1、一、一、土壤胶体的概念及种类土壤胶体的概念及种类二、层状硅酸盐粘土矿物二、层状硅酸盐粘土矿物三、土壤胶体的构造三、土壤胶体的构造四、四、土壤胶体的性质土壤胶体的性质六、六、土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用一、土壤胶体的概念及种类一、土壤胶体的概念及种类 大小在大小在1-100nm1-100nm的土壤固体颗粒。的土壤固体颗粒。实际上直径小于实际上直径小于1000nm1000nm的土壤粘粒都具有胶的土壤粘粒都具有胶体的性质。体的性质。所以在土壤学中，通常把粒径在所以在土壤学中，通常把粒径在1000nm1000nm以下的土壤粘粒都作为土壤胶体颗粒，以下的土壤粘粒都作为土壤胶体颗粒，比比化学上的胶
2、体颗粒上限大化学上的胶体颗粒上限大1010倍倍土壤无机胶体土壤无机胶体层状硅酸盐粘层状硅酸盐粘土矿物土矿物2 2：1 1型如蒙脱石型如蒙脱石1 1：1 1型如高岭石型如高岭石氧化物及其氧化物及其水合物水合物Al Fe Si Al Fe Si 的氧化物及水合的氧化物及水合氧化物，常呈胶膜被覆于氧化物，常呈胶膜被覆于土粒表面土粒表面土壤有机胶体土壤有机胶体土壤有机无机复合体土壤有机无机复合体类型类型（一）土壤无机胶体（一）土壤无机胶体 无机胶体存在土壤粘粒之中，包括：无机胶体存在土壤粘粒之中，包括：层状（铝）硅酸盐矿物层状（铝）硅酸盐矿物：是无机胶体的主要部：是无机胶体的主要部分，包括高岭石类、蒙
3、脱石类及水化云母类。分，包括高岭石类、蒙脱石类及水化云母类。含水氧化硅胶体含水氧化硅胶体；成分为；成分为SiOSiO2 2.H.H2 2O O（H H2 2SiOSiO3 3）.含水氧化铁、铝胶体含水氧化铁、铝胶体；褐铁矿、针铁矿、水铝；褐铁矿、针铁矿、水铝石、三水铝石等石、三水铝石等.（二）土壤有机胶体（二）土壤有机胶体 土壤有机胶体主要指腐殖质。土壤有机胶体主要指腐殖质。胶体表面的基团在胶体表面的基团在pHpH升高时带负电荷，升高时带负电荷，pHpH降低时带正电荷。降低时带正电荷。有机胶体会被微生物分解。有机胶体会被微生物分解。（三）有机（三）有机-无机复合胶体无机复合胶体 由有机胶体与无
4、机胶体互相结合而形成由有机胶体与无机胶体互相结合而形成的复合胶体。的复合胶体。在土壤中，有机胶体和无机胶体很少独在土壤中，有机胶体和无机胶体很少独立存在，大部分是以有机立存在，大部分是以有机-无机复合胶体无机复合胶体的形式存在的。的形式存在的。层状铝硅酸盐粘土矿物层状铝硅酸盐粘土矿物 构成层状硅酸盐粘土矿物晶格构成层状硅酸盐粘土矿物晶格的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。四面体的基本四面体的基本结构是由一个硅原子和四个氧原子所构成。结构是由一个硅原子和四个氧原子所构成。八面体的基本八面体的基本结构是结构是6 6个氧原子围绕个氧原子围绕1 1个铝原子所
5、构成。铝个铝原子所构成。铝原子位于中央，氧原子占据六个顶点。原子位于中央，氧原子占据六个顶点。硅氧四面体结构示意图硅四面体硅四面体铝氧八面体结构示意图 铝氧八面体铝氧八面体硅氧片和铝氧片硅氧片和铝氧片 硅氧四面体和硅氧四面体之间通过共用氧硅氧四面体和硅氧四面体之间通过共用氧原子互相联结就形成了原子互相联结就形成了硅氧片硅氧片。(底层氧离子底层氧离子电性得到中和，成为稳定结构，而顶层氧的电电性得到中和，成为稳定结构，而顶层氧的电荷没变，还是荷没变，还是-1-1价这样的氧成为活性氧）价这样的氧成为活性氧）铝氧八面体与铝氧八面体通过共用氧原子铝氧八面体与铝氧八面体通过共用氧原子互相连接就形成了互相连
6、接就形成了水铝片水铝片。（氧原子的电荷由。（氧原子的电荷由-1.5-1.5价变成价变成-1-1价）价）硅氧片与铝氧片（水铝片）称为基本晶片。硅氧片与铝氧片（水铝片）称为基本晶片。硅氧片硅氧片硅氧四面体硅氧四面体硅氧四面体互相联结示意图硅氧四面体联结成硅氧片,在平面上形成六角形网眼 高岭石结构示意图高岭石结构示意图高岭石结构示意图高岭石结构示意图蒙脱石结构示意图蒙脱石结构示意图 同晶替代同晶替代是指在是指在铝硅酸盐形成过程中铝硅酸盐形成过程中，硅氧片中的，硅氧片中的si以及铝氧片中的以及铝氧片中的AL，都可被电性相同、大小相近的，都可被电性相同、大小相近的其他离子所替代，而晶格构造保持不变的现象
7、。其他离子所替代，而晶格构造保持不变的现象。大部分是以低价离子代替高价离子，比大部分是以低价离子代替高价离子，比如：如：硅氧四面体中的硅氧四面体中的si 4+可被可被AL3+或或Fe3+代替。代替。铝氧铝氧八面体中的八面体中的AL3+可被可被Mg2+或或Fe2+代替。由于低价离子代替。由于低价离子取代了高价离子的位置，这样就少了一个正电荷，也取代了高价离子的位置，这样就少了一个正电荷，也就是多了一个负电荷，从而胶体带上了负电。就是多了一个负电荷，从而胶体带上了负电。2 2 主要的层状铝硅酸盐矿物主要的层状铝硅酸盐矿物高岭石：高岭石：单位晶层由一层硅氧片和一层铝氧片构单位晶层由一层硅氧片和一层铝
8、氧片构成。故称成。故称1 1：1 1型矿物型矿物。晶层之间以晶层之间以氢键连接氢键连接，联结力强。，联结力强。比表面积小，比表面积小，可塑性、粘结性、粘着性、可塑性、粘结性、粘着性、膨胀性很弱。膨胀性很弱。晶层中晶层中很少或没有同晶替代很少或没有同晶替代作用，对水作用，对水和阳离子的吸附力弱，和阳离子的吸附力弱，CEC=3-15 CEC=3-15 cmol(+)/kgcmol(+)/kg。主要存在于风化程度较高的土壤中。主要存在于风化程度较高的土壤中。高岭石结构示意图 蒙脱石蒙脱石：两层硅氧片中间夹一层铝氧片构成蒙脱石晶层。两层硅氧片中间夹一层铝氧片构成蒙脱石晶层。2 2：1 1型矿物型矿物。
9、晶层之间通过晶层之间通过范德华力连接相连，联结力弱。范德华力连接相连，联结力弱。水分子和养分离子易于进入晶层之间。水分子和养分离子易于进入晶层之间。比表面积大，胀缩性、粘结性、粘着性、可塑比表面积大，胀缩性、粘结性、粘着性、可塑性很强。性很强。晶格内普遍存在晶格内普遍存在同晶替代同晶替代作用，作用，对水和阳离子对水和阳离子的的吸附力强吸附力强，CEC=60-100 Cmol(+)/kgCEC=60-100 Cmol(+)/kg。主要存在于风化度低的土壤中。东北的黑钙土主要存在于风化度低的土壤中。东北的黑钙土 和华北的栗钙土。和华北的栗钙土。蒙脱石结构示意图三、土壤胶体的构造三、土壤胶体的构造土
10、壤胶体分散系土壤胶体分散系土壤胶粒土壤胶粒土壤溶液土壤溶液胶核胶核双电层双电层决定电位离子层决定电位离子层（内（内层）层）补偿离子层补偿离子层非活性层非活性层扩散层扩散层四、土壤胶体的性质四、土壤胶体的性质（二）土壤胶体的带电性（二）土壤胶体的带电性 永久电荷永久电荷 可可变电荷变电荷土壤胶体的电荷土壤胶体的电荷1.1.永久电荷：永久电荷：不受土壤溶液不受土壤溶液pHpH值变化而影响的值变化而影响的电荷类型称为永久电荷电荷类型称为永久电荷.由于层状硅酸盐矿物由于层状硅酸盐矿物晶格中的同晶替代作用所晶格中的同晶替代作用所产生，产生，2 2：1 1型的蒙脱石和伊利石同晶替代离子型的蒙脱石和伊利石同
11、晶替代离子比较多，电荷以永久负电荷为主。比较多，电荷以永久负电荷为主。2.2.可变电荷可变电荷 ：随着土壤溶液随着土壤溶液pHpH变化而变化而变化的电荷叫可变电荷。变化的电荷叫可变电荷。可变电荷产生的原因：可变电荷产生的原因：主要是胶体表面分主要是胶体表面分子子或者原子团的解离或者原子团的解离。（1 1）含水氧化硅分子解离）含水氧化硅分子解离（2 2）粘土矿物晶面上羟基解离（）粘土矿物晶面上羟基解离（1:11:1型粘型粘土矿物解离）土矿物解离）（3 3）腐殖质上某些原子团的解离）腐殖质上某些原子团的解离（4 4）含水氧化铁铝表面解离出）含水氧化铁铝表面解离出OHOH-或或H H+，带正电荷或负
12、电荷（在带正电荷或负电荷（在pH5pH5时带正电荷）时带正电荷）的分散性和凝聚性的分散性和凝聚性 六、土壤阳离子交换作用六、土壤阳离子交换作用（一）概念：（一）概念：土壤中带负电的胶体所吸附的阳土壤中带负电的胶体所吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子互相交换，离子与土壤溶液中的阳离子互相交换，称为称为阳阳离子交换作用离子交换作用离子从溶液中转移的胶体上的过程，称为离子从溶液中转移的胶体上的过程，称为离子离子的吸附过程的吸附过程；原来吸附在胶体上的离子转移到；原来吸附在胶体上的离子转移到溶液中的过程，称为溶液中的过程，称为离子的解吸过程离子的解吸过程。土壤土壤胶粒胶粒土壤土壤胶粒胶粒Ca2+NH4+
13、3K+Ca2+NH4+K+K+K+（二）阳离子交换作用的基本特征（二）阳离子交换作用的基本特征 1 1、可逆反应、可逆反应 阳离子交换反应阳离子交换反应同时向两个相反方向进同时向两个相反方向进行行，而任何一个方向的反应都不能进行完全。达到的平衡，而任何一个方向的反应都不能进行完全。达到的平衡是一种动态平衡，如果溶液的组成或浓度改变，则反应又是一种动态平衡，如果溶液的组成或浓度改变，则反应又在新的情况下重新达到平衡。在新的情况下重新达到平衡。2 2、等当量交换、等当量交换 和其它化学反应相同，土壤阳离子交和其它化学反应相同，土壤阳离子交换反应是换反应是等当量电荷对等当量电荷等当量电荷对等当量电荷
14、的反应。的反应。3 3、受质量作用定律的支配、受质量作用定律的支配 根据质量作用定律，离根据质量作用定律，离子价数较低，交换能力较弱的离子，如果提高它的浓度，子价数较低，交换能力较弱的离子，如果提高它的浓度，也可以交换出离子价数较高，吸附力较强的离子。也可以交换出离子价数较高，吸附力较强的离子。阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体上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：子交换能力大小的顺序为：FeFe3+3+AlAl3+3+H H+CaCa2+2+MgMg2+2+NHNH4 4+K K+NaNa+（三）
15、阳离子交换能力（三）阳离子交换能力影响阳离子交换的因素影响阳离子交换的因素(1)(1)离子价：离子价：高价离子交换能力低价离子高价离子交换能力低价离子 (2)(2)离子半径和离子水化半径离子半径和离子水化半径 同价离子，半径越大，水化度越小，离子交换能力越同价离子，半径越大，水化度越小，离子交换能力越强。强。(3)(3)离子的运动速度离子的运动速度 运动速度越快，越易被胶粒运动速度越快，越易被胶粒吸附，交换能力越强吸附，交换能力越强。(4)(4)离子浓度离子浓度 受质量作用定律的支配，交换能力较受质量作用定律的支配，交换能力较弱的离子，如果提高它的浓度，也可以把交换能力强弱的离子，如果提高它的
16、浓度，也可以把交换能力强的离子从胶体上交换出来。的离子从胶体上交换出来。（四）阳离子交换量（四）阳离子交换量（CEC)CEC)在一定的在一定的pHpH值条件下，土壤所含有的交换性阳值条件下，土壤所含有的交换性阳离子的最大量，就称为土壤的离子的最大量，就称为土壤的阳离子交换量阳离子交换量，简称简称CECCEC。测定测定CECCEC时通常将土壤时通常将土壤pHpH控制为控制为7 7CECCEC的表示单位是是每公斤土壤交换性阳离子的表示单位是是每公斤土壤交换性阳离子的厘摩尔数，的厘摩尔数，Cmol(+)/kg.(me/100g)Cmol(+)/kg.(me/100g)阳离子交换量是评价土壤肥力的阳离
17、子交换量是评价土壤肥力的一个指标。一个指标。它直接反应土壤可以提它直接反应土壤可以提供速效养分的数量，也能表示土壤供速效养分的数量，也能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小。保肥能力、缓冲能力的大小。CEC 20 CEC 20 保肥能力保肥能力低中高影响阳离子交换量的主要因素有：影响阳离子交换量的主要因素有：（1 1）质地）质地：质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳：质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳离子交换量也越大离子交换量也越大。（2 2）有机质：）有机质：有机质含量高，有机质含量高，CECCEC也高；也高；（3 3）无机胶体种类：）无机胶体种类：蒙脱石蒙脱石 水云母水云母 高岭石高岭石 氧化铁
18、、铝氧化铁、铝（4 4）土壤酸碱度：）土壤酸碱度：在一般情况下，随着在一般情况下，随着pHpH的升高，的升高，土壤的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增土壤的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。加。质地砂土砂壤土壤土粘土CEC157815182530 土壤阳离子交换量大小的地带性规律土壤阳离子交换量大小的地带性规律：我国土壤我国土壤CECCEC大小，大小，由南向北，由西向东由南向北，由西向东逐渐增加。逐渐增加。南北差异南北差异主要由于主要由于粘土矿物组成不同粘土矿物组成不同造造成。北方土壤以蒙脱石和水云母为主，成。北方土壤以蒙脱石和水云母为主，CECCEC大，南方以高岭石及含水氧化铁铝为大
19、，南方以高岭石及含水氧化铁铝为主，主，CECCEC小。小。东西部土壤东西部土壤CECCEC大小差异大小差异，是由于，是由于质地质地不不同造成，西部土壤质地粗，东部土壤质同造成，西部土壤质地粗，东部土壤质地较细。地较细。（五）盐基饱和度（五）盐基饱和度 盐基离子盐基离子:K+,Na+,Ca2+,Mg2+,土壤胶体土壤胶体 吸附的吸附的 NHNH4 4+阳离子阳离子 致酸离子致酸离子:Al:Al3+3+,H,H+土壤中盐基离子占交换性阳离子总量的百分率土壤中盐基离子占交换性阳离子总量的百分率,称为称为盐盐基饱和度基饱和度.盐基饱和的土壤具有盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应中性或碱性反应；而盐基不饱
20、和的土壤则具有酸性反应，为而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤酸性土壤；克土）量阳离子交换量（毫克当克土）当量交换性盐基总量（毫克盐基饱和度100/100/100%(六六)影响交换性阳离子有效度的因素影响交换性阳离子有效度的因素 交换性阳离子对植物的有效性如何，在很大程度上交换性阳离子对植物的有效性如何，在很大程度上取决于它们从胶体上解吸或交换的难易。取决于它们从胶体上解吸或交换的难易。1 1、交换性阳离子的饱和度、交换性阳离子的饱和度 交换性阳离子的有效度一方面与某种交换性离子的绝交换性阳离子的有效度一方面与某种交换性离子的绝对数量有关，但与该离子的饱和度的关系更大。对数量有关，但与
21、该离子的饱和度的关系更大。离子离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效度就越大的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效度就越大 交换性阳离子的饱和度与土壤阳离子交换量的大小有交换性阳离子的饱和度与土壤阳离子交换量的大小有关，关，施同样数量的化肥与砂、粘两种土壤上，哪个有施同样数量的化肥与砂、粘两种土壤上，哪个有效度大、见效快？效度大、见效快？2 2、陪补（伴）离子效应、陪补（伴）离子效应 陪补离子陪补离子:在土壤胶体上同时吸附这多种离子（如，在土壤胶体上同时吸附这多种离子（如，K K+、NaNa+、CaCa2+2+、MgMg2+2+、NHNH4 4+、AlAl3+3+、H H+等），对其中等）
22、，对其中某种离子（如，某种离子（如，K K+）来说，其余各种离子都称为它）来说，其余各种离子都称为它的陪补离子。的陪补离子。交换性阳离子的有效度与陪补离子的种类有关交换性阳离子的有效度与陪补离子的种类有关。由于。由于陪补离子不同，对某种指定离子的有效度也不同。陪补离子不同，对某种指定离子的有效度也不同。陪补离子与土壤胶粒之间的吸附力越大，则愈能提高陪补离子与土壤胶粒之间的吸附力越大，则愈能提高指定离子的有效度。指定离子的有效度。陪补离子与指定离子吸附的先后顺序也影响有效度。陪补离子与指定离子吸附的先后顺序也影响有效度。土壤中的阳离子（土壤中的阳离子（K+K+、NHNH4 4+）所发生的非所发生的非K+K+、NH4+NH4+K+K+、NH4+NH4+
