第五章 土壤胶体与土壤吸收性能

第五章第五章

土壤胶体与土壤吸收性能土壤胶体与土壤吸收性能

土壤吸收性能类型 • 机械吸收性 指土壤对物体的机械阻留• 物理吸收性 指土壤对分子态物质的保持能力• 化学吸收性 指易溶性盐在土壤中转变为难溶性盐而沉淀保存在土壤中的过程

• 物理化学吸收性 指土壤对可溶性物质中离子态养 分的保持能力

• 生物吸收性 指土壤中植物根系和微生物对营养物质的吸收

土壤胶体

•土壤中最细微的颗粒•胶体颗粒的直径一般在 1-100nm（长、宽、高三个方向上，至少有一个方向在此范围内）

土壤胶体的种类 •无机胶体 ① 含水氧化硅胶体 ② 含水氧化铁、氧化铝胶体 ③ 层 状 硅 酸 盐(phyllosilicate,layer silicate)矿物

•有机胶体•有 机 无 机 复 合 体 （ organo-mineral complex）

层状硅酸盐结构

• 硅氧片和硅四面体 硅氧片是由硅四面体连接而成，一个硅四面体是由四个氧

原子和一个硅原子所组成。• 铝氧片与铝八面体 铝氧片由铝八面体连接而成，铝八面体为六个氧原子围绕一个铝原子而构成铝八面体。

•硅四面体 铝氧八面体

• 1:1型矿物• 2:1型矿物 胀缩型 非胀缩型

• （晶层构造、膨胀性、电荷及胶体特性）

土壤胶体的构造

胶体微粒

胶粒 胶核

双电层决定电位离子层（内） 补偿离子层（外）

非活性离子层 扩散层

土壤胶体的特性 • 土壤胶体比表面和表面能• 土壤胶体电荷•土壤胶体有凝聚和分散的作用

土壤胶体的表面积土壤中常见粘土矿物的比表面积（ m2·g-1）

胶体成分 内表面积 外表面积 总表面积

蒙脱石 蛭 石

水云母高岭石埃洛石

水化埃洛石水铝英石

700-750400-750

0-500

400130-400

15-1501-50

90-1505-40

10-4525-30

130-400

700-850400-80090-1505-40

10-45430

260-800

土壤胶体的比表面和表面积

土壤表面电荷和电位 土壤电荷的起因和种类

1、永久电荷 (permanent charge)*** 永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。 2、可变电荷 (variable charge)***

随 pH 的变化而变化的土壤电荷，这种电荷 称为可变电荷。 零点电荷：如果在某个 pH值时，粘土矿物表面上即不带正电荷，也不带负电荷，其表面电荷等于零，此时的 pH值称为零点电荷（ ZPC）。

可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团 的解离：

A. 含水氧化硅的解离

B. 粘粒矿物的晶面上的 OH和 H的解离

C. 腐殖质上某些官能团的解离

D. 含水氧化和水铝石表面的分子中 OH 的解离； pH< 3.2

  从上述四种情况来看，土壤胶体所带的电荷数量和性质与介质的 pH值有密切关系。

***影响土壤电荷数量的因素主要有：

C. pH 值 主要影响可变电荷的数量。

B. 土壤胶体的种类 土壤质地完全相同的两种土壤，它们所带的电荷数量可以完全不同。这是有胶体类型不同所致。

A. 质地一般来说，土壤的质地越粘，土粒越细，其电荷总量也越多。所以粘土的电荷数量要比壤土类和砂土类高得多。

阳离子交换作用 *** 在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种能相互交换的阳离子叫做交换性阳离子，而把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为阳离子交换作用 ***。

阳离子交换

阳离子交换作用特点

a、可逆反应b 、反应迅速c、等量交换

阳离子交换能力

•阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换出来的能力。各种阳离子交换能力大小的顺序为：

• Fe3+＞ Al3+＞ H+＞ Ca2+＞ Mg2+＞NH4

+＞ K+＞ Na+

影响阳离子交换能力的因素有：

a 、电荷的数量b 、离子半径和离子水化半径， H+的交换力比两价的 Ca2+、 Mg2+离子大。 -

c、离子浓度

离子半径与吸附力

一价离子 Li+ Na+ K+ NH+4 Rb+

离子的真实半径(nm)

0.078 0.098 0.133 0.143 0.149

离子的水合半径(nm)

1.008 0.790 0.537 0.532 0.509

强

弱

阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标。它直接反应土壤可以提供速效养分的数量，也能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小。

CEC <10 10-20 >20

*** 土壤阳离子交换量 (cation exchange capacity)-CEC

是指土壤溶液为中性（ pH = 7）时，每千 克土所含 的全部交换性阳离子的厘摩尔数称为

土壤的阳离子交换量。（ CEC ： cmol(+)kg-

1 ）

保肥能力 低 中 高

***影响土壤阳离子交换量的因素有：（ 1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳离子交换量也越大。

（ 2）有机质 OM % CEC

（ 3）胶体的性质及构造

蒙脱石 ＞ 高岭石

（ 4） pH值 在一般情况下，随着 pH的升高，土壤的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。

质地 砂土 砂壤土 壤土 粘土

CEC 1~5 7~8 15~18 25~30

不同类型土壤胶体的阳离子交换量

土壤胶体

CEC[cmol(+).kg-1]

腐殖质

蛭 石蒙脱石伊利石高岭石倍半氧化物

200

100-15070-9510-403-152-4

盐基离子与盐基饱和度

盐基离子与致酸离子 ***

在土壤里，被胶体吸附着的阳离子，可以分为两类：

第一类是氢离子和铝离子，它们是致酸离子，与土壤的酸度有密切关系。

第二类是其他的一些金属离子，如Ca+2、 Mg+2、 K+、 NH4

+……等，在古典化学上，它们都称为盐基离子。

盐基饱和度 (base saturation percentage)BSP

在土壤胶体所吸附的阳离子中，盐基离子的数量占所有吸附的阳离子的百分比，叫盐基饱和度***。盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应；

而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；

100%

交换性离子的有效度 **影响交换离子有效度的因素主

要有： （ 1）阳离子饱和度 离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效度就越大 （ 2）土壤中的互补离子效应 （ 4）由交换性离子变为非交换性离子的有效度问题

互补离子与交换性钙的有效性 土壤

交换性阳离子

组成

小麦幼苗干重 (g)

小麦幼苗吸钙量 (mg)

ABC

40%Ca+60%H

40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na

2.802.792.34

11.157.834.36

在土壤胶体上各种交换性盐 基离子之间的相—互影响的作用 互补离子效应（陪伴离子效应）

土壤胶体对阴离子的吸附与交换（一）土壤吸附的阴离子

土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三类：1 ．易被吸附的阴离子 最重要是：

H2PO4- HPO4

2- PO43-

HSiO3- SiO3

2- C2O42-

2．吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子

Cl- NO3- NO2

-

3．中间类型的离子：

SO42- CO3

2-

各种阴离子被土壤吸收的次序如下：F- > 草酸根 > 柠檬酸根 > H2PO4

- > HCO3- > HBO3

- > SO42- > Cl -

> NO3-

阴离子的负吸附

所谓阴离子的负吸附，是指距带负电荷的胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。

负吸附现象也受土壤特性影响，其它条件相同，则负吸附现象随着土壤胶体的数量和阳离子代换量的增加而增加。但随陪伴阳离子价数的增加而减少，不同的粘粒矿物对负吸附的影响也不同，他们递减的次序为：

蒙脱石 ＞ 伊利石 ＞ 高岭石

这种情况也可归因于胶体负电荷数量不同的缘故。

带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子的排斥作用愈强，负吸附作用愈明显。

阴离子专性吸附

阴离子专性吸附是指阴离子进入粘土矿物或氧化物表面的金属原子的配位壳中，与配位壳中的羟基或水合基重新配位，并直接通过共价键或配位键结合在固体的表面。这种吸附发生在胶体双电层的内层，也称为配位体交换吸附。

产生专性吸附的阴离子有 F-离子以及磷酸根、硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根离子。

如：磷酸根在氧化铁表面的专性吸附