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1、土壤胶体和土壤的交换性能土壤胶体和土壤的交换性能主要内容主要内容第一节第一节 土壤胶体概述土壤胶体概述第二节第二节 土壤阳离子交换土壤阳离子交换第三节第三节 土壤阴离子交换土壤阴离子交换第四节第四节 土壤离子吸收代换作用的意义土壤离子吸收代换作用的意义第五节第五节 土壤阳离子吸收与代换性的改良土壤阳离子吸收与代换性的改良1 1、粘土矿物、粘土矿物硅酸盐层硅酸盐层的基本构造单位：的基本构造单位：（1 1）硅氧四面体硅氧四面体 硅氧四面体硅氧四面体 形成的原因：形成的原因：一是硅具有正原子价，而氧具负原子价，一是硅具有正原子价，而氧具负原子价，二者可相互吸引。二者可相互吸引。二是与原子大小有关，四
2、个氧原子堆积成二是与原子大小有关，四个氧原子堆积成四面体时，其间所形成的空隙与硅原子四面体时，其间所形成的空隙与硅原子的大小基本相似。的大小基本相似。1 1、粘土矿物、粘土矿物硅酸盐层硅酸盐层的基本构的基本构造单位：造单位：（2）铝氧八面体铝氧八面体铝氧八面体是由六个氧原子围绕一个铝原铝氧八面体是由六个氧原子围绕一个铝原子构成。子构成。2、单位晶片（1）四面体片四面体片在水平方向上，四面体通过共用底部氧的在水平方向上，四面体通过共用底部氧的方式，在两维方向上无限延伸，排列成方式，在两维方向上无限延伸，排列成近似蜂窝状的四面体片。近似蜂窝状的四面体片。2、单位晶片（2）八面体片）八面体片八面体在
3、水平方向上，相邻的八面体通过八面体在水平方向上，相邻的八面体通过共用两个氧离子的方式，在平面两维方共用两个氧离子的方式，在平面两维方向上无限延伸，形成八面体片。向上无限延伸，形成八面体片。3、单位晶层、单位晶层硅片和铝片以不同的方式化合，形成层状硅片和铝片以不同的方式化合，形成层状铝硅酸盐的单位晶层。铝硅酸盐的单位晶层。由于硅片和铝片的配合比例不同，由于硅片和铝片的配合比例不同，分为分为1：1型矿物和型矿物和2：1型矿物型矿物或分为或分为二层矿物和三层矿物二层矿物和三层矿物。四、几种主要的土壤胶体及性质四、几种主要的土壤胶体及性质（一）高岭石（一）高岭石（kaolinite） 1、分布：是强烈
4、化学风化条件下的产物、分布：是强烈化学风化条件下的产物,B比较稳定，比较稳定，2、晶格构造：、晶格构造：是二层型（是二层型（1：1）粘土矿物，硅酸盐层之）粘土矿物，硅酸盐层之间由氢键连接，作用力很强，间隙小，间由氢键连接，作用力很强，间隙小，水分子或其他离子很难进入层间。水分子或其他离子很难进入层间。（一）高岭石（一）高岭石（kaolinite）1、高岭石（kaolinite）（一）高岭石（kaolinite）3、比表面积：、比表面积：（1）概念：）概念：是单位质量的固体物质与液体或气体之间，是单位质量的固体物质与液体或气体之间，全部界面积的总和。单位全部界面积的总和。单位m2/g（2）高岭石
5、比表面积：）高岭石比表面积： 较小，仅为较小，仅为30m2/g。只有只有外表面，没有内表面，无胀缩性外表面，没有内表面，无胀缩性.（一）高岭石（一）高岭石（kaolinite）4 4、带电性：、带电性：（1 1）带电原因：）带电原因：一部分电荷是晶格破裂产生的；一部分电荷是晶格破裂产生的；另外晶格表面的另外晶格表面的OHOH和和OHOH2 2在土壤呈强在土壤呈强碱性条件下，释放出氢质子，导致高碱性条件下，释放出氢质子，导致高岭石带负电荷。这种电荷称可变电荷。岭石带负电荷。这种电荷称可变电荷。（2 2）带电量的多少）带电量的多少高岭石所带电荷数量较少。高岭石所带电荷数量较少。（二）伊利石（二）伊
6、利石1、分布：主要分布在干旱半干旱地区。、分布：主要分布在干旱半干旱地区。2、晶格构造：、晶格构造：属三层型（属三层型（2：1）粘土矿物，硅酸盐层间）粘土矿物，硅酸盐层间由钾离子连接，晶格距离比较稳定。由钾离子连接，晶格距离比较稳定。（二）伊利石二）伊利石3、比表面积：、比表面积：晶格的边缘具有胀缩性，比表面积为晶格的边缘具有胀缩性，比表面积为100m2/g，其中的外表面小，内表面比大；，其中的外表面小，内表面比大；4、带电性：、带电性：伊利石带有的电荷是由伊利石带有的电荷是由同晶代换同晶代换产生的。产生的。其中有一部分负电荷被钾离子中和，伊利其中有一部分负电荷被钾离子中和，伊利石的带电量比高
7、岭石多。石的带电量比高岭石多。同晶代换同晶代换在粘土矿物晶格的形成过程中，部分晶格在粘土矿物晶格的形成过程中，部分晶格中的中央离子，被其它价数的阳离子取中的中央离子，被其它价数的阳离子取代。代。如四面体中央的如四面体中央的Si4+被被Al 3+代替，八代替，八面体中央的面体中央的Al 3+被被Mg 2+代替，就产生了代替，就产生了剩余的负电荷剩余的负电荷。所产生的负电荷位于硅酸盐层的晶格中，所产生的负电荷位于硅酸盐层的晶格中，不受外界溶液的影响，称为永久电荷或不受外界溶液的影响，称为永久电荷或层电荷。层电荷。（三）蒙脱石（三）蒙脱石1、分布：主要分布在干旱和半干旱地区、分布：主要分布在干旱和半
8、干旱地区的土壤中。的土壤中。2、晶格构造：属三层型（、晶格构造：属三层型（2：1）粘土矿）粘土矿物，硅酸盐层之间由钙离子和镁离子物，硅酸盐层之间由钙离子和镁离子连接。连接。3、比表面积：硅酸盐层之间全部胀缩性，、比表面积：硅酸盐层之间全部胀缩性，内表面积非常大，比表面积为内表面积非常大，比表面积为800 m2/g；4、带电性：带有的电荷是由同晶代换产、带电性：带有的电荷是由同晶代换产生的，带电量比伊利石多。生的，带电量比伊利石多。(四）四）含水氧化物含水氧化物1、含水氧化物的种类：、含水氧化物的种类：包括非晶质的硅酸和含水氧化铁或氧化铝。包括非晶质的硅酸和含水氧化铁或氧化铝。2、硅酸的带电性：
9、、硅酸的带电性：非晶质的硅酸是各种铝硅酸盐经过化学风非晶质的硅酸是各种铝硅酸盐经过化学风化过程的最后产物，其所带电荷是由化过程的最后产物，其所带电荷是由H+解离产生的。解离产生的。这种解离只有在碱性范围内才能达到较大这种解离只有在碱性范围内才能达到较大程度的解离。程度的解离。(四）四）含水氧化物含水氧化物3、含水氧化铁或氧化铝的种类、含水氧化铁或氧化铝的种类有褐铁矿、赤铁矿、针铁矿、水铝石和三水有褐铁矿、赤铁矿、针铁矿、水铝石和三水铝石。铝石。它们均属两性胶体，所带电荷随它们均属两性胶体，所带电荷随pH值变化值变化有很大不同，在溶液偏酸时，解离出有很大不同，在溶液偏酸时，解离出OH，成为，成为
10、(OH)2+带正电。带正电。在溶液偏碱时，解离出在溶液偏碱时，解离出H+，成为，成为(OH)2O带带负电。负电。（五）腐殖质胶体（五）腐殖质胶体1、结构：、结构： 高分子有机化合物，呈球形，高分子有机化合物，呈球形，具三维空间的网状结构。具三维空间的网状结构。2、带电性：负电荷主要是由羧基和酚羟基、带电性：负电荷主要是由羧基和酚羟基解离的氢离子引起，与解离的氢离子引起，与pH相关；相关；3、腐殖质胶体中的、腐殖质胶体中的NH2可接受氢离子，导可接受氢离子，导致腐殖质胶体带正电荷。致腐殖质胶体带正电荷。胡敏酸结构富里酸结构第二节第二节 土壤阳离子交换土壤阳离子交换一、土壤阳离子交换过程：一、土壤
11、阳离子交换过程：1、概念：土壤胶体吸附阳离子，在一定条件下，、概念：土壤胶体吸附阳离子，在一定条件下，与土壤溶液中的阳离子发生交换，这就是土与土壤溶液中的阳离子发生交换，这就是土壤阳离子的交换过程。壤阳离子的交换过程。能够参与交换过程的阳离子，就成为交换性阳能够参与交换过程的阳离子，就成为交换性阳离子。离子。土壤阳离子交换过程土壤阳离子交换过程一、土壤阳离子交换过程：一、土壤阳离子交换过程：2、特点：、特点： 第一，是可逆反应。任何一方的反应都第一，是可逆反应。任何一方的反应都不能进行到底，只有不断排除生成物，不能进行到底，只有不断排除生成物，并反复浸提，才能把胶体表面上的钙离并反复浸提，才能
12、把胶体表面上的钙离子和钾离子全部交换出来；子和钾离子全部交换出来；第二，阳离子交换作用按等摩尔进行，即第二，阳离子交换作用按等摩尔进行，即20克钙离子可以和克钙离子可以和39.1克钾离子交换克钾离子交换；一、土壤阳离子交换过程：一、土壤阳离子交换过程：第三，交换受温度影响较小，而与交换点第三，交换受温度影响较小，而与交换点位置直接相关：位置直接相关：外表面上的交换可瞬时发生，一小时内达外表面上的交换可瞬时发生，一小时内达到平衡；到平衡；内表面上的交换需要很长时间才能达到平内表面上的交换需要很长时间才能达到平衡，因为离子在到达交换点前需要在晶衡，因为离子在到达交换点前需要在晶层间隙中运动，受离子
13、扩散规律制约，层间隙中运动，受离子扩散规律制约，所以往往需要很长时间才能达到平衡。所以往往需要很长时间才能达到平衡。二、土壤阳离子交换量二、土壤阳离子交换量（Cation Exchange Capacity）CEC 1、定义：、定义：在一定在一定pH值时，每千克土壤中所含有的全值时，每千克土壤中所含有的全部交换性阳离子的厘摩尔数。部交换性阳离子的厘摩尔数。单位：单位：cmol/kg 。与旧单位。与旧单位me/100g土等量土等量换算换算 二、土壤阳离子交换量二、土壤阳离子交换量2、意义：、意义： 土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指标。标。一般认为：一般认为
14、： 小于小于10 cmol/kg，保肥力弱；，保肥力弱； 1020 cmol/kg，保肥力中等；，保肥力中等； 大于大于20 cmol/kg，保肥力强。，保肥力强。三、影响土壤阳离子交换量的因素三、影响土壤阳离子交换量的因素1、土壤质地、土壤质地 的影响的影响 土壤质地愈粘，土壤的交换量也就愈大。土壤质地愈粘，土壤的交换量也就愈大。一般：一般：土壤质地土壤质地 砂土砂土 轻壤土轻壤土 中、重壤土中、重壤土 粘土粘土交换量交换量cmol/kg 12 78 1518 2530三、影响土壤阳离子交换量的因素三、影响土壤阳离子交换量的因素 2、腐殖质含量、腐殖质含量 腐殖质含量越高，阳离子交换量越大。
15、腐殖质含量越高，阳离子交换量越大。 腐殖质易带负电荷，腐殖质胶体具有极大腐殖质易带负电荷，腐殖质胶体具有极大的比表面积，交换量为的比表面积，交换量为200500cmol/kg。3、无机胶体种类、无机胶体种类 高岭石（高岭石（6 cmol/kg）、）、伊利石（伊利石（30 mol/kg）、）、蒙脱石（蒙脱石（100 cmol/kg）三、影响土壤阳离子交换量的因素三、影响土壤阳离子交换量的因素4、土壤的酸碱性、土壤的酸碱性可变的负电荷，是由可变的负电荷，是由pH的增加而增加的。的增加而增加的。含腐殖质多的土壤，交换量受含腐殖质多的土壤，交换量受pH影响显影响显著，当著，当pH值从值从2.5上升到上
16、升到8.0时，交换量时，交换量从从65 cmol/kg上升到上升到345 cmol/kg 。另外高岭石、铁铝的含水氧化物所带电荷另外高岭石、铁铝的含水氧化物所带电荷也受酸碱环境的影响。也受酸碱环境的影响。四、土壤盐基饱和度四、土壤盐基饱和度1、盐基饱和度：土壤胶体上的交换性盐基离、盐基饱和度：土壤胶体上的交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分比。子占交换性阳离子总量的百分比。 土壤交换性阳离子可分为二类：土壤交换性阳离子可分为二类：致酸离子（致酸离子（H+、Al3+）和盐基离子）和盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等等)。盐基离子为植物所需的速效养分盐基离子为植物所需的速效养分。四、土
17、壤盐基饱和度四、土壤盐基饱和度2、盐基饱和度的意义：、盐基饱和度的意义：真正反映土壤有效速效养分含量的大小。若阳离子真正反映土壤有效速效养分含量的大小。若阳离子总量大，而盐基饱和度偏小，土壤中养分状况？总量大，而盐基饱和度偏小，土壤中养分状况？盐基饱和度盐基饱和度80%的土壤，一般是很肥沃的；的土壤，一般是很肥沃的；盐基饱和度盐基饱和度50%80%的土壤，为中等肥力水平。的土壤，为中等肥力水平。盐基饱和度盐基饱和度钾离子钾离子镁离子镁离子钙离子钙离子氢离子氢离子铝离子；铝离子；五、影响交换性阳离子有效性的因素五、影响交换性阳离子有效性的因素3、无机胶体的种类：、无机胶体的种类：在饱和度相同的前
18、提下，各种离子在无机胶体在饱和度相同的前提下，各种离子在无机胶体上的有效性：上的有效性：高岭石大于蒙脱石大于伊利石；高岭石大于蒙脱石大于伊利石；4、离子半径与晶格网状孔穴大小的关系。、离子半径与晶格网状孔穴大小的关系。离子大小与孔径相近，从而降低了有效性。离子大小与孔径相近，从而降低了有效性。如：孔穴半径为如：孔穴半径为1.4埃，钾离子的半径为埃，钾离子的半径为1.33埃，埃，铵离子的半径为铵离子的半径为1.42埃，则有效性较低。埃，则有效性较低。第三节 土壤胶体对阴离子的吸附一、土壤吸收阴离子的原因一、土壤吸收阴离子的原因1、两性胶体带正电荷、两性胶体带正电荷酸性酸性 Al(OH)3 +HC
19、l= Al(OH)2+Cl-+H2O碱性碱性Al(OH)3 +NaOH= Al(OH)2O-+Na+H2O2、土壤腐殖质中的、土壤腐殖质中的NH2 在酸性条件下在酸性条件下吸收吸收H+ 成为成为NH3+ 而带正电。而带正电。二、土壤中各种阴离子的吸附方式二、土壤中各种阴离子的吸附方式 1、表面吸附、表面吸附氯离子和硝酸根离子通过静电引力作用，被氯离子和硝酸根离子通过静电引力作用，被土壤胶体所吸附，但结合得比较疏松，可土壤胶体所吸附，但结合得比较疏松，可以和其它的阴离子互相交换。以和其它的阴离子互相交换。2、镶嵌吸附：对磷酸盐、钼酸盐和硅酸盐与、镶嵌吸附：对磷酸盐、钼酸盐和硅酸盐与土壤胶体表面的
20、铁和铝是通过氧桥相结合。土壤胶体表面的铁和铝是通过氧桥相结合。这种结合是很牢固的。这种结合是很牢固的。二、土壤中各种阴离子的吸附方式二、土壤中各种阴离子的吸附方式根据阴离子吸收的特点，在施肥时，应采根据阴离子吸收的特点，在施肥时，应采取相应措施，磷肥施用时应防止固定，取相应措施，磷肥施用时应防止固定，硝酸态氮肥应防止流失硝酸态氮肥应防止流失。 第四节 离子吸收代换作用的意义离子吸收代换作用的意义 一、使土壤具有保持和供应养分的能力一、使土壤具有保持和供应养分的能力 离子态的养分，在土壤胶体的离子代换作用下，离子态的养分，在土壤胶体的离子代换作用下，保持在土壤中，这就是土壤的保肥性。保持在土壤中
21、，这就是土壤的保肥性。被土壤胶体吸收的离子与土壤溶液间的离子能进行被土壤胶体吸收的离子与土壤溶液间的离子能进行可逆性交换，植物可随时从土壤中得到养分，可逆性交换，植物可随时从土壤中得到养分，这就是土壤的供肥性。这就是土壤的供肥性。土壤如具有较高的离子代换吸收量，土壤也就具备土壤如具有较高的离子代换吸收量，土壤也就具备了较好的养分保持与供应能力。了较好的养分保持与供应能力。二、调节土壤的物理状况二、调节土壤的物理状况 土壤胶粒之间的凝聚作用，是土壤具有结土壤胶粒之间的凝聚作用，是土壤具有结构的根本原因，构的根本原因，当土壤胶体表面吸收大量钠离子时，促使当土壤胶体表面吸收大量钠离子时，促使胶粒分散
22、。而当土壤胶体吸附钙后，胶胶粒分散。而当土壤胶体吸附钙后，胶粒易于凝聚，形成土壤结构体。粒易于凝聚，形成土壤结构体。在碱性土壤上施石膏，可改良土壤的不良在碱性土壤上施石膏，可改良土壤的不良性状性状。第四节第四节 离子吸收代换作用的意义离子吸收代换作用的意义第五节第五节 土壤阳离子吸收与代换性的改良土壤阳离子吸收与代换性的改良一、提高阳离子代换量一、提高阳离子代换量1、增加矿质胶体、增加矿质胶体 在北方地区质地粗的土壤中，应增加阳离在北方地区质地粗的土壤中，应增加阳离子代换量高的粘土。子代换量高的粘土。 南方地区土壤以高岭石为主，代换量低，应南方地区土壤以高岭石为主，代换量低，应增加富含蒙脱石、
23、蛭石的土壤。增加富含蒙脱石、蛭石的土壤。 蛭石是云母类矿物脱钾后形成的，在北方土蛭石是云母类矿物脱钾后形成的，在北方土壤中含量高，化学成分变化大，与蒙脱石壤中含量高，化学成分变化大，与蒙脱石的区别是层间连接比较紧。的区别是层间连接比较紧。第五节第五节 土壤阳离子吸收与代换性的改良土壤阳离子吸收与代换性的改良n2、增加有机胶体、增加有机胶体 有机胶体的代换量（有机胶体的代换量（200500cmol/kg)是矿质是矿质胶体的若干倍胶体的若干倍 。对任何土壤来说，增加腐殖质，可提高阳离子代对任何土壤来说，增加腐殖质，可提高阳离子代换量。换量。每增加每增加1%腐殖质，可提高腐殖质，可提高12cmol/
24、kg的交换量。的交换量。n3、适当提高土壤、适当提高土壤pH。 碱性条件有利于氢离子解离，阳离子代换量也碱性条件有利于氢离子解离，阳离子代换量也提高。对酸性土壤来说，完全可行。提高。对酸性土壤来说，完全可行。 第五节第五节 土壤阳离子吸收与代换性的改良土壤阳离子吸收与代换性的改良二、改善代换性阳离子组成二、改善代换性阳离子组成 肥沃土壤的代换性阳离子组成应以钙、肥沃土壤的代换性阳离子组成应以钙、镁为主，其次为钾和钠。镁为主，其次为钾和钠。 如氢、铝占优势，就成强酸性土壤，盐基如氢、铝占优势，就成强酸性土壤，盐基饱和度低，肥力低。饱和度低，肥力低。如钠比例高，呈强碱性土壤。如钠比例高，呈强碱性土壤。72 结束语结束语