1、第四章第四章 土壤胶体和土壤离子交换土壤胶体和土壤离子交换 l 土壤胶体的构造和性质土壤胶体的构造和性质l 土壤胶体的类型土壤胶体的类型l 土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用l 土壤阴离子交换作用土壤阴离子交换作用内容提要内容提要胶体的概念胶体的概念胶体是物质存在的一种状态，是一种分散体系。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。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，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：可把分散系分为：粗分散系、胶体分散系
2、和分子、粗分散系、胶体分散系和分子、离子分散系。离子分散系。何为分散体系？何为分散体系？一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、高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）三向中一个方向的长度）在在1-1001-100纳米范围内的分散纳米范围内的分散系称胶体分散系。系称胶体分散系。其颗粒大小介于粗分散系和分子、其颗粒大小介于粗分散系和分子、离子分散系之间。离子分散系之间。胶体分散系胶体分散系 胶体微粒胶体微粒 胶核胶核 双电层双电层 决定电位离子层（内）决定电位离子层（内）补偿离子层（外）补偿离子层（外）非活性离子层非活性离子层扩散层扩散层 胶体微粒的扩散双电层构造图
3、式胶体微粒的扩散双电层构造图式即土壤胶体分散系中的分散介质，即土壤胶体分散系中的分散介质，也即是土壤溶液。也即是土壤溶液。土粒土壤溶液 土粒直径土粒直径(mm)总表面积总表面积(cm2)比面比面(cm2/cm3)10 3.14 6 1 31.42 60 0.05 628.32 1200 0.001 31416 60000 -内表面：指膨胀性粘土矿物的晶层内表面：指膨胀性粘土矿物的晶层表面和腐植质分子聚集体内部的表面。表面和腐植质分子聚集体内部的表面。-外表面：指粘土矿物、氧化物和腐外表面：指粘土矿物、氧化物和腐植质分子暴露在外的表面。植质分子暴露在外的表面。土壤有机质的比表面大，表观比表面可达
4、土壤有机质的比表面大，表观比表面可达700 m2/g。胶体成分胶体成分内表面积内表面积外表面积外表面积总表面积总表面积蒙脱石蒙脱石70075015150700850蛭蛭 石石400750150400800水云母水云母059015090150高岭石高岭石0540540埃洛石埃洛石010451045水化埃洛石水化埃洛石4002530430水铝英石水铝英石130400130400260800土壤中常见矿物的比表面积（土壤中常见矿物的比表面积（m2/g）2.土壤胶体的带电性土壤胶体的带电性 由于胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子由于胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子,使使胶粒带电胶粒带电.土壤中所
5、有胶粒都是带电的（胶体的基本条件），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。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因此，土壤胶体的带电性对土壤肥力性质有重要影响。重要影响。(1)(1)同晶异质代换作用同晶异质代换作用 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层状铝硅酸盐粘土
6、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。的同性离子代换而产生电荷，但矿物的结晶构造型式不变。如如Al3+代代Si4+或或Fe2+代代Al3+等等,这样晶体中就产生了剩余负电荷这样晶体中就产生了剩余负电荷,这种电这种电荷一旦产生荷一旦产生,就不能改变就不能改变,故称故称永久电荷永久电荷。土壤胶体电荷的来源土壤胶体电荷的来源指组成矿物的中心离子被电性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相同、大小相近的离子替代而晶格构造保持不变的现象。晶格构造保持不变的现象。四面体中的硅可被铝代换四面体中的硅可被铝代换 Si4+Al3+八面体中的
7、铝可被铁、镁代换八面体中的铝可被铁、镁代换 Al3+Fe2+或或Mg2+(2)(2)晶格破碎边缘的断键晶格破碎边缘的断键 在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有一部分电荷未得到中和，而产生剩余离子有一部分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。价键，使晶层带电。例如晶格在硅层或铝层截面上断裂，例如晶格在硅层或铝层截面上断裂，SiOSiOSi Si，AlOAlAlOAl在断裂后，断面上留下在断裂后，断面上留下Si SiOO-、AlOAlO-，从而带负电。，从而带负电。(3)(3)胶体表面分子的解离胶体表面分子的解离 胶核表面的分子或原子团的解离胶核
8、表面的分子或原子团的解离,这种电荷这种电荷的数量和性质随介质的的数量和性质随介质的pHpH而改变而改变,故称故称可变可变电荷电荷。l黏土矿物晶面上黏土矿物晶面上-OH-OH的解离的解离l含水铁、铝氧化物的解离（含水铁、铝氧化物的解离（AlAl2 2O O3 33H3H2 2O)O)l腐殖质上某些官能团的解离（如腐殖质上某些官能团的解离（如-COOH-COOH）l含水氧化硅的解离含水氧化硅的解离来源来源结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着OH原子团，原子团，在一定条件下：在一定条件下：l当当H+解离后，则使胶核带负电解离后，则使胶核带负电，如，如H2SiO3和层状硅和
9、层状硅铝酸盐粘土矿物中解离铝酸盐粘土矿物中解离H+后使胶核带负电。后使胶核带负电。l当当OH-发生解离时，则胶核带正电发生解离时，则胶核带正电，如，如Fe(OH)3或或Al(OH)3中的中的OH-解离后则带正电。这种作用与普通解离后则带正电。这种作用与普通酸碱解离相似，受溶液的酸碱解离相似，受溶液的pH影响，因此称为影响，因此称为可变电可变电荷荷。a.黏土矿物晶面上黏土矿物晶面上-OH的解离的解离Al(OH)3+NaOH Al(OH)2O-+Na+H2O 胶核中的分子胶核中的分子带负电荷的胶体核粒带负电荷的胶体核粒Al(OH)3+HCl Al(OH)2+Cl-+H2O 胶核中的分子胶核中的分子
10、带正电荷的胶体核粒带正电荷的胶体核粒如如AlAl（OHOH）3 3在碱性环境中的解离：在碱性环境中的解离：如如Al（OH）3在酸性环境中的解离：在酸性环境中的解离：Fe(OH)Fe(OH)3 3或或Al(OH)Al(OH)3 3解离解离H H+而成为带负电的胶体，还而成为带负电的胶体，还是解离是解离OHOH-而成为带正电的而成为带正电的胶体主要取决于胶体主要取决于溶液的溶液的pHpH值值。层状硅酸盐晶层上的层状硅酸盐晶层上的-OH-OH基可以解基可以解离出离出H H+，带负电，带负电:结结晶晶体体-OH-OH-OH结结晶晶体体-OH-OH-OH+3H+当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶
11、体的当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的 正负电正负电荷相等时，此时胶体悬液的荷相等时，此时胶体悬液的pHpH值称为值称为等电点等电点 (isoelectric(isoelectric point)point)。在土壤在土壤pH5-8pH5-8的条件下，大多数土壤胶体的等电点低于这个范的条件下，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，围，因此，对于土壤胶体来讲，pH5-8pH5-8相当于在碱性环境下，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的吸 附，只有附，只有Fe(OH)Fe
12、(OH)3 3和和Al(OH)Al(OH)3 3带正电，吸附阴离子。故带正电，吸附阴离子。故 土土壤胶体在通常情况下以带负电为主。壤胶体在通常情况下以带负电为主。土壤胶体为什么一土壤胶体为什么一般带负电般带负电?如三水铝石的如三水铝石的pHpH0 0值为值为4.84.8。当土壤当土壤pHpH低于低于pHpH0 0值时值时:（相当于酸性环境）（相当于酸性环境）AlAl2 2O O3 33H3H2 2O 2Al(OH)O 2Al(OH)2 2+2OH+2OH-当土壤当土壤pHpH高于高于pHpH0 0值时值时:（相当于碱性环境）（相当于碱性环境）AlAl2 2O O3 33H3H2 2O 2Al(
13、OH)O 2Al(OH)2 2O O-+2OH+2OH-b.含水氧化铁、氧化铝的解离含水氧化铁、氧化铝的解离 高高pH条件下：条件下：-COOH H+COO-OH H+-O-低低pH条件下：条件下：-NH2 -NH3+c.腐殖质上某些原子团的解腐殖质上某些原子团的解离离d.含水氧化硅的解离含水氧化硅的解离SiO2H2O（或（或H2SiO3）的）的pH0值为值为2，在土壤中一般在土壤中一般不产生正电荷，所带负电荷的量随土壤不产生正电荷，所带负电荷的量随土壤pH值的升高值的升高而增加。而增加。H2SiO3 HSiO3-+H+（带正电）（带正电）SiO3-+H+3.土壤胶体的分散性和凝聚性土壤胶体的
14、分散性和凝聚性 胶体的两种状态胶体的两种状态溶胶溶胶凝胶凝胶胶体微粒均匀分散在水中，胶体微粒均匀分散在水中，呈高度分散状态呈高度分散状态胶体微粒彼此联结凝聚在胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状一起而呈絮状凝聚作凝聚作用用分散作分散作用用胶体的凝聚或分散决定于动电电位的胶体的凝聚或分散决定于动电电位的高低：高低：越高，排斥力愈强，溶胶状态。越高，排斥力愈强，溶胶状态。越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶状态。状态。土壤胶体由于大多带有负电土壤胶体由于大多带有负电荷，相互具有负电位，而互荷，相互具有负电位，而互相排斥，不易凝聚。相排斥，不易凝聚。l 电解质的浓度愈大，愈
15、能有效地中和异电胶体的电性，愈能减小扩电解质的浓度愈大，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。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，电解质中异电离子的价数愈高，聚沉能力愈大，三价离子大于二价离子，二价离子大于一价离子；三价离子大于二价离子，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 半径大半径大 或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则小。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：电解质阳离子的凝聚力大小顺序为：F
16、e3+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：电解质对胶体的凝聚作用受以下因素的影响：凝聚作用强，利于胶体互相凝聚形成结构（团粒结构）。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：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；
17、措施也就起了这个作用，所以晒、冻垡有利于土壤形成结构；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，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。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，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，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（施用石灰（CaOCaO）、石膏（）、石膏（CaSOCaSO4 4），增加），增加CaCa2+2+浓度，对沉实土壤，浓度，对沉实土壤，改
18、良土性，有明显效果。改良土性，有明显效果。在生产上的意义在生产上的意义 由于胶体的巨大表面能，使其对周围分子或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扩散层的离子与土壤溶液中的离子有交换能力。力。4.土壤胶体的吸附性和交换能力土壤胶体的吸附性和交换能力 5、土壤的电荷数量、土壤的电荷数量 1、土壤电荷主要集中在胶体部分。2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础。3、有机胶体和无机胶体的电荷具有非加和性。第二节第二节 土壤胶体的类型土壤胶体的类型一、一、无机胶体无机胶体土壤胶体的类型
19、含水氧化铁含水氧化铁含水氧化铝含水氧化铝含水氧化硅含水氧化硅次生铝硅酸盐类次生铝硅酸盐类（即粘土矿物）（即粘土矿物）主要包括：主要包括：SiO2.H2OH2SiO3 带负电带负电H2SiO3 H+HSiO3-H+SiO32-1.1.含水氧化硅胶体：含水氧化硅胶体：（游离态无定型）（游离态无定型）注：土壤反应越偏碱性，硅酸的解离度也越注：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。大，所带的负电荷也越多。土壤胶体的类型 此类胶体包括褐铁矿（此类胶体包括褐铁矿（2Fe2Fe2 2O O3 33H3H2 2O O）、水赤）、水赤铁矿（铁矿（3Fe3Fe2 2O O3 3HH2 2O O
20、）、针铁矿（）、针铁矿（FeFe2 2O O3 3HH2 2O O）、）、水铝矿（水铝矿（AlAl2 2O O3 3HH2 2O O）、三水铝矿）、三水铝矿（AlAl2 2O O3 33H3H2 2O O）等晶质矿物和氢氧化铁）等晶质矿物和氢氧化铁Fe(OH)Fe(OH)3 3、氢氧化铝、氢氧化铝Al(OH)Al(OH)3 3 等非晶质矿物。等非晶质矿物。这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为两性胶体两性胶体。2.2.含水氧化铁、铝：（两性胶体）含水氧化铁、铝：（两性胶体）土壤胶体的类型Al(OH)3+H+Al(OH)2+H2O （pH5）纯净的氢氧化
21、铁的等电点为纯净的氢氧化铁的等电点为pH7.1pH7.1，氢氧化铝等，氢氧化铝等电点为电点为pH8.1pH8.1，所以它们在大多数酸性或中性土，所以它们在大多数酸性或中性土壤中都带正电荷。壤中都带正电荷。土壤胶体的类型其成分为水化的硅、铝二三氧化物，简化的分子式为：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水铝英石的硅氧四面体中由Al3+置换置换Si4+可产生净负电荷，可产生净负电荷，同时表面有同时表面有AlOH、SiOH。当溶液碱性增加、当溶液碱性增加、pH增大时产生以下解离而带负电：增大时产生以下解离而带负电：=Al-OH pH
22、加大加大 =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，因此，水铝英石表面可吸附很多阳离子，其表面积很大，阳离子交换量可达阳离子交换量可达154210cmol(+)kg-1。3.3.水铝英石水铝英石（非晶质无定形的胶态）（非晶质无定形的胶态）土壤胶体的类型4.4.黏土矿物黏土矿物（次生层状铝硅酸盐类）（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）迭合接而成）和水铝片（由铝八面体连接而成）迭合而成。而成。水铝片层面上氧离子的电价不饱和，可与氢离子水铝
23、片层面上氧离子的电价不饱和，可与氢离子结合成结合成OHOH群，形成水铝矿，或与硅氧片结合，共群，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。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根据其迭合情况的不同，可将粘土矿物分为不同类型。类型。土壤胶体的类型 硅 四 面 体硅 四 面 体可以共用氧原子可以共用氧原子而形成一层，氧而形成一层，氧原子排列成为中原子排列成为中空的六角形，称空的六角形，称硅氧片或硅氧层。硅氧片或硅氧层。土壤胶体的类型 由六个氧原子由六个氧原子（或氢离子）环（或氢离子）环绕着一个中心铝绕着一个中心铝离子排列而成，离子排列而成，氧
24、原子排列成两氧原子排列成两层，铝原子居于层，铝原子居于两层中心孔穴内，两层中心孔穴内，称水铝片。称水铝片。土壤胶体的类型 由一个硅氧片和一个水铝片，通过共由一个硅氧片和一个水铝片，通过共用硅氧顶端用硅氧顶端 的氧原子连接起来的片的氧原子连接起来的片状晶格构造。状晶格构造。()高岭石（：型铝硅酸盐矿物）高岭石（：型铝硅酸盐矿物）每个晶层的一面是每个晶层的一面是OH离子离子组（水铝片上的），另一面组（水铝片上的），另一面是是O离子（硅氧片上的），离子（硅氧片上的），因而叠加时晶层间可形成氢因而叠加时晶层间可形成氢键，使各晶层之间紧密相连键，使各晶层之间紧密相连从而形成大颗粒，晶粒多呈从而形成大颗粒
25、，晶粒多呈六角形片状。六角形片状。其分子结构外形特征为其分子结构外形特征为 .顶层顶层 底层底层 .许多晶片相互重叠形成高岭矿物许多晶片相互重叠形成高岭矿物 土壤胶体的类型 特点：特点：晶层与晶层间距离稳定，连接紧密，内部空隙小，晶层与晶层间距离稳定，连接紧密，内部空隙小，电荷量少，单位个体小，分散度低。多出现于酸性土壤。电荷量少，单位个体小，分散度低。多出现于酸性土壤。如高岭石类。如高岭石类。硅氧片硅氧片铝氧片铝氧片土壤胶体的类型l晶格内的水铝片和硅氧片很少发生同晶替代，晶格内的水铝片和硅氧片很少发生同晶替代，因此因此无永久性电荷无永久性电荷。但水铝片上的。但水铝片上的-在一在一定条件下解离
26、出氢离子，使高岭石定条件下解离出氢离子，使高岭石带负电带负电。高岭石的性质特点：高岭石的性质特点：l晶片与晶片之间形成晶片与晶片之间形成氢键氢键而结合牢固，水分而结合牢固，水分子及其他离子难以进入层间，并且形成较大的子及其他离子难以进入层间，并且形成较大的颗粒。因此其颗粒。因此其吸湿性、粘结性吸湿性、粘结性和和可塑性可塑性较较弱弱，富含高岭石的土壤富含高岭石的土壤保肥性差保肥性差。土壤胶体的类型 由两片硅氧片和一片水铝片由两片硅氧片和一片水铝片结合成的一个晶片（层）单结合成的一个晶片（层）单元，再相互叠加而成的。元，再相互叠加而成的。（2 2）蒙脱石类（）蒙脱石类（：型铝硅酸盐矿物）：型铝硅酸
27、盐矿物）每个晶层的两面均由每个晶层的两面均由O离子离子组（硅氧片上的），因而叠组（硅氧片上的），因而叠加时晶层间不能形成氢键，加时晶层间不能形成氢键，而是通过而是通过“氧桥氧桥”联结，这联结，这种联结力弱，晶层易碎裂，种联结力弱，晶层易碎裂，其晶粒比高岭石小。其晶粒比高岭石小。土壤胶体的类型 胀缩性大，吸湿性强，胀缩性大，吸湿性强，易在两边硅氧片中以易在两边硅氧片中以AlAl3+3+代代Si Si4+4+，有时可在硅铝片，有时可在硅铝片中，一般以中，一般以MgMg2+2+代代AlAl3+3+带负电带负电吸附负离子。吸附负离子。如蒙脱石，这类矿物多如蒙脱石，这类矿物多出现于北方土壤。如东出现于北
28、方土壤。如东北、华北的栗钙土、黑北、华北的栗钙土、黑钙土和褐土等。钙土和褐土等。硅氧片硅氧片铝氧片铝氧片硅氧片硅氧片特点：特点：土壤胶体的类型蛭石蛭石的的膨胀性比蒙脱石要小得多膨胀性比蒙脱石要小得多，其晶层间距，其晶层间距1.45nm，属有限，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。脱石和高岭石之间。蛭石在黄棕壤和黄壤中含量较高。蛭石蛭石也是也是21型型膨胀型粘土矿物，其晶层结构与蒙脱石基本相同，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。
29、也是两层硅氧片中夹一层水铝片。与蒙脱石不同的是，硅氧片中的与蒙脱石不同的是，硅氧片中的硅大部分被铝所取代硅大部分被铝所取代，水铝片水铝片中的铝也有不少被镁取代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，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l l 2:1型矿物型矿物(蒙脱石、绿泥石、蛭石等蒙脱石、绿泥石、蛭石等)土壤胶体的类型（）水云母类）水云母类 （：型粘土矿物）（：型粘土矿物）结构与蒙脱石相类似，只是同晶结构与蒙脱石相类似，只是同晶替代产生的负电荷主要被
30、钾离子替代产生的负电荷主要被钾离子中和中和,而少量被钙镁离子中和。而少量被钙镁离子中和。特点：特点：a、永久性电荷数量少于蒙脱石。、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、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、胀缩粗而比高岭石细。其粘结性、可塑、胀缩性居中。性居中。c、钾离子被固定在硅氧片的六角形网孔、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。释放出来，供植物利用。分布广泛，特别在西北干旱地
31、区和高寒地分布广泛，特别在西北干旱地区和高寒地区，以及风化度浅的土壤。区，以及风化度浅的土壤。土壤胶体的类型三种主要粘土矿物的性质比较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(+)kgkg-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
32、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高岭石高岭石逐渐代替水云母，逐渐代替水云母，铁铝氧化物铁铝氧化物也迅速增多。也迅速增多。我国土壤粘土矿物的分布我国土壤粘土矿物的分布温带干旱的漠境和温带干旱的漠境和半漠境地带：半漠境地带：风化程度低，化学风化程度弱，以风化程度低，化学风化程度弱，以形成水化度低的形成水化度低的水云母为主水云母为主，蒙脱，蒙脱石不多。石不多。半干旱草原地区：半干旱草原地区：蒙脱石迅速增加，结晶良好，以蒙脱石迅速增加，结晶良好，以蒙脱石和水云母为主蒙脱石和水云母为主。暖温带湿润地区：暖温带湿润地区：蛭石显
33、著增加，以蛭石显著增加，以水云母水云母蛭石为蛭石为主主，说明环境有利于进一步脱钾。，说明环境有利于进一步脱钾。中亚热带以南地区：中亚热带以南地区：土壤胶体的类型二二、有机胶体、有机胶体特点：特点：高分子有机化合物，高度亲水性。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。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）保肥性强，但不稳定（因受微生物作用而分解）主要是腐殖质。主要是腐殖质。少量的木素、蛋白质、纤维素等。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（腐殖质的电荷是由腐殖质含的羧基（
34、-COOH-COOH）、羟基（）、羟基（-OH-OH）、）、酚羟基解离出酚羟基解离出H H+、-COO-COO-、-O-O-等离子留在胶粒上而使胶粒带负电。等离子留在胶粒上而使胶粒带负电。一般每千克腐殖一般每千克腐殖质的代换量在质的代换量在200 200 cmol(+)kgcmol(+)kg-1-1左右，左右，高者可达高者可达5005001000 cmol(+)kg1000 cmol(+)kg-1-1 土壤胶体的类型三、三、有机无机复合胶体有机无机复合胶体通过通过Ca2+而而结合。结合。有机胶体与铁铝胶体的结合。有机胶体与铁铝胶体的结合。有机胶体与无机胶体的直接结合。有机胶体与无机胶体的直接结
35、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与-COOH-COOH、-OH-OH等官能团形成复合体。等官能团形成复合体。结合方式结合方式土壤胶体的类型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，群众称之为机无机复合体形成的措施，群众称之为土肥相融土肥相融。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。形成
36、，改善土壤理化性质。如复合体中的胡敏酸，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。增加，增强土壤的缓冲性能等。土壤胶体的类型第三节第三节 土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用一、土壤阳离子交换吸附作用的概念一、土壤阳离子交换吸附作用的概念土壤胶体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳离子土壤胶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。换吸附作用。土壤胶粒土壤胶粒Ca2+2KCl=土壤胶粒土壤胶粒K
37、+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。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，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。放，即供肥过程。阳离子交换离子从溶液转移到胶体表面的过程，称为离子的吸附过程。吸附的离子从胶体表面转移到溶液去的过程，称为离子的解吸过程。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
38、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作用*。二、土壤阳离子交换吸附作用的特点二、土壤阳离子交换吸附作用的特点1.1.可逆反应可逆反应在湿润地区的一般酸性土壤中，吸附的阳离子有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吸附性阳离子是Ca2+，其次有，其次有Mg2+、K+、Na+等。等。因此，在自然状况下，很难把土壤胶体上某一阳离子完全彻底地因此，在自然状况下，很难
39、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。多样的，不可能为单一种离子所组成。阳离子交换2.等量交换并服从质量作用定律等量交换并服从质量作用定律以等量电荷关系进行。以等量电荷关系进行。如一个如一个Ca2+可交换两个可交换两个Na+；一个二价的钙离子；一个二价的钙离子可以交换两个一价的氢离子。可以交换两个一价的氢离子。质量作用定律：质量作用定律：阳离子交换3.速度受交换点位置和温度的影响速度受交换点位置和温度的影响位置：位置：如果溶液中的离子能直接与胶粒表面代换性
40、离子接触，交换速度就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。的需要几昼夜才能达成平衡。高岭石高岭石类矿物交换作用主要发生在胶粒表面边缘上，所以类矿物交换作用主要发生在胶粒表面边缘上，所以速率很快速率很快；蒙脱石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，于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，
41、所以所以交换速率较慢交换速率较慢。温度温度：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。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（1）离子电荷价）离子电荷价三价二价一价（2）离子半径及水化程度）离子半径及水化程度 2阳离子的相对浓度及交换生成物的 性质 K Ca2K2SO4 K CaSO4有利于向生成物方向进行的条件有利于向生成物方向进行的条件生成物不断被移走生成物不断被移走（生物吸收、淋溶）（生物吸收、淋溶）形成沉淀形成沉淀（矿物固定）不溶物或难溶物（
42、矿物固定）不溶物或难溶物形成气体形成气体土壤土壤胶粒胶粒土壤土壤胶粒胶粒3.3.胶体性质胶体性质l交换量大的胶体（如蒙脱石）结合两价离子的能力强，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；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，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。换下来。l 又如：水云母具有六角形网孔（晶孔），容易吸附与又如：水云母具有六角形网孔（晶孔），容易吸附与其孔径大小相当的其孔径大小相当的K K+和和NH
43、NH4 4+，这些离子一旦进入六角，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，被固定的破裂时，被固定的K K+、NHNH4 4+方可重新释放出来。方可重新释放出来。阳离子交换四、土壤阳离子交换量四、土壤阳离子交换量（一）定义：（一）定义：在一定土壤在一定土壤pHpH值条件下，土壤能吸附的交换性阳离子的值条件下，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（的厘摩尔数（CationCation Exchange Capacity E
44、xchange Capacity，CECCEC）。）。单位：单位：cmolcmol（+）kgkg-1-1 。注：因为阳离子交换量随土壤注：因为阳离子交换量随土壤pHpH值变化而变化（因可变电荷变化），值变化而变化（因可变电荷变化），一般未特别注明时，是以一般未特别注明时，是以pHpH为为7 7的条件下测定土壤的交换量。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，是土壤保肥力的重要指标。有关，是土壤保肥力的重要指标。阳离子交换（二）影响（二）影响CECCEC的因素的因素 1.1.胶体数量胶
45、体数量（土壤质地）（土壤质地）土壤胶体物质越多（包括土壤胶体物质越多（包括矿质胶体、有机胶体和复矿质胶体、有机胶体和复合胶体），则合胶体），则CECCEC越大。越大。就矿质胶体而言，就矿质胶体而言，CECCEC随随着质地粘重程度增加而增着质地粘重程度增加而增加，所以粘质土加，所以粘质土CECCEC较砂较砂质土要大的多。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2.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胶休胶休种类种类腐殖质腐殖质蛭石蛭石蒙脱石蒙脱石
46、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-有机有机无机，无机，2:11:1，粘土矿物，粘土矿物含水的氧化物含水的氧化物 粘土矿物主要通过两个方面影响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粘土矿物的比表面积:蛭石、蒙脱石蛭石、蒙脱石水铝英石水铝英石、水云母、水云母 高岭石高岭石 b、粘土矿物所带的电荷数量粘土矿物所带的电荷数量 阳离子交换3.土壤土壤pH值：值：土壤酸碱度影响胶体表面官能团中土壤酸
47、碱度影响胶体表面官能团中H+的解离，的解离，因而影响因而影响可变电荷可变电荷的多少。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4.土壤有机质含量：土壤有机质含量：有机质中的腐殖质含有大量有机质中的腐殖质含有大量-COOH-COOH、-OH-OH等官能等官能团，当它们解离出团，当它们解离出H H+时，可使胶体带有大量负电时，可使胶体带有大量负电荷，而且腐殖质分散度大，具有
48、很大的吸收表面。荷，而且腐殖质分散度大，具有很大的吸收表面。所以腐殖质的所以腐殖质的CECCEC远远大于无机胶体。远远大于无机胶体。施用有机肥料，增加土壤腐殖质，可以提施用有机肥料，增加土壤腐殖质，可以提高高CECCEC，增强土壤保肥性。，增强土壤保肥性。阳离子交换 水铝英石水铝英石 50-100 针铁矿、三水铝石针铁矿、三水铝石 0.5-1.0(pH,8.0)水合氧化硅水合氧化硅 4.6(pH,8.0)高岭石高岭石 4.6 伊利石伊利石 15-40 蒙脱石蒙脱石 60-120 膨润土膨润土 59-120 蛭石蛭石 120-200 阳离子交换 土壤交换量的大小，基本上代表了土壤的保持养土壤交换
49、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分数量，也就是平常所说的保肥力高低；交换量交换量大，也就是保存养分的能力大，反之则弱大，也就是保存养分的能力大，反之则弱。所以，所以，土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指标土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指标。一般地：一般地：l小于小于10 cmol/kg，保肥力弱；，保肥力弱；l1020 cmol/kg，中等；，中等；l大于大于20 cmol/kg，强，强。CEC与土壤肥力的关系与土壤肥力的关系阳离子交换阳离子交换量和施肥有密切关系：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在施肥时不仅
50、要了解作物的需要，同时还要考虑土壤交换量的大小。换量的大小。在生产上的意义在生产上的意义例如在例如在砂土上施用化肥砂土上施用化肥，由于土壤交换量小，土壤保肥力差，由于土壤交换量小，土壤保肥力差，应该分多次施应该分多次施肥，每次施量不宜多，以免养分淋失肥，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，可通过施用河塘泥、厩肥、泥炭或掺粘土，对于交换量小、保肥力差的土壤，可通过施用河塘泥、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。土壤的阳离子交换量。举例？举
