2個 氧 原 子 13 3、 單 位 晶 層 1:1型 層 狀 硅 酸 鹽 (高 嶺 石 )晶 體 結 構 示 意 圖 （ 1） 1:1型 一 層 硅 層 與 一 層 鋁 層 重 疊 而 成 142:1型 層 狀 硅 酸 鹽 （ 蒙 脫 石 ） 晶 體 結 構 示 意 圖 （ 2） 2:1型 兩 層 硅 層 中 間 夾 一 鋁 層 15 2:1:1型 層 狀 硅 酸 鹽 （ 綠 泥 石 ） 結 構 示 意 圖 （ 3） 2:1 :1型 2:1型 基 礎 上 增 加 一 鋁 層 (或 鎂 層 ) 16 1:1型 礦 物 2:1型 礦 物 脹 縮 型 非 脹 縮 型 （ 晶 層 構 造 、 膨 脹 性 、 電 荷 及 膠 體 特 性 ） 17 18 19 土壤膠體的構造 膠 體 微 粒 膠 粒 膠 核 雙 電 層 決 定 電 位 離 子 層（ 內 ） 補 償 離 子 層 （ 外 ） 非 活 性 離 子 層擴 散 層 20 土 壤 膠 體 的 特 性 土 壤 膠 體 比 表 面 和 表 面 能 土 壤 膠 體 電 荷 土 壤 膠 體 有 凝 聚 和 分 散 的 作 用 21 土 壤 膠 體 的 表 面 積土 壤 中 常 見 粘 土 礦 物 的 比 表 面 積 （ m2g-1）膠 體 成 分 內 表 面 積 外 表 面 積 總 表 面 積蒙 脫 石蛭 石水 云 母高 嶺 石埃 洛 石水 化 埃 洛 石水 鋁 英 石 700-750400-7500-500400130-400 15-1501-5090-1505-4010-4525-30130-400 700-850400-80090-1505-4010-45430260-800土 壤 膠 體 的 比 表 面 和 表 面 積 22 土 壤 表 面 電 荷 和 電 位 土 壤 電 荷 的 起 因 和 種 類 1、 永 久 電 荷 (permanent charge)* 永 久 電 荷 起 源 于 礦 物 晶 格 內 部 離 子 的 同 晶 置 換 。 2、 可 變 電 荷 (variable charge)* 隨 pH的 變 化 而 變 化 的 土 壤 電 荷 ， 這 種 電 荷 稱 為 可 變 電 荷 。 零 點 電 荷 ： 如 果 在 某 個 pH值 時 ， 粘 土 礦 物 表 面 上 即不 帶 正 電 荷 ， 也 不 帶 負 電 荷 ， 其 表 面 電 荷 等 于 零 ，此 時 的 pH值 稱 為 零 點 電 荷 （ ZPC） 。 23 可 變 電 荷 的 成 因 主 要 是 膠 核 表 面 分 子 或 原 子 團 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 上 某 些 官 能 團 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 看 ， 土 壤 膠 體 所 帶 的電 荷 數 量 和 性 質 與 介 質 的 pH 值 有 密 切 關 系 。 24 *影 響 土 壤 電 荷 數 量 的 因 素 主 要 有 ： C. pH 值 主 要 影 響 可 變 電 荷 的 數 量 。 B. 土 壤 膠 體 的 種 類 土 壤 質 地 完 全 相 同 的 兩 種 土 壤 ，它 們 所 帶 的 電 荷 數 量 可 以 完 全 不 同 。 這 是 有 膠 體類 型 不 同 所 致 。A. 質 地 一 般 來 說 ， 土 壤 的 質 地 越 粘 ， 土 粒 越 細 ，其 電 荷 總 量 也 越 多 。 所 以 粘 土 的 電 荷 數 量 要 比 壤土 類 和 砂 土 類 高 得 多 。 25 陽 離 子 交 換 作 用 * 在 土 壤 中 ， 被 膠 體 靜 電 吸 附 的 陽 離 子 ， 一 般 都 可以 被 溶 液 中 另 一 種 陽 離 子 交 換 而 從 膠 體 表 面 解 吸 。 對這 種 能 相 互 交 換 的 陽 離 子 叫 做 交 換 性 陽 離 子 ， 而把 發(fā) 生 在 土 壤 膠 體 表 面 的 陽 離 子 交 換 反 應 稱 之 為 陽離 子 交 換 作 用 *。 陽 離 子 交 換 26 陽 離 子 交 換 作 用 特 點a、 可 逆 反 應b、 反 應 迅 速 c、 等 量 交 換 27 陽 離 子 交 換 能 力 陽 離 子 交 換 能 力 是 指 一 種 陽 離 子 將 膠 體 上另 一 種 陽 離 子 交 換 出 來 的 能 力 。 各 種 陽 離子 交 換 能 力 大 小 的 順 序 為 ： Fe3+ Al3+ H+ Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+ 28 影 響 陽 離 子 交 換 能 力 的 因 素 有 ：a、 電 荷 的 數 量 b、 離 子 半 徑 和 離 子 水 化 半 徑 ， H+的 交 換力 比 兩 價 的 Ca2+、 Mg2+離 子 大 。 c、 離 子 濃 度 29 離 子 半 徑 與 吸 附 力 一 價 離 子 Li+ Na+ K+ NH+4 Rb+離 子 的 真 實 半 徑 (nm) 0.078 0.098 0.133 0.143 0.149離 子 的 水 合 半 徑 (nm) 1.008 0.790 0.537 0.532 0.509強 弱 30 陽 離 子 交 換 量 是 評 價 土 壤 肥 力 的 一 個 指 標 。它 直 接 反 應 土 壤 可 以 提 供 速 效 養(yǎng) 分 的 數 量 ，也 能 表 示 土 壤 保 肥 能 力 、 緩 沖 能 力 的 大 小 。 CEC 20 *土 壤 陽 離 子 交 換 量 (cation exchange capacity)-CEC 是 指 土 壤 溶 液 為 中 性 （ pH = 7） 時 ， 每 千 克土 所 含 的 全 部 交 換 性 陽 離 子 的 厘 摩 爾 數 稱 為 土 壤的 陽 離 子 交 換 量 。 （ CEC： cmol(+)kg-1 ）保 肥 能 力 低 中 高 31 *影 響 土 壤 陽 離 子 交 換 量 的 因 素 有 ：（ 1） 質 地 質 地 越 粘 重 ， 含 粘 粒 越 多 的 土 壤 ，其 陽 離 子 交 換 量 也 越 大 。（ 2） 有 機 質 OM % CEC（ 3） 膠 體 的 性 質 及 構 造蒙 脫 石 高 嶺 石（ 4） pH值 在 一 般 情 況 下 ， 隨 著 pH的 升 高 ， 土 壤的 可 變 電 荷 增 加 ， 土 壤 的 陽 離 子 交 換 量 也 增 加 。質 地 砂 土 砂 壤 土 壤 土 粘 土CEC 15 78 1518 2530 32 不 同 類 型 土 壤 膠 體 的 陽 離 子 交 換 量 土 壤 膠 體 CECcmol(+).kg-1 腐 殖 質蛭 石蒙 脫 石伊 利 石高 嶺 石倍 半 氧 化 物 200100-15070-9510-403-152-4 33 鹽 基 離 子 與 鹽 基 飽 和 度鹽 基 離 子 與 致 酸 離 子 * 在 土 壤 里 ， 被 膠 體 吸 附 著 的 陽 離 子 ，可 以 分 為 兩 類 ： 第 一 類 是 氫 離 子 和 鋁 離 子 ， 它 們 是 致 酸離 子 ， 與 土 壤 的 酸 度 有 密 切 關 系 。 第 二 類 是 其 他 的 一 些 金 屬 離 子 ， 如 Ca+2、Mg+2、 K+、 NH4+等 ， 在 古 典 化 學 上 ， 它 們都 稱 為 鹽 基 離 子 。 34 鹽 基 飽 和 度 (base saturation percentage)BSP 在 土 壤 膠 體 所 吸 附 的 陽 離 子 中 ， 鹽 基 離 子 的 數 量占 所 有 吸 附 的 陽 離 子 的 百 分 比 ， 叫 鹽 基 飽 和 度 *。鹽 基 飽 和 的 土 壤 具 有 中 性 或 堿 性 反 應 ；而 鹽 基 不 飽 和 的 土 壤 則 具 有 酸 性 反 應 ， 為 酸 性 土 壤 ； 克 土 ）量陽 離 子 交 換 量 （ 毫 克 當 克 土 ）當 量交 換 性 鹽 基 總 量 （ 毫 克鹽 基 飽 和 度 100/ 100/ 100% 35 交 換 性 離 子 的 有 效 度 *影 響 交 換 離 子 有 效 度 的 因 素 主 要 有 ： （ 1） 陽 離 子 飽 和 度 離 子 的 飽 和 度 越 大 ， 被 解 吸 的 機 會 就 越 大 ， 有效 度 就 越 大 （ 2） 土 壤 中 的 互 補 離 子 效 應 （ 3） 由 交 換 性 離 子 變 為 非 交 換 性 離 子 的 有 效 度 問 題 36 互 補 離 子 與 交 換 性 鈣 的 有 效 性 土 壤 交 換 性 陽 離 子組 成 小 麥 幼 苗 干重 (g) 小 麥 幼 苗 吸 鈣 量(mg) ABC 40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na 2.802.792.34 11.157.834.36 在 土 壤 膠 體 上 各 種 交 換 性 鹽 基 離 子 之 間 的 相 互影 響 的 作 用 互 補 離 子 效 應 （ 陪 伴 離 子 效 應 ） 37 土 壤 膠 體 對 陰 離 子 的 吸 附 與 交 換（ 一 ） 土 壤 吸 附 的 陰 離 子土 壤 中 的 陰 離 子 依 其 吸 附 能 力 的 大 小 可 分 為 三 類 ：1 易 被 吸 附 的 陰 離 子 最 重 要 是 ：H2PO4- HPO42- PO43-HSiO3- SiO32- C2O42- 2 吸 附 作 用 很 弱 或 進 行 負 吸 附 的 陰 離 子Cl- NO 3- NO2- 3 中 間 類 型 的 離 子 ：SO42- CO32- 各 種 陰 離 子 被 土 壤 吸 收 的 次 序 如 下 ：F- 草 酸 根 檸 檬 酸 根 H2PO4- HCO3- HBO3- SO42- Cl - NO3- 38 陰 離 子 的 負 吸 附所 謂 陰 離 子 的 負 吸 附 ， 是 指 距 帶 負 電 荷 的 膠體 表 面 越 近 ， 陰 離 子 數 量 越 少 的 現 象 。負 吸 附 現 象 也 受 土 壤 特 性 影 響 ， 其 它 條 件 相同 ， 則 負 吸 附 現 象 隨 著 土 壤 膠 體 的 數 量 和 陽 離 子 代換 量 的 增 加 而 增 加 。 但 隨 陪 伴 陽 離 子 價 數 的 增 加 而減 少 ， 不 同 的 粘 粒 礦 物 對 負 吸 附 的 影 響 也 不 同 ， 他們 遞 減 的 次 序 為 ： 蒙 脫 石 伊 利 石 高 嶺 石這 種 情 況 也 可 歸 因 于 膠 體 負 電 荷 數 量 不 同 的緣 故 。帶 負 電 荷 愈 多 的 土 壤 膠 體 ， 對 陰 離 子 的 排 斥 作 用愈 強 ， 負 吸 附 作 用 愈 明 顯 。 39 陰 離 子 專 性 吸 附 陰 離 子 專 性 吸 附 是 指 陰 離 子 進 入 粘 土 礦 物 或氧 化 物 表 面 的 金 屬 原 子 的 配 位 殼 中 ， 與 配 位 殼中 的 羥 基 或 水 合 基 重 新 配 位 ， 并 直 接 通 過 共 價鍵 或 配 位 鍵 結 合 在 固 體 的 表 面 。 這 種 吸 附 發(fā) 生在 膠 體 雙 電 層 的 內 層 ， 也 稱 為 配 位 體 交 換 吸 附 。產 生 專 性 吸 附 的 陰 離 子 有 F-離 子 以 及 磷 酸 根 、硫 酸 根 、 鉬 酸 根 、 砷 酸 根 等 含 氧 酸 根 離 子 。 40 如 ： 磷 酸 根 在 氧 化 鐵 表 面 的 專 性 吸 附氧 化 物 不 帶 電 時 的 pH 值 稱 為 電 荷 零 點 ， 簡 稱 ZPC 41 思 考 題 什 么 是 土 壤 膠 體 ？ 土 壤 膠 體 有 哪 幾 種 類 型 ？ 什 么 是雙 電 層 ？ 土 壤 膠 體 有 何 特 性 ？ 層 狀 硅 酸 鹽 礦 物 結 構 的 基 本 單 位 有 哪 兩 種 ？ 什 么 是1:1型 礦 物 ？ 什 么 是 2:1型 礦 物 ？ 土 壤 吸 收 性 能 有 哪 幾 種 類 型 ？ 什 么 是 陽 離 子 交 換 作用 ？ 陽 離 子 交 換 作 用 有 何 特 點 ？ 哪 些 因 素 影 響 陽 離子 交 換 能 力 ？ 什 么 是 陽 離 子 交 換 量 （ CEC） ? 什 么 是 鹽 基 飽 和 度 ？影 響 土 壤 陽 離 子 有 效 度 的 因 素 有 哪 些 ？ 為 什 么 陰 離 子 能 被 帶 負 電 的 土 壤 吸 附 ？