土壤膠體與離子交換作用

土壤膠體與離子交換作用第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二教學(xué)目標(biāo)使學(xué)生掌握土壤膠體的概念、種類與構(gòu)造、性質(zhì)；陽離子交換量、陽離子交換作用、鹽基飽和度的概念與計(jì)算，陽離子交換作用的特點(diǎn)，交換性陽離子有效度第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二

第一節(jié)土壤膠體一、土壤膠體的概念及種類

1、概念：土壤膠體：大小在1-100nm（在長、寬和高三個(gè)方向上，至少有一個(gè)方向在此范圍內(nèi)）的土壤固體顆粒。第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二土壤無機(jī)膠體層狀硅酸鹽粘土礦物2：1型如蒙脫石1：1型如高嶺石氧化物及其水合物AlFeSiCaMnTi的氧化物及水合氧化物，常呈膠膜被覆于土粒表面土壤有機(jī)膠主要是腐殖質(zhì)及其各種組分少量的蛋白質(zhì)或氨基酸

多肽，多糖類化合物土壤有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體2、類型第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二3.土壤膠體的構(gòu)造

土壤膠體是一種分散系統(tǒng)。土壤膠體分散系統(tǒng)由膠體微粒（分散相）和微粒間溶液（分散介質(zhì)）兩大部分構(gòu)成。

第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二土壤膠體顆粒的構(gòu)造土壤膠體分散系土壤膠團(tuán)土壤溶液膠核雙電層定位離子層（內(nèi)層）補(bǔ)償離子層非活性層擴(kuò)散層反離子層膠粒第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)靜電引力與熱擴(kuò)散相平衡時(shí)，在帶電膠體表面與溶液的界面上，形成了由一層固相表面電荷和一層溶液中相反符號離子所組成的電荷非均勻分布的空間結(jié)構(gòu)，稱為雙電層第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二二.土壤膠體的基本特性（一）具有豐富的表面積和巨大的表面能。1.比表面

是一個(gè)比值，即每一單位質(zhì)量或單位容積的表面積(單位質(zhì)量比表面積叫質(zhì)量比表面，cm2/g，單位容積比表面叫做容積比表面，cm2/m3）。第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二2.影響顆粒表面積的因素（1）粒徑大小（2）顆粒形狀：同體積顆粒表面積最大的是薄片狀、最小的是球體（3）礦物類型第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二粘土礦物的表面特征膠體電子顯微圖像第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二土壤中常見粘土礦物的比表面積（m2/g)膠體成分內(nèi)表面外表面總表面蒙脫石蛭石水云母高嶺石埃洛石水化埃洛石水鋁英石腐殖質(zhì)700~750400~7500~500400130~140-15~1501~590~1504~4010~4525~30130~140-700~850400~80090~1505~4010~45430260~800800~900

不同土壤礦物組成不同，比表面積也不同。一般土壤中有機(jī)質(zhì)含量高，2:1型粘粒礦物多，則比表面積較大，如黑土。反之，如果有機(jī)質(zhì)含量低，1:1型粘粒礦物較多，則其表面積就較小，如紅壤、磚紅壤。粘土礦物的表面特征第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二（二）土壤膠體的帶電性

土壤膠體帶電性是其主要的特性。永久電荷可變電荷土壤膠體的電荷1.永久電荷：不受土壤溶液pH值變化而影響的電荷類型稱為永久電荷，也叫恒電荷或結(jié)構(gòu)電荷。

同晶替代是產(chǎn)生永久電荷的原因。第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二2.可變電荷：

隨著土壤溶液pH變化而變化的電荷叫可變電荷。

可變電荷產(chǎn)生的原因：主要是膠體表面分子解離。（1）含水氧化硅分子解離（2）粘土礦物晶面上羥基解離（1:1型粘土礦物在pH<5時(shí)可以解離）（3）腐殖質(zhì)分子表面解離（4）含水氧化鐵鋁表面解離出OH-，帶正電荷（在pH<5時(shí)帶正電荷）

第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二3.土壤總電荷

土壤總電荷等于永久電荷與可變電荷的總和。

一般土壤的pH在5~9之間，大部分土壤膠體都帶負(fù)電荷。只有兩性膠體和少量的同晶替代可能產(chǎn)生一定量正電荷。但是，整體上來看，土壤膠體以帶負(fù)電荷為主。當(dāng)pH<5時(shí)則可能帶較多正電荷。土壤中80%以上的土壤電荷集中于粘粒上第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二（三）土壤膠體存在可改變的狀態(tài)―凝聚與分散1、土壤膠體有兩種存在的狀態(tài)：一種是膠體微粒相當(dāng)充分的分散在介質(zhì)中形成的一種外觀頗似溶液的膠體溶液，稱為溶膠。另一種是在外因作用下，膠體微粒聚合在一起形成的處于凝聚狀態(tài)的膠體，稱為凝膠。

膠體的兩種存在狀態(tài)，在一定條件才可以進(jìn)行某種程度的轉(zhuǎn)化，即溶膠可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，這一過程稱為凝聚；凝膠也可以轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z，這一過程稱為分散。第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二

土壤膠體所處的狀態(tài)直接影響土壤的物理性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤的肥力狀況。

一些農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，如施肥、中耕、澆水、烤田等都可使土壤中的電解質(zhì)發(fā)生變化，從而使膠體的狀態(tài)發(fā)生改變，或局部發(fā)生改變，尤其是施用鈣質(zhì)肥料，有促進(jìn)土壤形成不可逆凝聚的顯著作用。

第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二第二節(jié)土壤離子交換作用一、土壤陽離子交換與交換陽離子1.離子吸附：土壤膠體一般帶負(fù)電，能吸附土壤溶液中的陽離子。2.解吸：這些被吸附的陽離子在一定條件下可以和土壤溶液中的陽離子互相交換，從膠體表面進(jìn)入溶液。第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二土壤膠粒土壤膠粒Ca2+NH4++3K++Ca2++NH4+

K+K+K+交換性陽離子可分兩種：①致酸離子H+Al3+

②鹽基離子Ca2+、Mg2+、K+、NH4+、Na+交換反應(yīng)示意圖如下：3.陽離子交換作用：通過吸附和解吸，引起離子位置相互交換的作用。4.交換性陽離子：被吸附的陽離子。第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二陽離子交換第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二5、陽離子交換作用的基本特征1.可逆反應(yīng)2.等價(jià)交換3.受質(zhì)量作用定律的支配第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二6、影響陽離子交換的因素受以下因素影響：1.離子價(jià)：高價(jià)離子＞低價(jià)離子2.離子半徑和離子水化半徑：同價(jià)離子，離子半徑大的、水化半徑小的交換能力大，3.離子的運(yùn)動(dòng)速度：半徑小運(yùn)動(dòng)速度快4.離子濃度：交換能力弱的離子在濃度足夠大的情況下，可以交換吸附濃度低高價(jià)離子。綜上所述，陽離子交換能力順序?yàn)椋篎e3+

、Al3+

＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二二、陽離子交換量

是指在一定pH時(shí)每1000g干土所能吸附的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)。影響土壤CEC大小的因素：1、膠體含量質(zhì)地粘重CEC大。2、膠體類型有機(jī)膠體CEC遠(yuǎn)比礦質(zhì)膠體大，施有機(jī)肥可大幅度提高土壤保肥能力。3、土壤pH值影響可變電荷的多少，一般pH值升高，H+解離，可變負(fù)電荷逐漸增多，CEC也隨之增加。第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二不同類型土壤膠體的陽離子交換量土壤膠體CEC[cmol(+).kg-1]腐殖質(zhì)蛭石蒙脫石伊利石高嶺石倍半氧化物200100-15070-9510-403-152-4第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二三、鹽基飽和度指土壤中交換性鹽基離子（K+、Na+、NH4+、Ca2+、Mg2+等）總量占陽離子交換量的百分?jǐn)?shù)。第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二

當(dāng)土壤膠體吸附的陽離子全部或大部分為鹽基離子時(shí)，則土壤呈鹽基飽和狀態(tài)，這一土壤稱為鹽基飽和土壤。（呈中性或堿性反應(yīng)）當(dāng)土壤膠體所吸附的陽離子僅部分地為鹽基離子，而其余一部分為H+和Al3+時(shí),則這一土壤膠體呈鹽基不飽和狀態(tài),稱為鹽基不飽和土壤。（呈酸性反應(yīng)）南方土壤：H+和Al3+等致酸離子較多,土壤的鹽基飽和度?。槐狈酵寥溃篊a2+和Mg2+占有較大的數(shù)量和比例,鹽基飽度大

。

變化趨勢：以北80%以上（除棕壤、暗棕壤、灰化土等）以南鹽基不飽和（紅壤、磚紅壤一般20-30%）北緯33°它與土壤酸堿反應(yīng)關(guān)系密切第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二（1）膠體上吸附的陽離子可以被土壤溶液中其它離子交換下來，由植物根系的離子交換和吸收；（2）植物的根毛表面吸附的交換性H+

，可以直接和土壤膠體表面的交換性離子進(jìn)行接觸交換和吸收。植物有效性速效性養(yǎng)分第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二1、離子飽和度（飽和度效應(yīng)）離子的飽和度越大，被解吸的機(jī)會就越大，有效度就越大**影響交換離子有效度的因素主要有：土壤陽離子飽和度和有效度的關(guān)系

P179表8-7較小331030B較大7568A有效度比較交換性Ca2+飽和度%交換性Ca2+量cmol.g-1CECcmol.g-1土壤施肥方法：集中施肥，條施、穴施施肥量：不同質(zhì)地類型土壤區(qū)別對待，砂土少量多次第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二2、陪補(bǔ)離子效應(yīng)（互補(bǔ)離子效應(yīng)）陪補(bǔ)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)ABC40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na2.802.792.34

11.157.834.36土壤膠體上與該離子共存的其它陽離子—陪補(bǔ)離子陪補(bǔ)離子與膠體的親和力

K+與陪補(bǔ)離子Ca2+

、Na+的關(guān)系？第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二四、土壤離子交換性能與土壤改良苗圃：改善土壤質(zhì)地、增施有機(jī)肥補(bǔ)充保肥能力較高的土壤營養(yǎng)缽育苗—腐熟的泥炭或腐殖土+肥料、蛭石造林：客土、帶土、定植穴內(nèi)加入雜草、凋落物或肥土等（局部改善貯存和供給有效水分和養(yǎng)分）林地：調(diào)整林分組成，樹種混交、喬灌混交等——有機(jī)質(zhì)（腐殖質(zhì)）有效養(yǎng)分的來源和貯存能力疏伐等措施改善林地小氣候：分解、合成、保肥能力提高（砂質(zhì)土林地）第三十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期二定植穴摻入壤土、小麥秸措施，（5a）土壤水分容量提高：47.9%、35.7%每穴（2*1*0.6m）增水量：45.5kg、32.7kg有機(jī)質(zhì)、速效氮磷鉀平均提高：145.