第 六 章 土 壤 膠 體 和 土 壤 的 交 換 性 能 主 要 內(nèi) 容第 一 節(jié) 土 壤 膠 體 概 述第 二 節(jié) 土 壤 陽 離 子 交 換第 三 節(jié) 土 壤 陰 離 子 交 換第 四 節(jié) 土 壤 離 子 吸 收 代 換 作 用 的 意 義第 五 節(jié) 土 壤 陽 離 子 吸 收 與 代 換 性 的 改 良 第 六 章 土 壤 膠 體 和 土 壤 的 交 換 性 能本 章 重 點 ：1、 掌 握 幾 種 主 要 土 壤 膠 體 的 特 性2、 了 解 土 壤 陽 離 子 的 交 換 過 程 。 第 六 章 土 壤 膠 體 和 土 壤 的 交 換 性 能本 章 難 點 ：1、 主 要 是 土 壤 膠 體 的 帶 電 性 及 土 壤 膠 體 為什 么 會 帶 電 。2、 土 壤 膠 體 具 有 雙 電 層 構(gòu) 造 。 第 六 章 土 壤 膠 體 和 土 壤 陽 離 子 交 換思 考 題一 、 名 詞 解 釋 ：1、 土 壤 膠 體 ； 2、 土 壤 陽 離 子 交 換 量 ；3、 土 壤 鹽 基 飽 和 度 ； 4、 比 表 面 積5、 硅 酸 鹽 層二 、 土 壤 膠 體 有 哪 些 類 型 ？三 、 影 響 陽 離 子 交 換 量 大 小 的 因 素 有 哪 些 ？ 第 一 節(jié) 土 壤 膠 體一 、 概 念 土 壤 膠 體 是 指 顆 粒 直 徑 小 于 0.001mm或0.002mm的 土 壤 微 粒 。 目 前 土 壤 膠 體 粒 徑 的 大 小 范 圍 ， 并 不 是絕 對 的 。 這 是 因 為 膠 體 性 質(zhì) 的 出 現(xiàn) ， 是隨 著 粒 徑 的 減 小 逐 漸 加 強 的 。 沒 有 截 然劃 分 的 界 限 。 二 、 膠 體 的 類 型1、 土 壤 無 機 膠 體 ：主 要 是 指 次 生 礦 物 包 括 三 類 ： 氧 化 硅 類 、 三 氧 化 物 類 和 層 狀 鋁 硅 酸 鹽 二 、 膠 體 的 類 型2、 土 壤 中 有 機 膠 體 主 要 是 腐 殖 質(zhì) ，它 是 有 機 質(zhì) 在 土 壤 微 生 物 等 的 作 用 下 形 成 的 。3、 有 機 無 機 復(fù) 合 體是 土 壤 腐 殖 質(zhì) 和 粘 土 礦 物 通 過 混 合 和 吸 附 結(jié)合 在 一 起 ， 結(jié) 合 過 程 比 較 復(fù) 雜 。 1、 粘 土 礦 物 硅 酸 鹽 層 的 基 本 構(gòu) 造 單 位 ：（ 1） 硅 氧 四 面 體 硅 氧 四 面 體 形 成 的 原 因 ：一 是 硅 具 有 正 原 子 價 ， 而 氧 具 負(fù) 原 子 價 ，二 者 可 相 互 吸 引 。二 是 與 原 子 大 小 有 關(guān) ， 四 個 氧 原 子 堆 積 成四 面 體 時 ， 其 間 所 形 成 的 空 隙 與 硅 原 子的 大 小 基 本 相 似 。 1、 粘 土 礦 物 硅 酸 鹽 層 的 基 本 構(gòu)造 單 位 ：（ 2） 鋁 氧 八 面 體鋁 氧 八 面 體 是 由 六 個 氧 原 子 圍 繞 一 個 鋁 原子 構(gòu) 成 。 2、 單 位 晶 片（ 1） 四 面 體 片在 水 平 方 向 上 ， 四 面 體 通 過 共 用 底 部 氧 的方 式 ， 在 兩 維 方 向 上 無 限 延 伸 ， 排 列 成近 似 蜂 窩 狀 的 四 面 體 片 。 2、 單 位 晶 片（ 2） 八 面 體 片八 面 體 在 水 平 方 向 上 ， 相 鄰 的 八 面 體 通 過共 用 兩 個 氧 離 子 的 方 式 ， 在 平 面 兩 維 方向 上 無 限 延 伸 ， 形 成 八 面 體 片 。 3、 單 位 晶 層硅 片 和 鋁 片 以 不 同 的 方 式 化 合 ， 形 成 層 狀鋁 硅 酸 鹽 的 單 位 晶 層 。由 于 硅 片 和 鋁 片 的 配 合 比 例 不 同 ，分 為 1： 1型 礦 物 和 2： 1型 礦 物或 分 為 二 層 礦 物 和 三 層 礦 物 。 四 、 幾 種 主 要 的 土 壤 膠 體 及 性 質(zhì)（ 一 ） 高 嶺 石 （ kaolinite） 1、 分 布 ： 是 強 烈 化 學(xué) 風(fēng) 化 條 件 下 的 產(chǎn) 物 ,B比 較 穩(wěn) 定 ，2、 晶 格 構(gòu) 造 ：是 二 層 型 （ 1： 1） 粘 土 礦 物 ， 硅 酸 鹽 層 之間 由 氫 鍵 連 接 ， 作 用 力 很 強 ， 間 隙 小 ，水 分 子 或 其 他 離 子 很 難 進(jìn) 入 層 間 。 （ 一 ） 高 嶺 石 （ kaolinite） 1、 高 嶺 石 （ kaolinite） （ 一 ） 高 嶺 石 （ kaolinite）3、 比 表 面 積 ：（ 1） 概 念 ：是 單 位 質(zhì) 量 的 固 體 物 質(zhì) 與 液 體 或 氣 體 之 間 ，全 部 界 面 積 的 總 和 。 單 位 m2/g（ 2） 高 嶺 石 比 表 面 積 ： 較 小 ， 僅 為 30m2/g。只 有 外 表 面 ， 沒 有 內(nèi) 表 面 ， 無 脹 縮 性 . （ 一 ） 高 嶺 石 （ kaolinite）4、 帶 電 性 ：（ 1） 帶 電 原 因 ：一 部 分 電 荷 是 晶 格 破 裂 產(chǎn) 生 的 ；另 外 晶 格 表 面 的 OH和 OH2在 土 壤 呈 強堿 性 條 件 下 ， 釋 放 出 氫 質(zhì) 子 ， 導(dǎo) 致 高嶺 石 帶 負(fù) 電 荷 。 這 種 電 荷 稱 可 變 電 荷 。（ 2） 帶 電 量 的 多 少高 嶺 石 所 帶 電 荷 數(shù) 量 較 少 。 （ 二 ） 伊 利 石1、 分 布 ： 主 要 分 布 在 干 旱 半 干 旱 地 區(qū) 。2、 晶 格 構(gòu) 造 ：屬 三 層 型 （ 2： 1） 粘 土 礦 物 ， 硅 酸 鹽 層 間由 鉀 離 子 連 接 ， 晶 格 距 離 比 較 穩(wěn) 定 。 （ 二 ） 伊 利 石3、 比 表 面 積 ：晶 格 的 邊 緣 具 有 脹 縮 性 ， 比 表 面 積 為100m2/g， 其 中 的 外 表 面 小 ， 內(nèi) 表 面 比 大 ；4、 帶 電 性 ：伊 利 石 帶 有 的 電 荷 是 由 同 晶 代 換 產(chǎn) 生 的 。其 中 有 一 部 分 負(fù) 電 荷 被 鉀 離 子 中 和 ， 伊 利石 的 帶 電 量 比 高 嶺 石 多 。 同 晶 代 換在 粘 土 礦 物 晶 格 的 形 成 過 程 中 ， 部 分 晶 格中 的 中 央 離 子 ， 被 其 它 價 數(shù) 的 陽 離 子 取代 。 如 四 面 體 中 央 的 Si4+被 Al 3+代 替 ， 八面 體 中 央 的 Al 3+被 Mg 2+代 替 ， 就 產(chǎn) 生 了剩 余 的 負(fù) 電 荷 。所 產(chǎn) 生 的 負(fù) 電 荷 位 于 硅 酸 鹽 層 的 晶 格 中 ，不 受 外 界 溶 液 的 影 響 ， 稱 為 永 久 電 荷 或?qū)?電 荷 。 （ 三 ） 蒙 脫 石1、 分 布 ： 主 要 分 布 在 干 旱 和 半 干 旱 地 區(qū)的 土 壤 中 。2、 晶 格 構(gòu) 造 ： 屬 三 層 型 （ 2： 1） 粘 土 礦物 ， 硅 酸 鹽 層 之 間 由 鈣 離 子 和 鎂 離 子連 接 。3、 比 表 面 積 ： 硅 酸 鹽 層 之 間 全 部 脹 縮 性 ，內(nèi) 表 面 積 非 常 大 ， 比 表 面 積 為 800 m2/g；4、 帶 電 性 ： 帶 有 的 電 荷 是 由 同 晶 代 換 產(chǎn)生 的 ， 帶 電 量 比 伊 利 石 多 。 (四 ） 含 水 氧 化 物1、 含 水 氧 化 物 的 種 類 ：包 括 非 晶 質(zhì) 的 硅 酸 和 含 水 氧 化 鐵 或 氧 化 鋁 。2、 硅 酸 的 帶 電 性 ：非 晶 質(zhì) 的 硅 酸 是 各 種 鋁 硅 酸 鹽 經(jīng) 過 化 學(xué) 風(fēng)化 過 程 的 最 后 產(chǎn) 物 ， 其 所 帶 電 荷 是 由 H +解 離 產(chǎn) 生 的 。這 種 解 離 只 有 在 堿 性 范 圍 內(nèi) 才 能 達(dá) 到 較 大程 度 的 解 離 。 (四 ） 含 水 氧 化 物3、 含 水 氧 化 鐵 或 氧 化 鋁 的 種 類有 褐 鐵 礦 、 赤 鐵 礦 、 針 鐵 礦 、 水 鋁 石 和 三 水鋁 石 。它 們 均 屬 兩 性 膠 體 ， 所 帶 電 荷 隨 pH 值 變 化有 很 大 不 同 ， 在 溶 液 偏 酸 時 ， 解 離 出 OH ， 成 為 (OH )2+帶 正 電 。在 溶 液 偏 堿 時 ， 解 離 出 H +， 成 為 (OH )2O帶負(fù) 電 。 （ 五 ） 腐 殖 質(zhì) 膠 體1、 結(jié) 構(gòu) ： 高 分 子 有 機 化 合 物 ， 呈 球 形 ，具 三 維 空 間 的 網(wǎng) 狀 結(jié) 構(gòu) 。2、 帶 電 性 ： 負(fù) 電 荷 主 要 是 由 羧 基 和 酚 羥 基解 離 的 氫 離 子 引 起 ， 與 pH 相 關(guān) ；3、 腐 殖 質(zhì) 膠 體 中 的 NH 2可 接 受 氫 離 子 ， 導(dǎo)致 腐 殖 質(zhì) 膠 體 帶 正 電 荷 。 胡 敏 酸 結(jié) 構(gòu) 富 里 酸 結(jié) 構(gòu) 第 二 節(jié) 土 壤 陽 離 子 交 換一 、 土 壤 陽 離 子 交 換 過 程 ：1、 概 念 ： 土 壤 膠 體 吸 附 陽 離 子 ， 在 一 定 條 件 下 ，與 土 壤 溶 液 中 的 陽 離 子 發(fā) 生 交 換 ， 這 就 是 土壤 陽 離 子 的 交 換 過 程 。能 夠 參 與 交 換 過 程 的 陽 離 子 ， 就 成 為 交 換 性 陽離 子 。 土 壤 陽 離 子 交 換 過 程 一 、 土 壤 陽 離 子 交 換 過 程 ：2、 特 點 ： 第 一 ， 是 可 逆 反 應(yīng) 。 任 何 一 方 的 反 應(yīng) 都不 能 進(jìn) 行 到 底 ， 只 有 不 斷 排 除 生 成 物 ，并 反 復(fù) 浸 提 ， 才 能 把 膠 體 表 面 上 的 鈣 離子 和 鉀 離 子 全 部 交 換 出 來 ；第 二 ， 陽 離 子 交 換 作 用 按 等 摩 爾 進(jìn) 行 ， 即20克 鈣 離 子 可 以 和 39.1克 鉀 離 子 交 換 ； 一 、 土 壤 陽 離 子 交 換 過 程 ：第 三 ， 交 換 受 溫 度 影 響 較 小 ， 而 與 交 換 點位 置 直 接 相 關(guān) ：外 表 面 上 的 交 換 可 瞬 時 發(fā) 生 ， 一 小 時 內(nèi) 達(dá)到 平 衡 ；內(nèi) 表 面 上 的 交 換 需 要 很 長 時 間 才 能 達(dá) 到 平衡 ， 因 為 離 子 在 到 達(dá) 交 換 點 前 需 要 在 晶層 間 隙 中 運 動 ， 受 離 子 擴 散 規(guī) 律 制 約 ，所 以 往 往 需 要 很 長 時 間 才 能 達(dá) 到 平 衡 。 二 、 土 壤 陽 離 子 交 換 量（ Cation Exchange Capacity） CEC 1、 定 義 ：在 一 定 pH 值 時 ， 每 千 克 土 壤 中 所 含 有 的 全部 交 換 性 陽 離 子 的 厘 摩 爾 數(shù) 。單 位 ： cmol/kg 。 與 舊 單 位 me/100g土 等 量換 算 二 、 土 壤 陽 離 子 交 換 量2、 意 義 ： 土 壤 交 換 量 可 以 作 為 評 價 土 壤 保 肥 力 的 指標(biāo) 。一 般 認(rèn) 為 ： 小 于 10 cmol/kg， 保 肥 力 弱 ； 1020 cmol/kg， 保 肥 力 中 等 ； 大 于 20 cmol/kg， 保 肥 力 強 。 三 、 影 響 土 壤 陽 離 子 交 換 量 的 因 素1、 土 壤 質(zhì) 地 的 影 響 土 壤 質(zhì) 地 愈 粘 ， 土 壤 的 交 換 量 也 就 愈 大 。一 般 ：土 壤 質(zhì) 地 砂 土 輕 壤 土 中 、 重 壤 土 粘 土交 換 量 cmol/kg 12 78 1518 2530 三 、 影 響 土 壤 陽 離 子 交 換 量 的 因 素 2、 腐 殖 質(zhì) 含 量 腐 殖 質(zhì) 含 量 越 高 ， 陽 離 子 交 換 量 越 大 。 腐 殖 質(zhì) 易 帶 負(fù) 電 荷 ， 腐 殖 質(zhì) 膠 體 具 有 極 大的 比 表 面 積 ， 交 換 量 為 200500cmol/kg。3、 無 機 膠 體 種 類 高 嶺 石 （ 6 cmol/kg） 、伊 利 石 （ 30 mol/kg） 、蒙 脫 石 （ 100 cmol/kg） 三 、 影 響 土 壤 陽 離 子 交 換 量 的 因 素4、 土 壤 的 酸 堿 性可 變 的 負(fù) 電 荷 ， 是 由 pH 的 增 加 而 增 加 的 。含 腐 殖 質(zhì) 多 的 土 壤 ， 交 換 量 受 pH 影 響 顯著 ， 當(dāng) pH 值 從 2.5上 升 到 8.0時 ， 交 換 量從 65 cmol/kg上 升 到 345 cmol/kg 。另 外 高 嶺 石 、 鐵 鋁 的 含 水 氧 化 物 所 帶 電 荷也 受 酸 堿 環(huán) 境 的 影 響 。 四 、 土 壤 鹽 基 飽 和 度1、 鹽 基 飽 和 度 ： 土 壤 膠 體 上 的 交 換 性 鹽 基 離子 占 交 換 性 陽 離 子 總 量 的 百 分 比 。 土 壤 交 換 性 陽 離 子 可 分 為 二 類 ：致 酸 離 子 （ H +、 Al3+） 和 鹽 基 離 子 (K +、 Na+、Ca2+、 Mg2+等 )。鹽 基 離 子 為 植 物 所 需 的 速 效 養(yǎng) 分 。 四 、 土 壤 鹽 基 飽 和 度2、 鹽 基 飽 和 度 的 意 義 ：真 正 反 映 土 壤 有 效 速 效 養(yǎng) 分 含 量 的 大 小 。 若 陽 離 子總 量 大 ， 而 鹽 基 飽 和 度 偏 小 ， 土 壤 中 養(yǎng) 分 狀 況 ？鹽 基 飽 和 度 80%的 土 壤 ， 一 般 是 很 肥 沃 的 ；鹽 基 飽 和 度 50%80%的 土 壤 ， 為 中 等 肥 力 水 平 。鹽 基 飽 和 度 鉀 離 子 鎂 離 子 鈣 離 子 氫 離 子 鋁 離 子 ； 五 、 影 響 交 換 性 陽 離 子 有 效 性 的 因 素3、 無 機 膠 體 的 種 類 ：在 飽 和 度 相 同 的 前 提 下 ， 各 種 離 子 在 無 機 膠 體上 的 有 效 性 ：高 嶺 石 大 于 蒙 脫 石 大 于 伊 利 石 ；4、 離 子 半 徑 與 晶 格 網(wǎng) 狀 孔 穴 大 小 的 關(guān) 系 。離 子 大 小 與 孔 徑 相 近 ， 從 而 降 低 了 有 效 性 。如 ： 孔 穴 半 徑 為 1.4埃 ， 鉀 離 子 的 半 徑 為 1.33埃 ，銨 離 子 的 半 徑 為 1.42埃 ， 則 有 效 性 較 低 。 第 三 節(jié) 土 壤 膠 體 對 陰 離 子 的 吸 附一 、 土 壤 吸 收 陰 離 子 的 原 因1、 兩 性 膠 體 帶 正 電 荷酸 性 Al(OH )3 +H Cl= Al(OH )2+Cl-+H 2O堿 性 Al(OH )3 +NaOH = Al(OH )2O-+Na+H 2O2、 土 壤 腐 殖 質(zhì) 中 的 NH 2 在 酸 性 條 件 下吸 收 H + 成 為 NH 3+ 而 帶 正 電 。 二 、 土 壤 中 各 種 陰 離 子 的 吸 附 方 式 1、 表 面 吸 附氯 離 子 和 硝 酸 根 離 子 通 過 靜 電 引 力 作 用 ， 被土 壤 膠 體 所 吸 附 ， 但 結(jié) 合 得 比 較 疏 松 ， 可以 和 其 它 的 陰 離 子 互 相 交 換 。2、 鑲 嵌 吸 附 ： 對 磷 酸 鹽 、 鉬 酸 鹽 和 硅 酸 鹽 與土 壤 膠 體 表 面 的 鐵 和 鋁 是 通 過 氧 橋 相 結(jié) 合 。這 種 結(jié) 合 是 很 牢 固 的 。 二 、 土 壤 中 各 種 陰 離 子 的 吸 附 方 式根 據(jù) 陰 離 子 吸 收 的 特 點 ， 在 施 肥 時 ， 應(yīng) 采取 相 應(yīng) 措 施 ， 磷 肥 施 用 時 應(yīng) 防 止 固 定 ，硝 酸 態(tài) 氮 肥 應(yīng) 防 止 流 失 。 第 四 節(jié) 離 子 吸 收 代 換 作 用 的 意 義 一 、 使 土 壤 具 有 保 持 和 供 應(yīng) 養(yǎng) 分 的 能 力 離 子 態(tài) 的 養(yǎng) 分 ， 在 土 壤 膠 體 的 離 子 代 換 作 用 下 ，保 持 在 土 壤 中 ， 這 就 是 土 壤 的 保 肥 性 。被 土 壤 膠 體 吸 收 的 離 子 與 土 壤 溶 液 間 的 離 子 能 進(jìn) 行可 逆 性 交 換 ， 植 物 可 隨 時 從 土 壤 中 得 到 養(yǎng) 分 ，這 就 是 土 壤 的 供 肥 性 。土 壤 如 具 有 較 高 的 離 子 代 換 吸 收 量 ， 土 壤 也 就 具 備了 較 好 的 養(yǎng) 分 保 持 與 供 應(yīng) 能 力 。 二 、 調(diào) 節(jié) 土 壤 的 物 理 狀 況 土 壤 膠 粒 之 間 的 凝 聚 作 用 ， 是 土 壤 具 有 結(jié)構(gòu) 的 根 本 原 因 ，當(dāng) 土 壤 膠 體 表 面 吸 收 大 量 鈉 離 子 時 ， 促 使膠 粒 分 散 。 而 當(dāng) 土 壤 膠 體 吸 附 鈣 后 ， 膠粒 易 于 凝 聚 ， 形 成 土 壤 結(jié) 構(gòu) 體 。在 堿 性 土 壤 上 施 石 膏 ， 可 改 良 土 壤 的 不 良性 狀 。第 四 節(jié) 離 子 吸 收 代 換 作 用 的 意 義 第 五 節(jié) 土 壤 陽 離 子 吸 收 與 代 換 性 的 改 良一 、 提 高 陽 離 子 代 換 量1、 增 加 礦 質(zhì) 膠 體 在 北 方 地 區(qū) 質(zhì) 地 粗 的 土 壤 中 ， 應(yīng) 增 加 陽 離子 代 換 量 高 的 粘 土 。 南 方 地 區(qū) 土 壤 以 高 嶺 石 為 主 ， 代 換 量 低 ， 應(yīng)增 加 富 含 蒙 脫 石 、 蛭 石 的 土 壤 。 蛭 石 是 云 母 類 礦 物 脫 鉀 后 形 成 的 ， 在 北 方 土壤 中 含 量 高 ， 化 學(xué) 成 分 變 化 大 ， 與 蒙 脫 石的 區(qū) 別 是 層 間 連 接 比 較 緊 。 第 五 節(jié) 土 壤 陽 離 子 吸 收 與 代 換 性 的 改 良n 2、 增 加 有 機 膠 體 有 機 膠 體 的 代 換 量 （ 200500cmol/kg)是 礦 質(zhì)膠 體 的 若 干 倍 。對 任 何 土 壤 來 說 ， 增 加 腐 殖 質(zhì) ， 可 提 高 陽 離 子 代換 量 。每 增 加 1%腐 殖 質(zhì) ， 可 提 高 12cmol/kg的 交 換 量 。n 3、 適 當(dāng) 提 高 土 壤 pH 。 堿 性 條 件 有 利 于 氫 離 子 解 離 ， 陽 離 子 代 換 量 也提 高 。 對 酸 性 土 壤 來 說 ， 完 全 可 行 。 第 五 節(jié) 土 壤 陽 離 子 吸 收 與 代 換 性 的 改 良二 、 改 善 代 換 性 陽 離 子 組 成 肥 沃 土 壤 的 代 換 性 陽 離 子 組 成 應(yīng) 以 鈣 、鎂 為 主 ， 其 次 為 鉀 和 鈉 。 如 氫 、 鋁 占 優(yōu) 勢 ， 就 成 強 酸 性 土 壤 ， 鹽 基飽 和 度 低 ， 肥 力 低 。如 鈉 比 例 高 ， 呈 強 堿 性 土 壤 。