第三章第四節(jié)土壤膠體

第四節(jié)土壤膠體第三節(jié)土壤膠體土壤膠體是土壤中最細(xì)小、最活躍的部分，土壤膠體的組成和性質(zhì)對(duì)土壤的理化性質(zhì)：吸附性、酸堿性、緩沖性以及土壤結(jié)構(gòu)都有很大的影響。土壤膠體是土壤肥力性狀賴以表現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)中最精華的部分。

一、土壤膠體的概念

1、土壤膠體是一種分散系統(tǒng)

任何膠體系統(tǒng)都是一種分散系統(tǒng)，由分散相和分散介質(zhì)兩種物質(zhì)所組成。一種物質(zhì)的分子呈連續(xù)分布狀態(tài)，稱為分散介質(zhì)；另一種物質(zhì)的分子是不連續(xù)的，稱為分散相，分散相均勻地分散在分散介質(zhì)中，構(gòu)成膠體分散系統(tǒng)。

2、土壤膠體的大小范圍

一般膠體上限是0.1μm,下限為1nm(<1nm屬于溶液范圍)土壤膠體比一般膠體大10倍，<1μm

。（即為0.001mm或1um --10nm之間）

二、土壤膠體的種類

分為無機(jī)膠體(礦質(zhì)膠體)、有機(jī)膠體和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體

1．有機(jī)膠體

土壤中的有機(jī)物質(zhì),尤其是腐殖質(zhì)，是土壤中含有的一類分子量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子化合物，具有明顯的膠體性質(zhì)，故稱之為土壤有機(jī)膠體。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)膠體的主體。

土壤有機(jī)膠體性質(zhì)卻極為活躍，帶有大量的活性功能團(tuán)，帶有大量的負(fù)電荷，陽離子代換量可高達(dá)300～500cmol(M+).kg-1。

2．無機(jī)膠體

主要是層狀鋁硅酸鹽礦物和無定形氧化物組成。比有機(jī)膠體高幾倍到幾十倍。通常用土壤中粘粒(d<0.001mm)的含量來反映土壤無機(jī)膠體的數(shù)量。三、土壤膠體的基本構(gòu)造

土壤膠體分散系包括膠體微粒(分散相)和微粒間溶液(分散介質(zhì))兩部分。描述膠體微粒的構(gòu)造，通常用雙電層理論。根據(jù)雙電層理論，膠體微粒在構(gòu)造上，可分為微粒核和雙電層兩部分。（一）微粒核（二）雙電層結(jié)構(gòu)

決定電位離子層補(bǔ)償離子層和補(bǔ)償離子非活性補(bǔ)償離子層擴(kuò)散層膠粒（基本單元）膠體微粒構(gòu)造圖主要由腐殖質(zhì)、硅酸鹽礦物、土壤氧化物、蛋白質(zhì)分子以及有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體的分子群組成。

2.雙電層結(jié)構(gòu)

1.微粒核(膠核)作為膠粒微粒核的物質(zhì)在溶液中通常是帶電荷的,由于靜電引力的作用,在微粒核的外圍形成一個(gè)反號(hào)電荷的離子層，這樣就構(gòu)成了雙電層。微粒核表面的電荷數(shù)量和密度對(duì)外層的反號(hào)離子的多少及兩層電荷間電位具有決定作用，故稱為決定電位離子層。外層電荷(離子)對(duì)決定電位離子層起補(bǔ)償作用,使整個(gè)膠體微粒達(dá)到電中性,故稱之為補(bǔ)償離子層,而這些來源于溶液中的反號(hào)離子就稱為補(bǔ)償離子。

在溶液中膠核表面的電荷通過靜電引力，將反號(hào)離子吸引在膠核的外圍,而反號(hào)離子由于熱運(yùn)動(dòng),總有遠(yuǎn)離膠核表面的趨勢,同時(shí)反號(hào)離子被吸附的力大小與離子的電荷數(shù)量成正比,與其距離的平方成反比。因此，膠核表面處的反號(hào)離子多而活性低，離膠核表面越遠(yuǎn)，反號(hào)離子越少而活性增大。根據(jù)補(bǔ)償離子的活性又可把補(bǔ)償離子層分為兩層：靠近膠核表面的決定電位離子層的補(bǔ)償離子被吸附得很緊，活性很小，難以解離，不起交換作用，故稱為非活性補(bǔ)償離子層。另一層距膠核表面較遠(yuǎn)，吸附的較松，有較大的活動(dòng)性，可以和周圍的離子交換，稱為擴(kuò)散層。擴(kuò)散層中的離子分布很不均勻。

非活性補(bǔ)償離子，被吸附得很牢固，它和微粒核決定電位離子層一個(gè)整體，故稱為膠粒。當(dāng)膠體和周圍環(huán)境起代換作用時(shí)，大都發(fā)生在膠粒表面，而不在膠粒內(nèi)部，故膠粒是起膠體作用的基本單位。

在雙電層的兩層電荷之間存在著電位差，電位的高低隨著離膠核表面距離的增加逐漸降低。由決定電位離子層到擴(kuò)散層外緣的電位差,

稱之為全電位(ζo),全電位的大小取決于膠核表面的電性質(zhì)(電荷數(shù)量和密度)。從膠粒(滑動(dòng)面)到溶液的電位差稱電動(dòng)電位(用ζ表示),電動(dòng)電位的大小受擴(kuò)散層厚度的制約，而擴(kuò)散層的厚度在一定濃度條件下，決定于補(bǔ)償離子的性質(zhì)，即受離子價(jià)數(shù)，離子半徑及水化程度等的制約。離子價(jià)數(shù)愈高，其水化半徑愈小，擴(kuò)散層愈薄。離子的水化程度越大，則水化半徑也越大，擴(kuò)散層也越厚。四、土壤膠體的基本性質(zhì)1．膠體的表面積和表面能

在固體物質(zhì)的破碎過程中,其總表面積和比表面是不斷增加的。所謂比表面是指單位質(zhì)量的物質(zhì)的表面積總和，即

比表面＝總面積

/質(zhì)量

土壤膠體的表面積很大，加之粘粒礦物的層狀結(jié)構(gòu)和腐殖質(zhì)的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)還有很大的內(nèi)表面積，可以吸附大量的養(yǎng)分離子。

各種膠體的比表面積膠體類型比表面積(m2·g-1)蒙脫石600～800伊利石50～200高嶺石1～40蛭

石

600～800水鋁英石70～300腐殖質(zhì)800～900不同土壤的膠體組成不同，土壤的比表面積也不同。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,則其比表面積就較小,如紅壤、磚紅壤。

隨著土壤膠體比表面積的增加，其表面能也發(fā)生很大的變化。表面能是指界面上的物質(zhì)分子(表面分子)所具有的多余的不飽和能量。土壤的物理吸附作用就是表面能作用的結(jié)果。與比表面成正相關(guān)因此，一般土壤質(zhì)地愈粘，其物理吸附作用愈強(qiáng)。隨著表面積和表面能的增加，土壤膠體的性質(zhì)如脹縮性、可塑性、粘性等明顯增強(qiáng)。

土壤的表面積、表面能、物理吸附作用是成正比的

土壤膠體的電荷永久電荷可變電荷

2、土壤膠體的帶電性3．土壤膠體的凝聚和分散

膠體有兩種存在狀態(tài)。一種是分散相均勻地分散在介質(zhì)中,稱溶膠;另一種是分散相在外因的作用下,相互凝結(jié)聚合在一起,稱為凝膠。溶膠和凝膠并不是永久不變的，在一定條件下，可以相互轉(zhuǎn)化。由溶膠變成凝膠的過程稱為膠體的凝聚；反之，由凝膠轉(zhuǎn)化為溶膠的過程，稱為膠體的分散。

兩種存在狀態(tài)：溶膠、凝膠

溶膠(分散相均勻地分散在介質(zhì)中)凝膠(分散相相互凝結(jié)聚合在一起)膠體的凝聚膠體的分散土壤膠體存在狀態(tài)主要受兩種力的作用。一是膠粒之間的靜電斥力，它使膠體分散，二是膠粒之間的分子引力，它使膠粒相互吸引呈凝聚的趨勢。這兩種力的大小都與膠粒之間的距離有關(guān)。在膠粒電荷和膠粒大小一定的情況下，隨著膠粒間距離的減小，引力可能超過斥力，使膠粒相互團(tuán)聚。影響膠粒靜電斥力大小的另一主要因素是膠粒凈電荷的數(shù)量，而靜電荷的數(shù)量則受補(bǔ)償作用的控制。不同陽離子的補(bǔ)償作用不同。

土壤中常見陽離子按其對(duì)膠體凝聚力的大小順序?yàn)椋?/p>

Fe3+

Al3+

（

H+）>Ca2+

Mg2+，H+

NH4+

K+

Na+

離子凝聚力的大小取決于：

其所帶相反電荷的數(shù)量和水化半徑的大小，溶液中的離子濃度

（1）膠粒間距離（2）膠粒靜電荷的數(shù)量和離子種類（3）溶液中的離子濃度影響膠體凝聚和分散的因素膠粒膠粒------------靜電斥力分子引力陽離子

土壤中的電解質(zhì)濃度是經(jīng)常變化的，如干濕交替、凍融作用以及各種農(nóng)業(yè)技術(shù)措施包括施肥、灌水、中耕、烤田等，都可使土壤溶液中的電解質(zhì)濃度發(fā)生變化，從而使膠體的狀態(tài)發(fā)生變化，或凝聚或分散。如施用石灰、可顯著增加土壤中Ca2+的濃度,從而促進(jìn)土壤膠體凝聚,形成良好的結(jié)構(gòu)。又如集中施用化肥，顯著提高局部土壤溶液的電解質(zhì)濃度，也可改變局部土壤膠體的狀態(tài)。

總之，土壤膠體的凝聚與分散，直接影響土壤的許多重要性質(zhì)，尤其是土壤的結(jié)構(gòu)、通透性和土壤耕性等。

五、土壤膠體組成（一）礦質(zhì)膠體1、層狀硅酸鹽粘土礦物硅氧四面體

硅氧四面體的構(gòu)造A、硅氧四面體：（SiO44-→Si2O52-→Si4O104-

）硅氧四面體由一個(gè)硅原子和四個(gè)氧原子組成，硅原子位于中央，氧原子占據(jù)四個(gè)頂點(diǎn)。鋁氧八面體由一個(gè)鋁原子和六個(gè)氧原子組成，鋁原子位于中央，氧原子占據(jù)八個(gè)頂點(diǎn)。B、鋁氧八面體

(AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44-)

鋁氧八面體

鋁氧八面體的構(gòu)造C、單位晶片硅氧四面體硅氧層鋁氧八面體水鋁層硅氧片水鋁片（1）1:1型：一層硅層與一層鋁層重疊而成

1:1型層狀硅酸鹽(高嶺石)晶體結(jié)構(gòu)

（2）2:1型：兩層硅層中間夾一鋁層2:1型層狀硅酸鹽（蒙脫石）晶體結(jié)構(gòu)

（3）2:1:1型：2:1型基礎(chǔ)上增加一鋁層2:1:1型層狀硅酸鹽（水云母）結(jié)構(gòu)2、含水鐵、鋁氧化物包括褐鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦、水鋁石、三水鋁石等晶質(zhì)或非晶質(zhì)物質(zhì)。當(dāng)土壤溶液的pH低于這些物質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí)，它們帶正電荷；當(dāng)土壤溶液的pH高于這些物質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí)，它們帶負(fù)電荷；（1）氧化鐵（土壤主要礦質(zhì)染色劑）

A、氧化鐵

a、針鐵礦(α-FeOOH)：晶體較大者為黃色，較小者為棕色，存在于濕潤土壤有較高氧化性的亞表層，銹紋銹斑，鐵結(jié)核。

b、赤鐵礦(α-Fe2O3)：紅色，存在于干燥的氧化性表土層及膠膜。c、纖鐵礦(γ-FeOOH)：棕橙色，存在于排水不良而富含有機(jī)質(zhì)土壤。d、磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)：暗紅棕色，存在于高度風(fēng)化且有機(jī)質(zhì)少的表土。

e、磁鐵礦（Fe3O4）：棕黑色，多存在于母質(zhì)中,有時(shí)與磁赤鐵礦共存。f、無定形鐵（Fe(OH)3）：棕色，膠膜，銹水。

3、氧化鋁

硅酸鹽礦物徹底分解產(chǎn)物，常見的有三水鋁石[Al2O3·3H2O，Al(OH)3]和粘土礦物濕熱強(qiáng)度風(fēng)化——脫硅富鋁化的指標(biāo)之一，我國北緯30度以南土壤（紅壤、磚紅壤等）中才出現(xiàn)?；◢弾r風(fēng)化土壤中較多。山地土壤中也有三水鋁石存在。無定形鐵鋁氧化物比表面大，包被土粒，改變表面性質(zhì)可吸附固定H2PO4-等陰離子，減低其有效性。（二）土壤有機(jī)膠體土壤有機(jī)膠體主要指腐殖質(zhì)，還有少量的木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、纖維素等。腐殖質(zhì)膠體含有多種官能團(tuán)，屬兩性膠體，但因等電點(diǎn)較低，所以在土壤中一般帶負(fù)電，膠體表面的基團(tuán)在pH升高時(shí)帶負(fù)電荷，pH降低時(shí)帶正電荷。它們不如無機(jī)膠體穩(wěn)定，較易被微生物分解。（三）有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體由有機(jī)膠體與無機(jī)膠體互相結(jié)合而形成的有機(jī)—無機(jī)復(fù)合體，其中主要是通過二、三價(jià)陽離子或官能團(tuán)與帶負(fù)電荷的粘粒礦物和腐殖質(zhì)的連接作用。在土壤中，有機(jī)膠體和無機(jī)膠很少獨(dú)立存在，大部分是以有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體的形式存在的。有機(jī)膠體主要以薄膜狀緊密覆蓋于粘粒礦物的表面上，還可能進(jìn)入粘粒礦物的晶層之間。土壤有機(jī)質(zhì)含量愈低，有機(jī)—無機(jī)復(fù)合度愈高，一般變動(dòng)范圍為50～90％。六、土壤膠體電荷的產(chǎn)生

這種作用產(chǎn)生于粘粒礦物形成時(shí),其硅氧片中的Si4+和水鋁片中的Al3+有時(shí)可被大小與其相近的電性相同的其他離子所代換。代換的結(jié)果,使得粘粒礦物晶層內(nèi)產(chǎn)生多余的電荷,由于土壤中多數(shù)的同晶代換是以低價(jià)代換高價(jià)的陽離子,故產(chǎn)生的主要是負(fù)電荷,但有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生正電荷。

1、同晶代換

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(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。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+由同晶代換產(chǎn)生的電荷一般不隨介質(zhì)pH的變化而變化,屬永久電荷,一般2∶1型的粘粒礦物如蒙脫石類、伊利石類的同晶代換產(chǎn)生的永久負(fù)電荷較多,而1∶1型的高嶺石類則較少。（2）礦物晶格斷鍵

礦物在風(fēng)化破碎的過程中，由于晶層的斷裂（即Si—O—O—Si斷裂后，斷面上留下Si—O-、Si—O-帶負(fù)電。)而出現(xiàn)未中和的電性而帶電。高嶺石主要是以這種方式產(chǎn)生的電荷，高嶺石＞伊利石＞蒙脫石。

（3）表面分子的解離

粘粒礦物的晶格表面的OH基,腐