土壤膠體和土壤離子交換

土壤膠體和土壤離子交換第一頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二土壤膠體的構造和性質土壤膠體的類型土壤陽離子交換作用土壤陰離子交換作用內容提要第二頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二膠體的概念膠體是物質存在的一種狀態(tài)，是一種分散體系。一種物質分散在另一種物質中所形成的體系，稱為分散體系或分散系。

根據分散體系中被分散的物質（分散相）的大小，可把分散系分為：粗分散系、膠體分散系和分子、離子分散系。何為分散體系？第三頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

一般把分散相顆粒直徑（非球顆粒則指長、寬、高三向中一個方向的長度）在1-100納米范圍內的分散系稱膠體分散系。其顆粒大小介于粗分散系和分子、離子分散系之間。膠體分散系第四頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二第五頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二第一節(jié)土壤膠體的構造和性質第六頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二一、土壤膠體的概念

顆粒直徑（非球形顆粒則指其長、寬、高三向中一個方向的長度）在1~100nm范圍內的帶電的土壤顆粒與土壤水組成的分散系。注：通常情況下，直徑小于2μm（或1μm）的土粒便具有膠體的性質，因而被視為土壤膠體顆粒。土壤膠體的結構和性質第七頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二二、土壤膠體的構造膠核雙電層決定電位離子層補償離子層非活性補償離子層擴散層膠粒膠團_+___+++++++土壤膠體的結構和性質第八頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二土壤膠體構造示意圖土壤膠體的結構和性質第九頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

這是膠體的固體部分,土壤中膠核一般由含水SiO2,Fe2O3,Al2O3、次生鋁硅酸鹽、腐殖質或蛋白質等分子團分子組成。(一)膠核土壤膠體的結構和性質第十頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二由于內層電荷的靜電引力的作用,吸附土壤溶液中相反的離子而形成的:非活性離子層和擴散層（發(fā)生離子交換）。

(二)雙電層1、決定電位離子層(內層)是固定在膠核表面,并決定其電荷和電位的一層離子。2、補償離子層(外層)土壤膠體的結構和性質第十一頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二注意：把土壤膠粒完全理解為球形構造，顯然是錯誤的?，F(xiàn)代土壤學的研究說明，只有土壤有機膠粒，或無定形的氫氧化鐵、氫氧化鋁、含水氧化硅和水鋁英石等礦質膠?？梢哉J為近似圓球形構造。而土壤中大多數礦質膠粒，例如層狀硅酸鹽類粘土礦物通過X-射線和電子顯微鏡的研究，已經明確是層狀構造.土壤膠體的結構和性質第十二頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二層狀黏土礦物膠體的構造示意圖土壤膠體的結構和性質第十三頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二三、土壤膠體的性質1.巨大的比表面積和表面能

單位質量或體積物體的總表面積稱為比表面積或比面，單位為cm2·g-1或cm2·cm-3。物體分割得愈細小，單體數愈多，總面積愈大，比面也愈大。土壤膠體的結構和性質第十四頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二1cm3物質表面積隨分散度變化的情況立方體邊長（cm）立方體數目總表面積比表面積（cm2·cm-3）116cm260.110360cm26×100.01106600cm26×1020.0011096000cm26×1030.000110126m26×1040.00001101560m26×1050.0000011018600m26×1060.000000110216000m26×107土壤膠體的結構和性質第十五頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二各粒徑土粒的比面土粒（粒徑mm）比表面積（cm2·g-1）土粒（粒徑mm）比表面積（cm2·g-1）粗砂粒（1）22.6粘粒（0.0005）500nm45,200中砂粒（0.1）226膠粒（0.0001）100nm226,000細砂粒（0.01）2,260膠粒（0.00005）50nm452,000粘粒（0.001）22,600膠粒（0.00001）10nm2,260,000很顯然,土粒越細比表面越大,土壤中顆粒的形狀多種多樣.只有砂粒近似球形,但其表面大多不平,大部分粘粒多為片狀,棒狀,針狀,實際上膠體的表面積比光滑的球體大得多。由于土壤膠體具有巨大表面積，從而具有巨大的表面能。土壤膠體的結構和性質第十六頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

2.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（膠體的基本條件），這是土壤產生離子吸附和交換、離子擴散、酸堿平衡、氧化還原反應以及膠體的分散與絮凝等現(xiàn)象的根本原因，而這些反應都直接或間接關系到土壤的水、肥、氣、熱性質。因此，土壤膠體的帶電性對土壤肥力性質有重要影響。土壤膠體的結構和性質第十七頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二(1)同晶異質代換作用

層狀鋁硅酸鹽粘土礦物在形成時，中心離子可以被其它相近或稍大的同性離子代換而產生電荷，但礦物的結晶構造型式不變。如Al3+代Si4+或Fe2+代Al3+等,這樣晶體中就產生了剩余負電荷,這種電荷一旦產生,就不能改變,故稱永久電荷。土壤膠體電荷的來源指組成礦物的中心離子被電性相同、大小相近的離子替代而晶格構造保持不變的現(xiàn)象。土壤膠體的結構和性質第十八頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二四面體中的硅可被鋁代換

Si4+Al3+八面體中的鋁可被鐵、鎂代換Al3+Fe2+或Mg2+土壤膠體的結構和性質第十九頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二(2)晶格破碎邊緣的斷鍵

在礦物風化破碎的過程中，晶體晶格邊緣的離子有一部分電荷未得到中和，而產生剩余價鍵，使晶層帶電。例如晶格在硅層或鋁層截面上斷裂，Si—O—Si，Al—O—Al在斷裂后，斷面上留下Si—O-、Al—O-，從而帶負電。土壤膠體的結構和性質第二十頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二(3)膠體表面分子的解離

膠核表面的分子或原子團的解離,這種電荷的數量和性質隨介質的pH而改變,故稱可變電荷。黏土礦物晶面上-OH的解離含水鐵、鋁氧化物的解離（Al2O3·3H2O)腐殖質上某些官能團的解離（如-COOH）含水氧化硅的解離來源土壤膠體的結構和性質第二十一頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二結晶的粘土礦物大部分表面都裸露著—OH原子團，在一定條件下：當H+解離后，則使膠核帶負電，如H2SiO3和層狀硅鋁酸鹽粘土礦物中解離H+后使膠核帶負電。當OH-發(fā)生解離時，則膠核帶正電，如Fe(OH)3或Al(OH)3中的OH-解離后則帶正電。這種作用與普通酸堿解離相似，受溶液的pH影響，因此稱為可變電荷。a.黏土礦物晶面上-OH的解離土壤膠體的結構和性質第二十二頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二Al(OH)3+NaOHAl(OH)2O-+Na++H2O膠核中的分子帶負電荷的膠體核粒Al(OH)3+HClAl(OH)2++Cl-+H2O膠核中的分子帶正電荷的膠體核粒如Al（OH）3在堿性環(huán)境中的解離：如Al（OH）3在酸性環(huán)境中的解離：Fe(OH)3或Al(OH)3解離H+而成為帶負電的膠體，還是解離OH-而成為帶正電的膠體主要取決于溶液的pH值。土壤膠體的結構和性質第二十三頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二層狀硅酸鹽晶層上的-OH基可以解離出H+，帶負電:結晶體-OH-OH-OH結晶體-OH-OH-OH+3H+土壤膠體的結構和性質第二十四頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二當土壤膠體解離陽離子和陰離子數量相等，即膠體的正負電荷相等時，此時膠體懸液的pH值稱為等電點(isoelectricpoint)。在土壤pH5-8的條件下，大多數土壤膠體的等電點低于這個范圍，因此，對于土壤膠體來講，pH5-8相當于在堿性環(huán)境下，此時，腐殖質和鋁硅酸鹽等膠體都帶負電，表現(xiàn)為對陽離子的吸附，只有Fe(OH)3和Al(OH)3帶正電，吸附陰離子。故土壤膠體在通常情況下以帶負電為主。土壤膠體為什么一般帶負電?土壤膠體的結構和性質第二十五頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

如三水鋁石的pH0值為4.8。

當土壤pH低于pH0值時:（相當于酸性環(huán)境）Al2O3·3H2O2Al(OH)2++2OH-

當土壤pH高于pH0值時:（相當于堿性環(huán)境）Al2O3·3H2O2Al(OH)2O-+2OH-b.含水氧化鐵、氧化鋁的解離土壤膠體的結構和性質第二十六頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

高pH條件下：-COOHH++COO--OHH++-O-

低pH條件下：-NH2-NH3+

c.腐殖質上某些原子團的解離土壤膠體的結構和性質第二十七頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二d.含水氧化硅的解離SiO2·H2O（或H2SiO3）的pH0值為2，在土壤中一般不產生正電荷，所帶負電荷的量隨土壤pH值的升高而增加。H2SiO3HSiO3-+H+

（帶正電）SiO3-+H+土壤膠體的結構和性質第二十八頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二3.土壤膠體的分散性和凝聚性

膠體的兩種狀態(tài)溶膠凝膠膠體微粒均勻分散在水中，呈高度分散狀態(tài)膠體微粒彼此聯(lián)結凝聚在一起而呈絮狀凝聚作用分散作用膠體的凝聚或分散決定于動電電位的高低：越高，排斥力愈強，溶膠狀態(tài)。越低，當吸引力大于排斥力時，凝膠狀態(tài)。土壤膠體由于大多帶有負電荷，相互具有負電位，而互相排斥，不易凝聚。土壤膠體的結構和性質第二十九頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二電解質的濃度愈大，愈能有效地中和異電膠體的電性，愈能減小擴散層厚度，使膠粒凝聚。電解質中異電離子的價數愈高，聚沉能力愈大，三價離子大于二價離子，二價離子大于一價離子；同價離子中，凝聚力大小與本身半徑和水化半徑有關，凡離子本身半徑大或水化后半徑小的離子凝聚力大，相反則小。

電解質陽離子的凝聚力大小順序為：

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+電解質對膠體的凝聚作用受以下因素的影響：土壤膠體的結構和性質第三十頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二0.5μm粘土懸濁液開始凝聚時的電解質濃度電解質名稱開始凝聚時的濃度（mol·L-1）電解質名稱開始凝聚時的濃度（mol·L-1）NaCl0.0250~0.0125CaCl20.0006~0.00025NH4Cl0.0250~0.0125AlCl3<0.000042KCl0.0250~0.0125FeCl3<0.000042MgCl20.0006~0.00025HCl0.001~0.0005注：膠體的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可逆的。陽離子這種凝聚作用的可逆和不可逆，與土壤結構的穩(wěn)定性有關，鈣離子和腐殖質膠結的結構具有水穩(wěn)性，而鈉離子膠結的不具水穩(wěn)性。土壤膠體的結構和性質第三十一頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二凝聚作用強，利于膠體互相凝聚形成結構（團粒結構）。農業(yè)上促進土壤團粒結構形成措施的理論解釋：土壤干燥、凍結過程中，水膜消失，也就加大了電解質濃度，減小擴散層厚度，使膠?；ハ嗄鄱纬山Y構。生產上曬垡、凍垡等措施也就起了這個作用，所以曬、凍垡有利于土壤形成結構；相反，土壤水分過多，土壤溶液電解質濃度相應減小，擴散層加厚，膠?；ハ嗯懦舛扇苣z狀。常年泡水的漚水田、爛泥田，土粒分散，缺少結構，通氣性差，栽秧后易產生浮秧，就是因為膠粒分散，土壤不沉實。這種情況下，施用石灰（CaO）、石膏（CaSO4），增加Ca2+濃度，對沉實土壤，改良土性，有明顯效果。在生產上的意義土壤膠體的結構和性質第三十二頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

由于膠體的巨大表面能，使其對周圍分子或離子有很強的吸附力，同樣膠體的電性使其擴散層的離子與土壤溶液中的離子有交換能力。

4.土壤膠體的吸附性和交換能力土壤膠體的結構和性質第三十三頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二第二節(jié)土壤膠體的類型第三十四頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二一、無機膠體土壤膠體的類型含水氧化鐵含水氧化鋁含水氧化硅次生鋁硅酸鹽類（即粘土礦物）主要包括：第三十五頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二SiO2.H2O→H2SiO3帶負電H2SiO3→

H++HSiO3-→H++SiO32-1.含水氧化硅膠體：（游離態(tài)無定型）注：土壤反應越偏堿性，硅酸的解離度也越大，所帶的負電荷也越多。土壤膠體的類型第三十六頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

此類膠體包括褐鐵礦（2Fe2O3?3H2O）、水赤鐵礦（3Fe2O3?H2O）、針鐵礦（Fe2O3?H2O）、水鋁礦（Al2O3?H2O）、三水鋁礦（Al2O3?3H2O）等晶質礦物和氫氧化鐵[Fe(OH)3]、氫氧化鋁[Al(OH)3]等非晶質礦物。這些礦物都是鋁硅酸鹽深度風化的產物，均為兩性膠體。2.含水氧化鐵、鋁：（兩性膠體）土壤膠體的類型第三十七頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二Al(OH)3+H+→Al(OH)2++H2O（pH<5）+

OH-

↓Al(OH)2O-+H2O（pH>5）純凈的氫氧化鐵的等電點為pH7.1，氫氧化鋁等電點為pH8.1，所以它們在大多數酸性或中性土壤中都帶正電荷。土壤膠體的類型第三十八頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二其成分為水化的硅、鋁二三氧化物，簡化的分子式為：xSiO2?yAl2O3?nH2O。水鋁英石的硅氧四面體中由Al3+置換Si4+可產生凈負電荷，同時表面有Al—OH、Si—OH。當溶液堿性增加、pH增大時產生以下解離而帶負電：=Al-OHpH加大=Al-O-+H+

≡Si-OH≡Si-O-+H+因此，水鋁英石表面可吸附很多陽離子，其表面積很大，陽離子交換量可達154~210cmol(+)·kg-1。3.水鋁英石（非晶質無定形的膠態(tài)）土壤膠體的類型第三十九頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二4.黏土礦物（次生層狀鋁硅酸鹽類）

大多是結晶層狀構造，由硅氧片（由硅四面體連接而成）和水鋁片（由鋁八面體連接而成）迭合而成。水鋁片層面上氧離子的電價不飽和，可與氫離子結合成OH群，形成水鋁礦，或與硅氧片結合，共用氧離子，形成鋁硅酸鹽粘土礦物。根據其迭合情況的不同，可將粘土礦物分為不同類型。土壤膠體的類型第四十頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二①硅氧片、硅氧四面體

硅四面體可以共用氧原子而形成一層，氧原子排列成為中空的六角形，稱硅氧片或硅氧層。土壤膠體的類型第四十一頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二②鋁氧八面體

由六個氧原子（或氫離子）環(huán)繞著一個中心鋁離子排列而成，氧原子排列成兩層，鋁原子居于兩層中心孔穴內，稱水鋁片。土壤膠體的類型第四十二頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

由一個硅氧片和一個水鋁片，通過共用硅氧頂端的氧原子連接起來的片狀晶格構造。

(１)高嶺石（１：１型鋁硅酸鹽礦物）每個晶層的一面是OH離子組（水鋁片上的），另一面是O離子（硅氧片上的），因而疊加時晶層間可形成氫鍵，使各晶層之間緊密相連從而形成大顆粒，晶粒多呈六角形片狀。其分子結構外形特征為ＯＨＯＨＯＨ.......ＯＨ頂層─────────────底層─────────────ＯＯＯ........Ｏ許多晶片相互重疊形成高嶺礦物

土壤膠體的類型第四十三頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

特點：晶層與晶層間距離穩(wěn)定，連接緊密，內部空隙小，電荷量少，單位個體小，分散度低。多出現(xiàn)于酸性土壤。如高嶺石類。硅氧片鋁氧片土壤膠體的類型第四十四頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二水水土壤膠體的類型第四十五頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二晶格內的水鋁片和硅氧片很少發(fā)生同晶替代，因此無永久性電荷。但水鋁片上的--ＯＨ在一定條件下解離出氫離子，使高嶺石帶負電。高嶺石的性質特點：晶片與晶片之間形成氫鍵而結合牢固，水分子及其他離子難以進入層間，并且形成較大的顆粒。因此其吸濕性、粘結性和可塑性較弱，富含高嶺石的土壤保肥性差。土壤膠體的類型第四十六頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

由兩片硅氧片和一片水鋁片結合成的一個晶片（層）單元，再相互疊加而成的。

（2）蒙脫石類（２：１型鋁硅酸鹽礦物）每個晶層的兩面均由O離子組（硅氧片上的），因而疊加時晶層間不能形成氫鍵，而是通過“氧橋”聯(lián)結，這種聯(lián)結力弱，晶層易碎裂，其晶粒比高嶺石小。土壤膠體的類型第四十七頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

脹縮性大，吸濕性強，易在兩邊硅氧片中以Al3+代Si4+，有時可在硅鋁片中，一般以Mg2+代Al3+→帶負電→吸附負離子。如蒙脫石，這類礦物多出現(xiàn)于北方土壤。如東北、華北的栗鈣土、黑鈣土和褐土等。硅氧片鋁氧片硅氧片特點：土壤膠體的類型第四十八頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二蛭石的膨脹性比蒙脫石要小得多，其晶層間距1.45nm，屬有限膨脹型。它具有一定的內表面，但較蒙脫石小，晶體顆粒介于蒙脫石和高嶺石之間。蛭石在黃棕壤和黃壤中含量較高。蛭石也是2﹕1型膨脹型粘土礦物，其晶層結構與蒙脫石基本相同，也是兩層硅氧片中夾一層水鋁片。與蒙脫石不同的是，硅氧片中的硅大部分被鋁所取代，水鋁片中的鋁也有不少被鎂取代，因而具有比蒙脫石高得多的凈負電荷，具有很高的吸附陽離子能力，陽離子交換量達150cmol(+)·kg-1。土壤膠體的類型第四十九頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

2:1型礦物(蒙脫石、綠泥石、蛭石等)土壤膠體的類型第五十頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

（３）水云母類（２：１型粘土礦物）結構與蒙脫石相類似，只是同晶替代產生的負電荷主要被鉀離子中和,而少量被鈣鎂離子中和。

特點：a、永久性電荷數量少于蒙脫石。b、層與層之間由鉀離子中和，使得各層相互緊密結合。形成的顆粒相對比蒙脫石粗而比高嶺石細。其粘結性、可塑、脹縮性居中。c、鉀離子被固定在硅氧片的六角形網孔中，當晶層破裂時，可將被固定的鉀重新釋放出來，供植物利用。分布廣泛，特別在西北干旱地區(qū)和高寒地區(qū)，以及風化度淺的土壤。土壤膠體的類型第五十一頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二三種主要粘土礦物的性質比較粘土礦物結晶類型分子層排列情況晶格距離(nm)晶層間聯(lián)結力顆粒大小比面(m2?g-1)CEC（cmol(+)·kg-1）粘結性可塑性脹縮性高嶺石1:1-OH層與O層相接0.72強大5～205～15弱弱水云母2:1-O層相接中間有K1.00較強中100～12020～40中等中等蒙脫石2:1-O層相接0.96～2.14弱小700～80080～100強強土壤膠體的類型第五十二頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二高嶺石逐漸代替水云母，鐵鋁氧化物也迅速增多。我國土壤粘土礦物的分布溫帶干旱的漠境和半漠境地帶：風化程度低，化學風化程度弱，以形成水化度低的水云母為主，蒙脫石不多。半干旱草原地區(qū)：蒙脫石迅速增加，結晶良好，以蒙脫石和水云母為主。暖溫帶濕潤地區(qū)：蛭石顯著增加，以水云母—蛭石為主，說明環(huán)境有利于進一步脫鉀。中亞熱帶以南地區(qū)：土壤膠體的類型第五十三頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二二、有機膠體特點：

高分子有機化合物，高度親水性。帶負電，并且電荷數量多于黏土礦物，因此陽離子交換量大。保肥性強，但不穩(wěn)定（因受微生物作用而分解）主要是腐殖質。少量的木素、蛋白質、纖維素等。腐殖質的電荷是由腐殖質含的羧基（-COOH）、羥基（-OH）、酚羥基解離出H+、-COO-、-O-等離子留在膠粒上而使膠粒帶負電。

一般每千克腐殖質的代換量在200cmol(+)·kg-1左右，高者可達500～1000cmol(+)·kg-1

土壤膠體的類型第五十四頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二三、有機無機復合膠體通過Ca2+而結合。有機膠體與鐵鋁膠體的結合。有機膠體與無機膠體的直接結合。有機膠體以薄膜狀緊密蓋覆于粘土礦物表面通過陽離子與-COOH、-OH等官能團形成復合體。結合方式土壤膠體的類型第五十五頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二在生產上的意義我國勞動人民在長期生產實踐中，充分體會到有機無機復合體的重要，創(chuàng)造了施用有機肥加速土壤有機無機復合體形成的措施，群眾稱之為土肥相融。土壤有機無機復合膠體的形成，有利于土壤結構的形成，改善土壤理化性質。如復合體中的胡敏酸，比單獨存在時分解顯著減慢，并可使土壤中有效磷增加，增強土壤的緩沖性能等。土壤膠體的類型第五十六頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二第三節(jié)土壤陽離子交換作用第五十七頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二一、土壤陽離子交換吸附作用的概念土壤膠體表面所吸附的陽離子，與土壤溶液中的陽離子或不同膠粒上的陽離子相互交換的作用，稱為陽離子交換吸附作用。土壤膠粒Ca2+

+2KCl=土壤膠粒K+K++CaCl2陽離子交換作用對土壤中養(yǎng)分的保持和供應起著重要作用。當土壤溶液中陽離子吸附在膠體上時，表示陽離子養(yǎng)分的暫時保蓄，即保肥過程；當膠體上的陽離子解離至土壤溶液中時，表示養(yǎng)分的釋放，即供肥過程。陽離子交換第五十八頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二二、土壤陽離子交換吸附作用的特點1.可逆反應在濕潤地區(qū)的一般酸性土壤中，吸附的陽離子有Al3+、H+、Ca2+、Mg2+、K+等；在干旱地區(qū)的中性或堿性土壤中，主要的吸附性陽離子是Ca2+，其次有Mg2+、K+、Na+等。因此，在自然狀況下，很難把土壤膠體上某一陽離子完全徹底地代換到溶液中去。同時，土壤膠體上吸附的陽離子也必然是多種多樣的，不可能為單一種離子所組成。陽離子交換第五十九頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二2.等量交換以等量電荷關系進行。如一個Ca2+可交換兩個Na+；一個二價的鈣離子可以交換兩個一價的氫離子。陽離子交換第六十頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二3.速度受交換點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；如離子要擴散到膠粒內層才進行交換，則交換時間就較長，有的需要幾晝夜才能達成平衡。高嶺石類礦物交換作用主要發(fā)生在膠粒表面邊緣上，所以速率很快；蒙脫石類礦物的離子交換大部分發(fā)生在膠粒晶層之間，其速率取決于層間間距或膨脹程度；水云母類的交換作用發(fā)生在狹窄的晶層間，所以交換速率較慢。溫度：高溫可加快離子交換反應的速率，因為溫度升高，離子的熱運動變得更為劇烈，致使單位時間內碰撞固相表面的次數增多。陽離子交換第六十一頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二三、影響陽離子交換作用的因素1.陽離子的交換能力主要決定于陽離子被膠粒吸附的力量（或稱陽離子與膠體的結合強度），它實質上是陽離子與膠體之間的靜電能。是指一種陽離子將膠體上另一種陽離子交換下來的能力。陽離子交換第六十二頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二b.離子的半徑及水化程度：同價離子，離子半徑大水化半徑小，交換能力越強。離子價數原子量離子半徑（nm）代換力順序未水化水化Na+123.000.0930.7906NH4+118.010.1430.5325K+139.100.1330.5374Mg2+224.320.0781.3303Ca2+240.080.1061.0002H+11.008——1a.離子電荷價：M3+>M2+>M+（M表示陽離子）離子價、離子半徑及水化程度與交換力的關系陽離子交換第六十三頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二c.離子運動速度：凡離子運動速度愈大的，其交換力也愈大。例如氫離子就是這樣，而且氫離子水化很弱，通常H+只帶一個水分子，即以H3O+的形態(tài)參加交換，水化半徑很小，因此它在交換力上具有特殊位置。陽離子交換能力順序：Fe3

+>Al3+>H+>Ca2

+>Mg2+>K+>NH4+>Na+

陽離子交換第六十四頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二2.陽離子的相對濃度及交換生成物的性質陽離子交換作用也受質量作用定律所支配，如果溶液中某種離子的濃度較大，則雖其交換能力較小，同樣能把膠體上交換能力較大的其它陽離子代換下來。另外，當交換后形成不溶性或難溶性物質時，或將其交換后的生成物不斷除去時，都可使交換作用繼續(xù)進行。陽離子交換第六十五頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二3.膠體性質交換量大的膠體（如蒙脫石）結合兩價離子的能力強，結合一價離子的能力稍弱；交換量小的膠體（如高嶺石）則結合一價離子能力強，與兩價離子的結合能力較弱，即一價離子可將兩價離子交換下來。又如：水云母具有六角形網孔（晶孔），容易吸附與其孔徑大小相當的K+和NH4+，這些離子一旦進入六角形孔穴，即可發(fā)生配位作用，很難出來，只有當晶層破裂時，被固定的K+、NH4+方可重新釋放出來。陽離子交換第六十六頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二四、土壤陽離子交換量（一）定義：在一定土壤pH值條件下，土壤能吸附的交換性陽離子的總量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交換性陽離子的厘摩爾數（CationExchangeCapacity，CEC）。單位：cmol（+）·kg-1。注：因為陽離子交換量隨土壤pH值變化而變化（因可變電荷變化），一般未特別注明時，是以pH為7的條件下測定土壤的交換量。陽離子交換量的大小與土壤可能吸附的速效養(yǎng)分（即陽離子）的容量有關，是土壤保肥力的重要指標。陽離子交換第六十七頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二（二）影響CEC的因素

1.膠體數量（土壤質地）土壤膠體物質越多（包括礦質膠體、有機膠體和復合膠體），則CEC越大。就礦質膠體而言，CEC隨著質地粘重程度增加而增加，所以粘質土CEC較砂質土要大的多。質地陽離子交換量（cmol(+)kg-1)砂土1-5砂壤土7-8壤土7-18粘土25-30陽離子交換第六十八頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二2.膠體類型不同土壤膠體陽離子交換量相差很大膠休種類腐殖質蛭石蒙脫石水云母高嶺石含水氧化鐵、鋁CEC（cmol(+)·kg-1)150-500100-15060-10020-403-15微量比表面（m2·g-1)800-1000700800100-2005-20-有機>無機，2:1>1:1，粘土礦物>含水的氧化物

粘土礦物主要通過兩個方面影響CＥＣ：a、粘土礦物的比表面積:蛭石、蒙脫石>水鋁英石、水云母>高嶺石b、粘土礦物所帶的電荷數量

陽離子交換第六十九頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二3.土壤pH值：

土壤酸堿度影響膠體表面官能團中H+的解離，因而影響可變電荷的多少。pH4.5pH6.4pH8.1沼澤土胡敏酸170.0286.3400.0灰化土胡敏酸234.0410.0508.7黑鈣土胡敏酸292.2432.9590.5pH2.5-6pH7高嶺石410蒙脫石95100陽離子交換第七十頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二4.土壤有機質含量：有機質中的腐殖質含有大量-COOH、-OH等官能團，當它們解離出H+時，可使膠體帶有大量負電荷，而且腐殖質分散度大，具有很大的吸收表面。所以腐殖質的CEC遠遠大于無機膠體。施用有機肥料，增加土壤腐殖質，可以提高CEC，增強土壤保肥性。陽離子交換第七十一頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二附：主要粘土礦物的ＣＥＣ（pＨ=7）

（cmol（+）·kg-1─────────────────水鋁英石50-100針鐵礦、三水鋁石0.5-1.0(pH,8.0)水合氧化硅4.6(pH,8.0)高嶺石4.6伊利石15-40蒙脫石60-120膨潤土59-120蛭石120-200───────────────────陽離子交換第七十二頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二幾種不同土壤的腐殖質的ＣＥＣ─────────────────

HFpH8.025.508.025.50黑土1682344--黑土2642358736514花崗磚紅壤560310800583武磚紅壤--780556────────────────────

陽離子交換第七十三頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

土壤交換量的大小，基本上代表了土壤的保持養(yǎng)分數量，也就是平常所說的保肥力高低；交換量大，也就是保存養(yǎng)分的能力大，反之則弱。所以，土壤交換量可以作為評價土壤保肥力的指標。一般地：小于10cmol/kg，保肥力弱；10~20cmol/kg，中等；大于20cmol/kg，強。CEC與土壤肥力的關系陽離子交換第七十四頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二陽離子交換量和施肥有密切關系：在施肥時不僅要了解作物的需要，同時還要考慮土壤交換量的大小。在生產上的意義例如在砂土上施用化肥，由于土壤交換量小，土壤保肥力差，應該分多次施肥，每次施量不宜多，以免養(yǎng)分淋失。對于交換量小、保肥力差的土壤，可通過施用河塘泥、廄肥、泥炭或摻粘土，以增加土壤中的無機、有機膠體，以及通過施用石灰調節(jié)土壤反應等來提高土壤的陽離子交換量。舉例？？？陽離子交換第七十五頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二長江中下游發(fā)育在沖積母質上的土壤，粘土礦物以蒙脫石、水云母為主，交換量大約為20~30cmol(+)·kg-1。我國南北方土壤的CEC比較含蒙脫石、水云母較多，土壤反應又多為中性或微堿性，因此，陽離子交換量一般較高。例如東北的黑土、內蒙的栗鈣土的交換量在30~50cmol(+)·kg-1。北方華南、西南為紅、黃壤地帶，無機膠體以高嶺石和含水氧化鐵、氧化鋁為主，土壤酸性大，pH值低，陽離子交換量小，一般每千克土只有十幾個厘摩爾，廣東的磚紅壤的交換量只有5.2cmol(+)·kg-1。長江中下游地區(qū)陽離子交換第七十六頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二五、土壤鹽基飽和度膠體上吸附的陽離子分為兩類：一類是致酸離子（如H+和Al3+）。另一類是鹽基離子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等），鹽基離子為植物所需的速效養(yǎng)分。1.定義指土壤膠體上交換性鹽基離子占交換性陽離子總量的百分率。以算式表示為：陽離子交換第七十七頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二鹽基飽和土壤：土壤膠體吸附的陽離子如絕大多數（80%以上）為鹽基離子。鹽基不飽和土壤：鹽基飽和度在80%以下，H+、Al3+等離子含量較多。土壤鹽基飽和度越大，養(yǎng)分有效性越高，因此鹽基飽和度是土壤肥力的指標之一。真正反映土壤有效速效養(yǎng)分含量的大小。若陽離子交換量大，而鹽基飽和度偏小，需要采取措施對土壤加以改良，如施肥或用石灰中和。陽離子交換第七十八頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二

我國南方巖石礦物風化作用強、鹽基淋失強，一般為鹽基不飽和的土壤（酸性土壤），北方則相反，土壤的鹽基飽和度都在80%以上（中性或堿性土壤）。2.影響鹽基飽和度的因素a.氣候陽離子交換第七十九頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二一般闊葉樹種吸收鹽基比針葉樹多，通過枯落物歸還給土壤的鹽基也多，另外，針葉在分解過程中產生相對較多的有機酸，增強了鹽基的淋溶作用，使針葉林下耕層土壤鹽基飽和度更低于闊葉林土壤。b.地上植被類型陽離子交換第八十頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二c.母巖（或母質）原母質所含鹽基的多少對土壤鹽基飽和度有較大影響，在相同或類似的生物氣候條件下，玄武巖發(fā)育的土壤鹽基飽和度高于花崗巖。為什么？陽離子交換第八十一頁，共九十一頁，編輯于2023年，星期二六、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。飽和度:膠體上被吸附的某種陽離子的量占土壤陽離子交換量的百分數。土壤CEC/(cmo