土壤學(xué)課程6.ppt

第六章土壤膠體和土壤的交換性能 主要學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 土壤為什么能保持養(yǎng)分 2 如何衡量土壤保肥能力的高低 3 哪些因素影響植物對土壤陽離子的吸收 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(diǎn) 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(diǎn) 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?yàn)槟z體性質(zhì)的出現(xiàn) 是隨著粒徑的減小逐漸加強(qiáng)的 沒有截然劃分的界限 二 膠體的類型 1 土壤無機(jī)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(jī)膠體主要是腐殖質(zhì) 它是有機(jī)質(zhì)在土壤微生物等的作用下形成的 3 有機(jī)無機(jī)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 三 粘土礦物的晶格構(gòu)造 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(qiáng)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(qiáng) 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(qiáng)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Al3 代替 八面體中央的Al3 被Mg2 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)与姾?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800m2 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(jī)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NH2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(diǎn) 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(diǎn)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?yàn)殡x子在到達(dá)交換點(diǎn)前需要在晶層間隙中運(yùn)動 受離子擴(kuò)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 CationExchangeCapacity CEC1 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10cmol kg 保肥力弱 10 20cmol kg 保肥力中等 大于20cmol kg 保肥力強(qiáng) 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 kg1 27 815 1825 30 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200 500cmol kg 3 無機(jī)膠體種類高嶺石 6cmol kg 伊利石 30mol kg 蒙脫石 100cmol 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65cmol kg上升到345cmol 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 50 的土壤肥力較低 需要采取措施對土壤加以改良 如施肥或用石灰中和 五 影響交換性陽離子有效性的因素 1 交換性陽離子的飽和度 飽和度大 該離子的有效性大 單一離子的飽和度 交換性該離子總量 陽離子總量 100 五 影響交換性陽離子有效性的因素 2 陪伴離子的種類 對于某一特定的離子來說 其它與其共存的離子都是陪伴離子 與膠體結(jié)合強(qiáng)度大的離子 本身有效性低 對其它離子的抑制能力小 有效性就大 各離子抑制能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?鈉離子 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(jī)膠體的種類 在飽和度相同的前提下 各種離子在無機(jī)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 HCl Al OH 2 Cl H2O堿性Al OH 3 NaOH Al OH 2O Na H2O2 土壤腐殖質(zhì)中的 NH2在酸性條件下吸收H 成為 NH3 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(diǎn) 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 2 增加有機(jī)膠體