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1、会计学1土壤胶体和土壤离子交换文档土壤胶体和土壤离子交换文档l 土壤胶体的构造和性质l 土壤胶体的类型l 土壤阳离子交换作用l 土壤阴离子交换作用内容提要第1页/共91页胶体的概念胶体是物质存在的一种状态，是一种分散体系。一种物质分散在另一种物质中所形成的体系，称为分散体系或分散系。根据分散体系中被分散的物质（分散相）的大小，可把分散系分为：粗分散系、胶体分散系和分子、离子分散系。何为分散体系？第2页/共91页一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、高三向中一个方向的长度）在1-100纳米范围内的分散系称胶体分散系。其颗粒大小介于粗分散系和分子、离子分散系之间。胶体分散系第3页/共91页第4
2、页/共91页第一节 土壤胶体的构造和性质第5页/共91页一、土壤胶体的概念颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽、高三向中一个方向的长度）在1100nm范围内的带电的土壤颗粒与土壤水组成的分散系。注：通常情况下，直径小于2m（或1m）的土粒便具有胶体的性质，因而被视为土壤胶体颗粒。土壤胶体的结构和性质第6页/共91页二、土壤胶体的构造胶核双电层决定电位离子层补偿离子层非活性补偿离子层扩散层胶粒胶团_+_+土壤胶体的结构和性质第7页/共91页土壤胶体构造示意图土壤胶体的结构和性质第8页/共91页这是胶体的固体部分,土壤中胶核一般由含水SiO2,Fe2O3,Al2O3、次生铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质等分子
3、团分子组成。(一)胶核土壤胶体的结构和性质第9页/共91页由于内层电荷的静电引力的作用,吸附土壤溶液中相反的离子而形成的:非活性离子层和扩散层（发生离子交换）。(二)双电层1、决定电位离子层(内层)是固定在胶核表面,并决定其电荷和电位的一层离子。2、补偿离子层(外层)土壤胶体的结构和性质第10页/共91页注意：把土壤胶粒完全理解为球形构造，显然是错误的。现代土壤学的研究说明，只有土壤有机胶粒，或无定形的氢氧化铁、氢氧化铝、含水氧化硅和水铝英石等矿质胶粒可以认为近似圆球形构造。而土壤中大多数矿质胶粒，例如层状硅酸盐类粘土矿物通过X-射线和电子显微镜的研究，已经明确是层状构造.土壤胶体的结构和性质
4、第11页/共91页层状黏土矿物胶体的构造示意图土壤胶体的结构和性质第12页/共91页三、土壤胶体的性质1.巨大的比表面积和表面能 单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积或比面，单位为cm2g-1或cm2cm-3。物体分割得愈细小，单体数愈多，总面积愈大，比面也愈大。土壤胶体的结构和性质第13页/共91页1 cm3物质表面积随分散度变化的情况立方体边长立方体边长（cm）立方体数立方体数目目总表面积总表面积比表面积比表面积（cm2cm-3）116cm260.110360cm26100.01106600cm261020.0011096000cm261030.000110126m261040.000
5、01101560m261050.0000011018600m261060.000000110216000m26107土壤胶体的结构和性质第14页/共91页各粒径土粒的比面土粒土粒（粒径（粒径mm）比表面积比表面积（cm2g-1）土粒土粒（粒径（粒径mm）比表面积比表面积（cm2g-1）粗砂粒（粗砂粒（1）22.6粘粒粘粒（0.0005）500nm45,200中砂粒（中砂粒（0.1）226胶粒胶粒（0.0001）100nm226,000细砂粒（细砂粒（0.01）2,260胶粒胶粒（0.00005）50nm452,000粘粒（粘粒（0.001）22,600胶粒胶粒（0.00001）10nm2,26
6、0,000很显然,土粒越细比表面越大,土壤中颗粒的形状多种多样.只有砂粒近似球形,但其表面大多不平,大部分粘粒多为片状,棒状,针状,实际上胶体的表面积比光滑的球体大得多。由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的表面能。土壤胶体的结构和性质第15页/共91页 2.土壤胶体的带电性 由于胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子,使胶粒带电.土壤中所有胶粒都是带电的（胶体的基本条件），这是土壤产生离子吸附和交换、离子扩散、酸碱平衡、氧化还原反应以及胶体的分散与絮凝等现象的根本原因，而这些反应都直接或间接关系到土壤的水、肥、气、热性质。因此，土壤胶体的带电性对土壤肥力性质有重要影响。土壤胶体的结构和性质
7、第16页/共91页(1)同晶异质代换作用层状铝硅酸盐粘土矿物在形成时，中心离子可以被其它相近或稍大的同性离子代换而产生电荷，但矿物的结晶构造型式不变。如Al3+代Si4+或Fe2+代Al3+等,这样晶体中就产生了剩余负电荷,这种电荷一旦产生,就不能改变,故称永久电荷。土壤胶体电荷的来源指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子替代而晶格构造保持不变的现象。土壤胶体的结构和性质第17页/共91页四面体中的硅可被铝代换Si4+Al3+八面体中的铝可被铁、镁代换Al3+Fe2+或Mg2+土壤胶体的结构和性质第18页/共91页(2)晶格破碎边缘的断键在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有一部
8、分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。例如晶格在硅层或铝层截面上断裂，SiOSi，AlOAl在断裂后，断面上留下SiO-、AlO-，从而带负电。土壤胶体的结构和性质第19页/共91页(3)胶体表面分子的解离胶核表面的分子或原子团的解离,这种电荷的数量和性质随介质的pH而改变,故称可变电荷。l黏土矿物晶面上-OH的解离l含水铁、铝氧化物的解离（Al2O33H2O)l腐殖质上某些官能团的解离（如-COOH）l含水氧化硅的解离来源土壤胶体的结构和性质第20页/共91页结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着OH原子团，在一定条件下：l当H+解离后，则使胶核带负电，如H2SiO3和层状硅铝酸盐粘土矿物
9、中解离H+后使胶核带负电。l当OH-发生解离时，则胶核带正电，如Fe(OH)3或Al(OH)3中的OH-解离后则带正电。这种作用与普通酸碱解离相似，受溶液的pH影响，因此称为可变电荷。a.黏土矿物晶面上-OH的解离土壤胶体的结构和性质第21页/共91页Al(OH)3+NaOH Al(OH)2O-+Na+H2O 胶核中的分子带负电荷的胶体核粒Al(OH)3+HCl Al(OH)2+Cl-+H2O 胶核中的分子带正电荷的胶体核粒如Al（OH）3在碱性环境中的解离：如Al（OH）3在酸性环境中的解离：Fe(OH)3或Al(OH)3解离H+而成为带负电的胶体，还是解离OH-而成为带正电的胶体主要取决于
10、溶液的pH值。土壤胶体的结构和性质第22页/共91页层状硅酸盐晶层上的-OH基可以解离出H+，带负电:结晶体-OH-OH-OH结晶体-OH-OH-OH+3H+土壤胶体的结构和性质第23页/共91页当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的正负电荷相等时，此时胶体悬液的pH值称为等电点(isoelectricpoint)。在土壤pH5-8的条件下，大多数土壤胶体的等电点低于这个范围，因此，对于土壤胶体来讲，pH5-8相当于在碱性环境下，此时，腐殖质和铝硅酸盐等胶体都带负电，表现为对阳离子的吸附，只有Fe(OH)3和Al(OH)3带正电，吸附阴离子。故土壤胶体在通常情况下以带负电为主。土壤胶体
11、为什么一般带负电?土壤胶体的结构和性质第24页/共91页如三水铝石的pH0值为4.8。当土壤pH低于pH0值时:（相当于酸性环境）Al2O33H2O2Al(OH)2+2OH-当土壤pH高于pH0值时:（相当于碱性环境）Al2O33H2O2Al(OH)2O-+2OH-b.含水氧化铁、氧化铝的解离土壤胶体的结构和性质第25页/共91页 高pH条件下：-COOH H+COO-OH H+-O-低pH条件下：-NH2 -NH3+c.腐殖质上某些原子团的解离土壤胶体的结构和性质第26页/共91页d.含水氧化硅的解离SiO2H2O（或H2SiO3）的pH0值为2，在土壤中一般不产生正电荷，所带负电荷的量随土
12、壤pH值的升高而增加。H2SiO3 HSiO3-+H+（带正电）SiO3-+H+土壤胶体的结构和性质第27页/共91页3.土壤胶体的分散性和凝聚性 胶体的两种状态溶胶凝胶胶体微粒均匀分散在水中，呈高度分散状态胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状凝聚作用分散作用胶体的凝聚或分散决定于动电电位的高低：越高，排斥力愈强，溶胶状态。越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶状态。土壤胶体由于大多带有负电荷，相互具有负电位，而互相排斥，不易凝聚。土壤胶体的结构和性质第28页/共91页l电解质的浓度愈大，愈能有效地中和异电胶体的电性，愈能减小扩散层厚度，使胶粒凝聚。l电解质中异电离子的价数愈高，聚沉能力愈大，三价离子
13、大于二价离子，二价离子大于一价离子；l同价离子中，凝聚力大小与本身半径和水化半径有关，凡离子本身半径大或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则小。电解质阳离子的凝聚力大小顺序为：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+H+NH4+K+Na+电解质对胶体的凝聚作用受以下因素的影响：土壤胶体的结构和性质第29页/共91页0.5m粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度电解质名称电解质名称开始凝聚时的浓度开始凝聚时的浓度（molL-1）电解质名称电解质名称开始凝聚时的浓度开始凝聚时的浓度（molL-1）NaCl0.02500.0125CaCl20.00060.00025NH4Cl0.02500.0125AlCl30.0
14、00042KCl0.02500.0125FeCl30.000042MgCl20.00060.00025HCl0.0010.0005注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可逆的。阳离子这种凝聚作用的可逆和不可逆，与土壤结构的稳定性有关，钙离子和腐殖质胶结的结构具有水稳性，而钠离子胶结的不具水稳性。土壤胶体的结构和性质第30页/共91页凝聚作用强，利于胶体互相凝聚形成结构（团粒结构）。农业上促进土壤团粒结构形成措施的理论解释：l土壤干燥、冻结过程中，水膜消失，也就加大了电解质浓度，减小扩散层厚度，使胶粒互相凝聚而形成结构。生产上晒垡、冻垡等措施也就起了这个作用，所以晒、冻垡有利于土壤形成结构；
15、相反，土壤水分过多，土壤溶液电解质浓度相应减小，扩散层加厚，胶粒互相排斥而成溶胶状。l常年泡水的沤水田、烂泥田，土粒分散，缺少结构，通气性差，栽秧后易产生浮秧，就是因为胶粒分散，土壤不沉实。这种情况下，施用石灰（CaO）、石膏（CaSO4），增加Ca2+浓度，对沉实土壤，改良土性，有明显效果。在生产上的意义土壤胶体的结构和性质第31页/共91页由于胶体的巨大表面能，使其对周围分子或离子有很强的吸附力，同样胶体的电性使其扩散层的离子与土壤溶液中的离子有交换能力。4.土壤胶体的吸附性和交换能力土壤胶体的结构和性质第32页/共91页第二节 土壤胶体的类型第33页/共91页一、无机胶体土壤胶体的类型含
16、水氧化铁含水氧化铝含水氧化硅次生铝硅酸盐类（即粘土矿物）主要包括：第34页/共91页SiO2.H2OH2SiO3 带负电H2SiO3 H+HSiO3-H+SiO32-1.含水氧化硅胶体：（游离态无定型）注：土壤反应越偏碱性，硅酸的解离度也越大，所带的负电荷也越多。土壤胶体的类型第35页/共91页 此类胶体包括褐铁矿（2Fe2O33H2O）、水赤铁矿（3Fe2O3H2O）、针铁矿（Fe2O3H2O）、水铝矿（Al2O3H2O）、三水铝矿（Al2O33H2O）等晶质矿物和氢氧化铁Fe(OH)3、氢氧化铝Al(OH)3等非晶质矿物。这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为两性胶体。2.含水氧化铁、铝
17、：（两性胶体）土壤胶体的类型第36页/共91页Al(OH)3+H+Al(OH)2+H2O （pH5）纯净的氢氧化铁的等电点为pH7.1，氢氧化铝等电点为pH8.1，所以它们在大多数酸性或中性土壤中都带正电荷。土壤胶体的类型第37页/共91页其成分为水化的硅、铝二三氧化物，简化的分子式为：xSiO2yAl2O3nH2O。水铝英石的硅氧四面体中由Al3+置换Si4+可产生净负电荷，同时表面有AlOH、SiOH。当溶液碱性增加、pH增大时产生以下解离而带负电：=Al-OH pH加大 =Al-O-+H+Si-OH Si-O-+H+因此，水铝英石表面可吸附很多阳离子，其表面积很大，阳离子交换量可达154
18、210cmol(+)kg-1。3.水铝英石（非晶质无定形的胶态）土壤胶体的类型第38页/共91页4.黏土矿物（次生层状铝硅酸盐类）大多是结晶层状构造，由硅氧片（由硅四面体连接而成）和水铝片（由铝八面体连接而成）迭合而成。水铝片层面上氧离子的电价不饱和，可与氢离子结合成OH群，形成水铝矿，或与硅氧片结合，共用氧离子，形成铝硅酸盐粘土矿物。根据其迭合情况的不同，可将粘土矿物分为不同类型。土壤胶体的类型第39页/共91页硅氧片、硅氧四面体硅四面体可以共用氧原子而形成一层，氧原子排列成为中空的六角形，称硅氧片或硅氧层。土壤胶体的类型第40页/共91页铝氧八面体由六个氧原子（或氢离子）环绕着一个中心铝离
19、子排列而成，氧原子排列成两层，铝原子居于两层中心孔穴内，称水铝片。土壤胶体的类型第41页/共91页由一个硅氧片和一个水铝片，通过共用硅氧顶端的氧原子连接起来的片状晶格构造。()高岭石（：型铝硅酸盐矿物）每个晶层的一面是OH离子组（水铝片上的），另一面是O离子（硅氧片上的），因而叠加时晶层间可形成氢键，使各晶层之间紧密相连从而形成大颗粒，晶粒多呈六角形片状。其分子结构外形特征为.顶层底层.许多晶片相互重叠形成高岭矿物土壤胶体的类型第42页/共91页 特特特特点点点点：晶晶晶晶层层层层与与与与晶晶晶晶层层层层间间间间距距距距离离离离稳稳稳稳定定定定，连连连连接接接接紧紧紧紧密密密密，内内内内部部部
20、部空空空空隙隙隙隙小小小小，电电电电荷荷荷荷量量量量少少少少，单单单单位位位位个个个个体体体体小小小小，分分分分散散散散度度度度低低低低。多多多多出出出出现现现现于于于于酸酸酸酸性性性性土土土土壤壤壤壤。如高岭石类。如高岭石类。如高岭石类。如高岭石类。硅氧片铝氧片土壤胶体的类型第43页/共91页水水土壤胶体的类型第44页/共91页l晶格内的水铝片和硅氧片很少发生同晶替代，因此无永久性电荷。但水铝片上的-在一定条件下解离出氢离子，使高岭石带负电。高岭石的性质特点：l晶片与晶片之间形成氢键而结合牢固，水分子及其他离子难以进入层间，并且形成较大的颗粒。因此其吸湿性、粘结性和可塑性较弱，富含高岭石的土
21、壤保肥性差。土壤胶体的类型第45页/共91页由两片硅氧片和一片水铝片结合成的一个晶片（层）单元，再相互叠加而成的。（2）蒙脱石类（：型铝硅酸盐矿物）每个晶层的两面均由O离子组（硅氧片上的），因而叠加时晶层间不能形成氢键，而是通过“氧桥”联结，这种联结力弱，晶层易碎裂，其晶粒比高岭石小。土壤胶体的类型第46页/共91页胀缩性大，吸湿性强，易在两边硅氧片中以Al3+代Si4+，有时可在硅铝片中，一般以Mg2+代Al3+带负电吸附负离子。如蒙脱石，这类矿物多出现于北方土壤。如东北、华北的栗钙土、黑钙土和褐土等。硅氧片铝氧片硅氧片特点：土壤胶体的类型第47页/共91页蛭石的膨胀性比蒙脱石要小得多，其晶
22、层间距1.45nm，属有限膨胀型。它具有一定的内表面，但较蒙脱石小，晶体颗粒介于蒙脱石和高岭石之间。蛭石在黄棕壤和黄壤中含量较高。蛭石也是21型膨胀型粘土矿物，其晶层结构与蒙脱石基本相同，也是两层硅氧片中夹一层水铝片。与蒙脱石不同的是，硅氧片中的硅大部分被铝所取代，水铝片中的铝也有不少被镁取代，因而具有比蒙脱石高得多的净负电荷，具有很高的吸附阳离子能力，阳离子交换量达150 cmol(+)kg-1。土壤胶体的类型第48页/共91页2:1型矿物(蒙脱石、绿泥石、蛭石等)土壤胶体的类型第49页/共91页（）水云母类 （：型粘土矿物）结构与蒙脱石相类似，只是同晶替代产生的负电荷主要被钾离子中和,而少
23、量被钙镁离子中和。特点：a、永久性电荷数量少于蒙脱石。b、层与层之间由钾离子中和，使得各层相互紧密结合。形成的颗粒相对比蒙脱石粗而比高岭石细。其粘结性、可塑、胀缩性居中。c、钾离子被固定在硅氧片的六角形网孔中，当晶层破裂时，可将被固定的钾重新释放出来，供植物利用。分布广泛，特别在西北干旱地区和高寒地区，以及风化度浅的土壤。土壤胶体的类型第50页/共91页三种主要粘土矿物的性质比较粘土粘土矿物矿物结结晶晶类类型型分子层分子层排列情况排列情况晶格晶格距离距离(nm)(nm)晶晶层层间间联联结结力力颗颗粒粒大大小小比面比面(m(m2 2gg-1-1)CECCEC（cmol(+cmol(+)kg)kg
24、-1-1）粘结粘结性性可塑可塑性性胀胀缩缩性性高岭石高岭石1:1-OH层与层与O层相接层相接0.72强强大大520515弱弱弱弱水云母水云母2:1-O层相接层相接中间有中间有K1.00较较强强中中1001202040中等中等中中等等蒙脱石蒙脱石2:1-O层相接层相接0.962.14弱弱小小70080080100强强强强土壤胶体的类型第51页/共91页高岭石逐渐代替水云母，铁铝氧化物也迅速增多。我国土壤粘土矿物的分布温带干旱的漠境和半漠境地带：风化程度低，化学风化程度弱，以形成水化度低的水云母为主，蒙脱石不多。半干旱草原地区：蒙脱石迅速增加，结晶良好，以蒙脱石和水云母为主。暖温带湿润地区：蛭石显
25、著增加，以水云母蛭石为主，说明环境有利于进一步脱钾。中亚热带以南地区：土壤胶体的类型第52页/共91页二、有机胶体特点：高分子有机化合物，高度亲水性。带负电，并且电荷数量多于黏土矿物，因此阳离子交换量大。保肥性强，但不稳定（因受微生物作用而分解）主要是腐殖质。少量的木素、蛋白质、纤维素等。腐殖质的电荷是由腐殖质含的羧基（-COOH）、羟基（-OH）、酚羟基解离出H+、-COO-、-O-等离子留在胶粒上而使胶粒带负电。一般每千克腐殖质的代换量在200cmol(+)kg-1左右，高者可达5001000cmol(+)kg-1土壤胶体的类型第53页/共91页三、有机无机复合胶体通过Ca2+而结合。有机
26、胶体与铁铝胶体的结合。有机胶体与无机胶体的直接结合。有机胶体以薄膜状紧密盖覆于粘土矿物表面通过阳离子与-COOH、-OH等官能团形成复合体。结合方式土壤胶体的类型第54页/共91页在生产上的意义我国劳动人民在长期生产实践中，充分体会到有机无机复合体的重要，创造了施用有机肥加速土壤有机无机复合体形成的措施，群众称之为土肥相融。土壤有机无机复合胶体的形成，有利于土壤结构的形成，改善土壤理化性质。如复合体中的胡敏酸，比单独存在时分解显著减慢，并可使土壤中有效磷增加，增强土壤的缓冲性能等。土壤胶体的类型第55页/共91页第三节 土壤阳离子交换作用第56页/共91页一、土壤阳离子交换吸附作用的概念土壤胶
27、体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳离子或不同胶粒上的阳离子相互交换的作用，称为阳离子交换吸附作用。土壤胶粒Ca2+2KCl=土壤胶粒K+K+CaCl2阳离子交换作用对土壤中养分的保持和供应起着重要作用。当土壤溶液中阳离子吸附在胶体上时，表示阳离子养分的暂时保蓄，即保肥过程；当胶体上的阳离子解离至土壤溶液中时，表示养分的释放，即供肥过程。阳离子交换第57页/共91页二、土壤阳离子交换吸附作用的特点1.可逆反应在湿润地区的一般酸性土壤中，吸附的阳离子有Al3+、H+、Ca2+、Mg2+、K+等；在干旱地区的中性或碱性土壤中，主要的吸附性阳离子是Ca2+，其次有Mg2+、K+、Na+等。因此，在
28、自然状况下，很难把土壤胶体上某一阳离子完全彻底地代换到溶液中去。同时，土壤胶体上吸附的阳离子也必然是多种多样的，不可能为单一种离子所组成。阳离子交换第58页/共91页2.等量交换以等量电荷关系进行。如一个Ca2+可交换两个Na+；一个二价的钙离子可以交换两个一价的氢离子。阳离子交换第59页/共91页3.速度受交换点位置和温度的影响位置：如果溶液中的离子能直接与胶粒表面代换性离子接触，交换速度就快；如离子要扩散到胶粒内层才进行交换，则交换时间就较长，有的需要几昼夜才能达成平衡。高岭石类矿物交换作用主要发生在胶粒表面边缘上，所以速率很快；蒙脱石类矿物的离子交换大部分发生在胶粒晶层之间，其速率取决于
29、层间间距或膨胀程度；水云母类的交换作用发生在狭窄的晶层间，所以交换速率较慢。温度：高温可加快离子交换反应的速率，因为温度升高，离子的热运动变得更为剧烈，致使单位时间内碰撞固相表面的次数增多。阳离子交换第60页/共91页三、影响阳离子交换作用的因素1.阳离子的交换能力主要决定于阳离子被胶粒吸附的力量（或称阳离子与胶体的结合强度），它实质上是阳离子与胶体之间的静电能。是指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换下来的能力。阳离子交换第61页/共91页b.离子的半径及水化程度：同价离子，离子半径大水化半径小，交换能力越强。离离 子子价价 数数原原 子子 量量离子半径（离子半径（nm）代换力顺序代换力顺序未
30、未 水水 化化水水 化化Na+123.000.0930.7906NH4+118.010.1430.5325K+139.100.1330.5374Mg2+224.320.0781.3303Ca2+240.080.1061.0002H+11.0081a.离子电荷价：M3+M2+M+（M表示阳离子）离子价、离子半径及水化程度与交换力的关系阳离子交换第62页/共91页c.离子运动速度：凡离子运动速度愈大的，其交换力也愈大。例如氢离子就是这样，而且氢离子水化很弱，通常H+只带一个水分子，即以H3O+的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具有特殊位置。阳离子交换能力顺序：Fe3+Al 3+H+Ca
31、2+Mg 2+K+NH4+Na+阳离子交换第63页/共91页2.阳离子的相对浓度及交换生成物的性质阳离子交换作用也受质量作用定律所支配，如果溶液中某种离子的浓度较大，则虽其交换能力较小，同样能把胶体上交换能力较大的其它阳离子代换下来。另外，当交换后形成不溶性或难溶性物质时，或将其交换后的生成物不断除去时，都可使交换作用继续进行。阳离子交换第64页/共91页3.胶体性质l交换量大的胶体（如蒙脱石）结合两价离子的能力强，结合一价离子的能力稍弱；l交换量小的胶体（如高岭石）则结合一价离子能力强，与两价离子的结合能力较弱，即一价离子可将两价离子交换下来。l又如：水云母具有六角形网孔（晶孔），容易吸附与
32、其孔径大小相当的K+和NH4+，这些离子一旦进入六角形孔穴，即可发生配位作用，很难出来，只有当晶层破裂时，被固定的K+、NH4+方可重新释放出来。阳离子交换第65页/共91页四、土壤阳离子交换量（一）定义：在一定土壤pH值条件下，土壤能吸附的交换性阳离子的总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数（CationExchangeCapacity，CEC）。单位：cmol（+）kg-1。注：因为阳离子交换量随土壤pH值变化而变化（因可变电荷变化），一般未特别注明时，是以pH为7的条件下测定土壤的交换量。阳离子交换量的大小与土壤可能吸附的速效养分（即阳离子）的容量有关，是土壤保肥力的
33、重要指标。阳离子交换第66页/共91页（二）影响CEC的因素1.胶体数量（土壤质地）土壤胶体物质越多（包括矿质胶体、有机胶体和复合胶体），则CEC越大。就矿质胶体而言，CEC随着质地粘重程度增加而增加，所以粘质土CEC较砂质土要大的多。质地质地阳离子交换量阳离子交换量（cmol(+)kg-1)砂土砂土1-5砂壤土砂壤土7-8壤土壤土7-18粘土粘土25-30阳离子交换第67页/共91页2.2.胶体类型胶体类型胶体类型胶体类型不同土壤胶体阳离子交换量相差很大不同土壤胶体阳离子交换量相差很大不同土壤胶体阳离子交换量相差很大不同土壤胶体阳离子交换量相差很大胶休胶休种类种类腐殖质腐殖质蛭石蛭石蒙脱石蒙
34、脱石水云母水云母高岭石高岭石含水氧化铁、含水氧化铁、铝铝CEC（cmol(+)kg-1)150-500100-15060-10020-403-15微量微量比表面比表面（m2g-1)800-1000700800100-2005-20-有机无机，2:11:1，粘土矿物含水的氧化物 粘土矿物主要通过两个方面影响C：a、粘土矿物的比表面积:蛭石、蒙脱石水铝英石、水云母 高岭石 b、粘土矿物所带的电荷数量 阳离子交换第68页/共91页3.3.土壤土壤土壤土壤pHpH值：值：值：值：土壤酸碱度影响胶体表面官能团中土壤酸碱度影响胶体表面官能团中土壤酸碱度影响胶体表面官能团中土壤酸碱度影响胶体表面官能团中HH
35、+的解离，的解离，的解离，的解离，因而影响因而影响因而影响因而影响可变电荷可变电荷可变电荷可变电荷的多少。的多少。的多少。的多少。pH4.5pH6.4pH8.1沼泽土胡敏酸沼泽土胡敏酸170.0286.3400.0灰化土胡敏酸灰化土胡敏酸234.0410.0508.7黑钙土胡敏酸黑钙土胡敏酸292.2432.9590.5pH2.5-6pH7高岭石高岭石410蒙脱石蒙脱石95100阳离子交换第69页/共91页4.土壤有机质含量：有机质中的腐殖质含有大量-COOH、-OH等官能团，当它们解离出H+时，可使胶体带有大量负电荷，而且腐殖质分散度大，具有很大的吸收表面。所以腐殖质的CEC远远大于无机胶体
36、。施用有机肥料，增加土壤腐殖质，可以提高CEC，增强土壤保肥性。阳离子交换第70页/共91页附：主要粘土矿物的（p=7）（cmol（+）kg-1水铝英石 50-100 针铁矿、三水铝石 0.5-1.0(pH,8.0)水合氧化硅 4.6(pH,8.0)高岭石 4.6 伊利石 15-40 蒙脱石 60-120 膨润土 59-120 蛭石 120-200 阳离子交换第71页/共91页 几种不同土壤的腐殖质的 H F pH 8.02 5.50 8.02 5.50 黑土1 682 344 -黑土2 642 358 736 514 花岗砖红壤 560 310 800 583 武砖红壤 -780 556 阳
37、离子交换第72页/共91页土壤交换量的大小，基本上代表了土壤的保持养分数量，也就是平常所说的保肥力高低；交换量大，也就是保存养分的能力大，反之则弱。所以，土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指标。一般地：l小于10 cmol/kg，保肥力弱；l1020 cmol/kg，中等；l大于20 cmol/kg，强。CEC与土壤肥力的关系阳离子交换第73页/共91页阳离子交换量和施肥有密切关系：在施肥时不仅要了解作物的需要，同时还要考虑土壤交换量的大小。在生产上的意义例如在砂土上施用化肥，由于土壤交换量小，土壤保肥力差，应该分多次施肥，每次施量不宜多，以免养分淋失。对于交换量小、保肥力差的土壤，可通过施用
38、河塘泥、厩肥、泥炭或掺粘土，以增加土壤中的无机、有机胶体，以及通过施用石灰调节土壤反应等来提高土壤的阳离子交换量。举例？阳离子交换第74页/共91页长江中下游发育在冲积母质上的土壤，粘土矿物以蒙脱石、水云母为主，交换量大约为2030cmol(+)kg-1。我国南北方土壤的CEC比较含蒙脱石、水云母较多，土壤反应又多为中性或微碱性，因此，阳离子交换量一般较高。例如东北的黑土、内蒙的栗钙土的交换量在3050cmol(+)kg-1。北方华南、西南为红、黄壤地带，无机胶体以高岭石和含水氧化铁、氧化铝为主，土壤酸性大，pH值低，阳离子交换量小，一般每千克土只有十几个厘摩尔，广东的砖红壤的交换量只有5.2
39、 cmol(+)kg-1。长江中下游地区阳离子交换第75页/共91页五、土壤盐基饱和度胶体上吸附的阳离子分为两类：一类是致酸离子（如H+和Al3+）。另一类是盐基离子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等），盐基离子为植物所需的速效养分。1.定义指土壤胶体上交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分率。以算式表示为：阳离子交换第76页/共91页l盐基饱和土壤：土壤胶体吸附的阳离子如绝大多数（80%以上）为盐基离子。l盐基不饱和土壤：盐基饱和度在80%以下，H+、Al3+等离子含量较多。土壤盐基饱和度越大，养分有效性越高，因此盐基饱和度是土壤肥力的指标之一。真正反映土壤有效速效养分含量的大
40、小。若阳离子交换量大，而盐基饱和度偏小，需要采取措施对土壤加以改良，如施肥或用石灰中和。阳离子交换第77页/共91页 我国南方岩石矿物风化作用强、盐基淋失强，一般为盐基不饱和的土壤（酸性土 壤），北方则相反，土壤的盐基饱和度都在80%以上（中性或碱性土壤）。2.影响盐基饱和度的因素 a.气候阳离子交换第78页/共91页一般阔叶树种吸收盐基比针叶树多，通过枯落物归还给土壤的盐基也多，另外，针叶在分解过程中产生相对较多的有机酸，增强了盐基的淋溶作用，使针叶林下耕层土壤盐基饱和度更低于阔叶林土壤。b.地上植被类型阳离子交换第79页/共91页c.母岩（或母质）原母质所含盐基的多少对土壤盐基饱和度有较大
41、影响，在相同或类似的生物气候条件下，玄武岩发育的土壤盐基饱和度高于花岗岩。为什么？阳离子交换第80页/共91页六、影响交换性阳离子有效性的因素1.交换性阳离子的饱和度饱和度大，该离子的有效性大。饱和度:胶体上被吸附的某种阳离子的量占土壤阳离子交换量的百分数。土壤土壤CEC/(c molkg-1）交换性交换性Ca量量/(c molkg-1)交换性交换性Ca的的饱和度饱和度%Ca的有效度的有效度甲甲10440.0大大乙乙40512.5小小农谚：“施肥一大片，不如一条线。”的含义？阳离子交换第81页/共91页2.陪补离子的种类对于某一特定的离子来说，其它与其共存的离子都是陪补离子。（如胶体吸附了H+
42、、Ca2+、Mg2+、K+等离子，对H+来说，Ca2+、Mg2+、K+是它陪补离子）与胶体结合强度大的离子，本身有效性低，但对其它陪补离子的有效性有利。反之亦然。思考：K+的陪补离子分别为Ca2+、Na+时，有效性高低比较？阳离子交换第82页/共91页土壤处理土壤处理 交换性离子组成交换性离子组成盆中幼苗干重盆中幼苗干重(g)(g)盆中幼苗吸钙盆中幼苗吸钙量量(mg)(mg)甲甲40%Ca+60%40%Ca+60%H H2.82.811.1511.15乙乙40%Ca+60%40%Ca+60%MgMg2.792.797.837.83丙丙40%Ca+60%40%Ca+60%NaNa2.342.34
43、4.364.36不同陪补离子对交换性钙有效性的影响各种离子相互抑制的能力如下：Na+K+Mg2+Ca2+H+和Al3+第83页/共91页3.无机胶体的种类 在饱和度相同的前提下，各种离子在无机胶体上的有效性：高岭石蒙脱石水云母Why?高岭石：阳离子吸附点主要在破裂边缘外表面；蒙脱石：吸附点主要在晶层间内表面；水云母：层间空隙狭窄，易使NH4+、K+等离子产晶穴固定。阳离子交换第84页/共91页 离离离离子子子子半半半半径径径径大大大大小小小小与与与与晶晶晶晶格格格格孔孔孔孔穴穴穴穴大大大大小小小小的关系：的关系：的关系：的关系：离离离离子子子子大大大大小小小小与与与与孔孔孔孔径径径径相相相相近
44、近近近，离离离离子子子子易易易易进进进进入入入入孔孔孔孔穴穴穴穴中中中中，且且且且稳稳稳稳定定定定性性性性较较较较大大大大，从而降低了有效性。从而降低了有效性。从而降低了有效性。从而降低了有效性。如如如如：孔孔孔孔穴穴穴穴半半半半径径径径为为为为1.41.41.41.4埃埃埃埃，钾钾钾钾离离离离子子子子的的的的半半半半径径径径为为为为1.331.331.331.33埃埃埃埃，铵铵铵铵离离离离子子子子的的的的半半半半径为径为径为径为1.421.421.421.42埃，则有效性较低。埃，则有效性较低。埃，则有效性较低。埃，则有效性较低。4.阳离子的非交换性吸收阳离子交换第85页/共91页第四节 土
45、壤阴离子交换作用第86页/共91页土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中阴离子的相互交换作用。如含水氧化铁、含水氧化铝。在酸性条件下带正电。阴离子交换定义第87页/共91页一、吸收阴离子的原因2、土壤腐殖质中的NH2在酸性条件下吸收H+成为NH3+而带正电1、两性胶体带正电荷酸性Al(OH)3+HCl=Al(OH)2+Cl-+H2O碱性Al(OH)3+NaOH=Al(OH)2O-+Na+H2O3、粘粒矿物表面上的-OH原子团可与土壤溶液中的阴离子代换。阴离子交换第88页/共91页三、阴离子吸附类型1.易于被土壤吸附的阴离子如磷酸根（H2PO4-、HPO42-、PO43-）、硅酸根（HSi
46、O3-、SiO32-）及某些有机酸的阴离子。此类阴离子常和阳离子起化学反应产生难溶性化合物。2.很少或根本不被吸附的阴离子如Cl-、NO3-、NO2-等。易出现负吸附。3.介于上述两者之间的阴离子如SO42-、CO32-、HCO3-及某些有机酸的阴离子，土壤吸收它们的能力很弱。阴离子交换第89页/共91页四、土壤中各种阴离子代换吸收能力不同阴离子代换吸收顺序如下：草酸根离子柠檬酸离子磷酸根离子硫酸根离子氯离子硝酸根离子磷酸根离子和某些有机酸根离子易被土壤吸收。磷酸根常被某些阳离子如钙、镁、铁、铝所固定，而失去有效性。而土壤氯离子和硝酸根离子代换吸收能力最弱，甚至不能吸收。阴离子交换第90页/共91页