第八章土壤膠體化學和表面反應

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1、第八章第八章 土壤膠體化學和表面反應土壤膠體化學和表面反應Soil Colloidal Chemistry and Surface Reaction8.1 Surface properties of soil colloid 土壤膠體的表面性質(zhì)土壤膠體的表面性質(zhì)8.2 Adsorption and exchange of cations by soil colloids 土壤膠體對陽離子的吸附交換反應土壤膠體對陽離子的吸附交換反應 8.3 Adsorption and exchange of anions by soil colloids 土壤膠體對陰離子的吸附與交換土壤膠體對陰離子的吸附與交

2、換 l Concepts of soil colloid The colloid is a state of matter consisting of very fine particles that approach but never reach molecular sizes. (0.2m5nm) l Clay comprises all inorganic solids smaller than 0.002mm (2m) in effective diameter and is considered a colloid. l Soil organic matter and plant

3、solids also occur in the colloidal state.第一節(jié)第一節(jié) 土壤膠體的表面性質(zhì)土壤膠體的表面性質(zhì) Surface properties of soil colloid一、土壤膠體表面類型一、土壤膠體表面類型 Surface category of soil colloid 土壤膠體土壤膠體: : 無機膠體無機膠體( (粘粒粘粒) )和有機膠體和有機膠體( (腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)),),多呈多呈有機有機無機復合膠體。無機復合膠體。 按表面位置按表面位置分分內(nèi)表面：內(nèi)表面：膨脹性粘土礦物的層間表面和腐殖質(zhì)分子膨脹性粘土礦物的層間表面和腐殖質(zhì)分子聚集體內(nèi)的表面，其表面反應

4、為緩慢滲入過程。聚集體內(nèi)的表面，其表面反應為緩慢滲入過程。 蒙脫石、蛭石等。蒙脫石、蛭石等。外表面：外表面： 粘粒的外表面和腐殖質(zhì)、游離鐵鋁氧化粘粒的外表面和腐殖質(zhì)、游離鐵鋁氧化物等包被的表面，表面反應迅速。物等包被的表面，表面反應迅速。 高嶺石、水鋁英石和鐵鋁氧化物等。高嶺石、水鋁英石和鐵鋁氧化物等。 按表面的化學結(jié)構(gòu)特點可分為按表面的化學結(jié)構(gòu)特點可分為: : 硅氧烷型、水合氧化物型和有機物表面硅氧烷型、水合氧化物型和有機物表面l 硅氧烷型表面硅氧烷型表面 Siloxane surface SiOSi Siloxane surface is characterized by surface

5、planes of oxygen atoms, underlaid by silican atoms of tetrahedrons. The charge is mainly attributed to isomorphous substitution of the underlaying silicon atoms of the tetrahedrons. 2:1型粘粒的上、下兩面，型粘粒的上、下兩面，1:1型粘粒型粘粒1/21/2面。面。 非極性的疏水表面。非極性的疏水表面。 電荷來源為同晶置換電荷來源為同晶置換( (Al3+Si4+)，少部分是邊角斷鍵，少部分是邊角斷鍵，為永久電荷。為

6、永久電荷。 硅氧烷型表面硅氧烷型表面 Siloxane surface Si Si O 硅氧烷型表面硅氧烷型表面 Siloxane surface Si Si Ol 水合氧化物型表面水合氧化物型表面 Oxy-hydroxide surface 由金屬陽離子和氫氧基組成的表面由金屬陽離子和氫氧基組成的表面 MOH Surface is characterized by planes of exposed hydroxyl, OH, groups, underlaid by Al, Fe or Si atoms in the center of the octahedrons. The expos

7、ed hydroxylgroups are subject to dissociation and play an important role in the development of negative charge. 鋁醇鋁醇AlOH，鐵醇，鐵醇FeOH，硅烷醇，硅烷醇SiOH等。水鋁等。水鋁(鎂鎂)片，鐵、鋁氧化物及硅片邊角斷鍵。片，鐵、鋁氧化物及硅片邊角斷鍵。 極性親水表面極性親水表面。 電荷來源為表面電荷來源為表面OH基質(zhì)子的締合基質(zhì)子的締合OH2+ 或或 離解離解OHO- + H+。可變電荷?？勺冸姾?。 水合氧化物型表面水合氧化物型表面 Oxy-hydroxide surface

8、 MOH無定形的氧化鐵、鋁等膠體表面l 有機物表面有機物表面 Organic material surface 腐殖物質(zhì)為主的表面，表面羧基腐殖物質(zhì)為主的表面，表面羧基(COOH)、酚羥基、酚羥基(OH)、氨基、氨基(NH2)等活性基團。離解等活性基團。離解H+ +或締合或締合H+產(chǎn)生表面產(chǎn)生表面電荷。電荷。RCOOHH2O RCOO-+H3O+ RNH2H2O RNH3+OH- 電荷的產(chǎn)生取決于功能團的解離常數(shù)和介質(zhì)的電荷的產(chǎn)生取決于功能團的解離常數(shù)和介質(zhì)的pH, 屬屬可變電荷?？勺冸姾?。 三類膠體表面往往相互交織。三類膠體表面往往相互交織。比表面比表面(Specific surface a

9、reas)：單位重量單位重量( (體積體積) )物體的總表面積物體的總表面積 物體顆粒愈細小，表面積愈大。物體顆粒愈細小，表面積愈大。 二、土壤膠體表面積和比表面二、土壤膠體表面積和比表面 Surface areas and specific surface areas of soil colloid土粒直徑（土粒直徑（mm） 總表面積（總表面積（cm2） 比面（比面（cm2/cm3） 10 3.14 6 1 31.42 60 0.05 628.32 1200 0.001 31416 60000 粘土礦物晶核、有機物成分和無機膠膜等對表面積有重粘土礦物晶核、有機物成分和無機膠膜等對表面積有重要

10、貢獻：要貢獻： 粘土礦物粘土礦物的類型不同，表面積大小和表面類型差別很大的類型不同，表面積大小和表面類型差別很大 膨脹性膨脹性2:1型型粘土礦物總表面積大，以內(nèi)表面積為主粘土礦物總表面積大，以內(nèi)表面積為主 非膨脹性非膨脹性2:1型和型和1:1型型粘土礦物總表面積小，一般以外表粘土礦物總表面積小，一般以外表面為主（水化埃洛石例外）。面為主（水化埃洛石例外）。 水鋁英石水鋁英石比表面較大，內(nèi)、外表面各一半。比表面較大，內(nèi)、外表面各一半。鐵、鋁氧化物鐵、鋁氧化物的比表面與其晶化程度有關(guān)，以外表面為主的比表面與其晶化程度有關(guān)，以外表面為主。（專紅壤游離氧化鐵表觀比表面（專紅壤游離氧化鐵表觀比表面170

11、m170m2 2/g)/g)土壤有機質(zhì)土壤有機質(zhì)的比表面大，表觀比表面可達的比表面大，表觀比表面可達700 m2/g膠體成分膠體成分 內(nèi)表面積內(nèi)表面積 外表面積外表面積 總表面積總表面積 蒙脫石蒙脫石 700750 15150 700850 蛭石蛭石 400750 150 400800 水云母水云母 05 90150 90150 高嶺石高嶺石 0 540 540 水鋁英石水鋁英石 130400 130400 260800 土壤中常見粘土礦物的比表面積（土壤中常見粘土礦物的比表面積（m2/g）土壤膠體土壤膠體 比表面積比表面積(m2/g） 表面類型表面類型 膠體類型膠體類型 磚紅壤膠體磚紅壤膠體

12、 6080 外表面為主外表面為主 高嶺石、三水鋁石高嶺石、三水鋁石紅壤膠體紅壤膠體 100150 外表面外表面內(nèi)表面內(nèi)表面 高嶺石、水云母高嶺石、水云母黃棕壤膠體黃棕壤膠體 200300 內(nèi)表面為主內(nèi)表面為主 水云母、蛭石水云母、蛭石我國幾種主要土壤膠體的比表面積我國幾種主要土壤膠體的比表面積比表面的測定方法比表面的測定方法 Determination of Specific surface areas p儀器法儀器法: : 電子顯微鏡，電子顯微鏡，X X射線衍射儀射線衍射儀 測定代表性土壤或粘土礦物顆粒的大小和形狀，計測定代表性土壤或粘土礦物顆粒的大小和形狀，計算理論比表面積。算理論比表面積

13、。 p吸附法：吸附法： A group of methods based on adsorption of compounds in the vapor or gas phase. 氮氣、水蒸氣、甘油、乙二醇乙醚氮氣、水蒸氣、甘油、乙二醇乙醚(EGME)比表面比表面= =單個分子面積單個分子面積土壤顆粒表面吸附單分子層所需分子數(shù)土壤顆粒表面吸附單分子層所需分子數(shù)電荷數(shù)量電荷數(shù)量：決定土壤吸附離子的多少決定土壤吸附離子的多少電荷密度電荷密度：決定離子吸附的牢固程度決定離子吸附的牢固程度影響土壤中離子移動和擴散，有機影響土壤中離子移動和擴散，有機無機復合無機復合體形成，土壤分散、絮凝和膨脹、收縮等

14、性質(zhì)體形成，土壤分散、絮凝和膨脹、收縮等性質(zhì) 三、土壤表面電荷和電位三、土壤表面電荷和電位 Electric Charge and potential in soil particle surface土壤電土壤電荷荷凈電荷：凈電荷：土壤的正電荷和負電荷的代數(shù)和；土壤的正電荷和負電荷的代數(shù)和；大多數(shù)土壤帶凈負電荷。大多數(shù)土壤帶凈負電荷。永久電荷永久電荷 Permanent charge 來源來源: : 粘土礦物晶層中核心離子的同晶替代粘土礦物晶層中核心離子的同晶替代 特點：特點：不受不受介質(zhì)介質(zhì)pH值值和和電解質(zhì)濃度電解質(zhì)濃度的影響的影響l土壤電荷種類和來源土壤電荷種類和來源 Type and

15、origin of charge in soils Isomorphous substitution is believed to be a major source of negative charges in 2:1 layer clays.可變電荷可變電荷 Variable or pH-dependent charge 來源來源: : 土壤固相表面從介質(zhì)中吸附離子或向介質(zhì)中釋土壤固相表面從介質(zhì)中吸附離子或向介質(zhì)中釋放離子。放離子。 Dissociation of exposed hydroxyl groups. Alkaline medium: -M-OH + OH- -M-O- + H

16、2O Acid medium: -M-OH + H+ -M-OH2+ 特點：特點：電荷類型和電荷數(shù)量均決定于介質(zhì)酸堿度，又電荷類型和電荷數(shù)量均決定于介質(zhì)酸堿度，又稱稱pHpH依變電荷依變電荷。 腐殖質(zhì)產(chǎn)生可變電荷腐殖質(zhì)產(chǎn)生可變電荷 腐殖質(zhì)具有很多含氧功能團，這些功能團在介質(zhì)腐殖質(zhì)具有很多含氧功能團，這些功能團在介質(zhì)pH值發(fā)生變值發(fā)生變化時，可解離而帶電。羥基、酚羥基解離使腐殖質(zhì)帶負電，氨基化時，可解離而帶電。羥基、酚羥基解離使腐殖質(zhì)帶負電，氨基質(zhì)子化使腐殖質(zhì)帶正電荷。質(zhì)子化使腐殖質(zhì)帶正電荷。 層狀鋁硅酸鹽產(chǎn)生可變電荷層狀鋁硅酸鹽產(chǎn)生可變電荷 1:1型粘土礦物的晶面一面為硅氧烷型表面，另一面則為

17、羥基型粘土礦物的晶面一面為硅氧烷型表面，另一面則為羥基化表面，后者在介質(zhì)化表面，后者在介質(zhì)pH值發(fā)生變化時，吸附或釋放一個值發(fā)生變化時，吸附或釋放一個H+，使表，使表面帶電。面帶電。 氧化物帶可變電荷氧化物帶可變電荷 氧化物不帶電時的氧化物不帶電時的pH值稱為電荷零點，簡稱值稱為電荷零點，簡稱ZPC。 介質(zhì)介質(zhì)pHZPC時時氧化物帶負電；氧化物帶負電； pHZPC時時氧化物帶正電氧化物帶正電. 氧化物的電荷零點，與金屬的價數(shù)有關(guān)。氧化物的電荷零點，與金屬的價數(shù)有關(guān)。l土壤電荷數(shù)量土壤電荷數(shù)量 Charge quantity in soils 一般用每千克物質(zhì)吸附離子的厘摩爾數(shù)表示（cmol/k

18、g）陽離子交換量陽離子交換量 Cation exchange capacity (CEC)： pH為7時土壤凈負電荷的數(shù)量。 cmol(+)/kg陰離子交換量陰離子交換量 Anion exchange capacity (AEC)： 一定條件下土壤的正電荷量。 cmol(-)/kg 影響土壤電荷數(shù)量的因素影響土壤電荷數(shù)量的因素 l土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地 土壤所帶電荷數(shù)量，土壤所帶電荷數(shù)量，80%集中在粒徑小于集中在粒徑小于2微米的膠體部分，故微米的膠體部分，故粘粒數(shù)量愈多的粘質(zhì)土，帶電愈多。粘粒數(shù)量愈多的粘質(zhì)土，帶電愈多。l 膠體類型及組成成分膠體類型及組成成分 有機膠體帶負電荷量有機膠體帶負電荷量

19、150-450cmol/kg；無機膠體為；無機膠體為5-100 cmol/kg。 2:1型粘土礦物帶負電量大于型粘土礦物帶負電量大于1:1型粘土礦物；型粘土礦物； 土壤中氧化物類膠體，由于電荷零點較高，因此一般帶負電荷很土壤中氧化物類膠體，由于電荷零點較高，因此一般帶負電荷很少。甚至帶正電荷。少。甚至帶正電荷。l 土壤膠體組分間的相互作用土壤膠體組分間的相互作用 土壤中有機膠體和無機膠體往往結(jié)合在一起成為有機土壤中有機膠體和無機膠體往往結(jié)合在一起成為有機無機復合無機復合體，其復合膠體帶電量體，其復合膠體帶電量不是二者分散存在時帶電量的加和而是負電荷不是二者分散存在時帶電量的加和而是負電荷減少減

20、少，存在非加和性。，存在非加和性。擴散雙電層擴散雙電層 Diffuse double layer：當靜電引力與熱擴散相平衡時，當靜電引力與熱擴散相平衡時，土壤帶電膠體表面與溶液的界面上形成的由一層固相表面電荷和一土壤帶電膠體表面與溶液的界面上形成的由一層固相表面電荷和一層溶液中相反符號離子組成的電荷非均勻分布的空間結(jié)構(gòu)。層溶液中相反符號離子組成的電荷非均勻分布的空間結(jié)構(gòu)。 膠體表面的膠體表面的( (負負) )電荷層電荷層 緊靠表面溶液的反離子或補償緊靠表面溶液的反離子或補償( (陽陽) )離子層離子層 兩者電荷數(shù)相等，符號相反，維持體系的電中性。靜電引力使兩者電荷數(shù)相等，符號相反，維持體系的電

21、中性。靜電引力使反離子靠近表面，熱運動又使其脫離表面而形成具有擴散特征的反反離子靠近表面，熱運動又使其脫離表面而形成具有擴散特征的反離子層，又稱擴散層。其中反離子呈不均勻分布。離子層，又稱擴散層。其中反離子呈不均勻分布。l土壤膠體表面電位土壤膠體表面電位 Surface potential in soil colloids Double-layer 膠體微粒膠體微粒 膠核膠核 雙電層雙電層 決定電位離子層（內(nèi)）決定電位離子層（內(nèi)） 補償離子層（外）補償離子層（外） 非活性離子層非活性離子層擴散層擴散層 擴散層中反離子的不均勻分布可用擴散層中反離子的不均勻分布可用Boltzmann方程表示：方程

22、表示：C Cx xC C0 0exp(-ZFexp(-ZFx x/RT)/RT) Cx距表面距表面x處反號離子濃度；處反號離子濃度；CO本體溶液反號離子濃度；本體溶液反號離子濃度； Z反號離子價數(shù)；反號離子價數(shù)； FFaraday 常數(shù)常數(shù) x距表面距表面x處的電位；處的電位； R氣體常數(shù)氣體常數(shù) T絕對溫度絕對溫度 雙電層中距表面雙電層中距表面x處的反離子濃度處的反離子濃度CX是是x處電位處電位x的指數(shù)函數(shù)，呈曲線降低。的指數(shù)函數(shù)，呈曲線降低。 第二節(jié)第二節(jié) 土壤膠體對陽離子的吸附交換反應土壤膠體對陽離子的吸附交換反應Adsorption and exchange of cation by

23、soil colloids 一、離子吸附的概念一、離子吸附的概念 Concept about ion adsorption 吸附作用：吸附作用：根據(jù)物理化學反應原理，溶質(zhì)在溶液中呈不均勻根據(jù)物理化學反應原理，溶質(zhì)在溶液中呈不均勻的分布狀態(tài)，溶液表面層中的濃度與其內(nèi)部不同的現(xiàn)象。的分布狀態(tài)，溶液表面層中的濃度與其內(nèi)部不同的現(xiàn)象。 正吸附正吸附 、負吸附、負吸附Forces of adsorptionlPhysical forces: Van der Waals force, short-range dipole-dipole interactions, importance at close d

24、istanceslHydrogen bonding: a hydrogen atom acts as the connecting linkagelElectrostatic bonding: electrical charge on the colloid surfacelCo-ordinate covalence bonding: the ligand donates electron pairs to a metal ion Electrostatic bonding is the reason for cation adsorption and exchange reactions o

25、n clay surface. Since clay colloids carry negative charges, cations are attracted to the clay particles. They are held electrostatically on the surface of the clay. Most of them are free to distribute themselves through the liquid phase by diffusion. The density of ion population is greatest at or n

26、ear the surface. These cations are called adsorbed cations.陽離子吸附：陽離子吸附：土壤溶液中的陽離子轉(zhuǎn)移到土壤膠體表面，為土壤溶液中的陽離子轉(zhuǎn)移到土壤膠體表面，為土壤膠體所吸附。土壤膠體所吸附。陽離子解吸：陽離子解吸：土壤膠體表面吸附陽離子轉(zhuǎn)移到土壤溶液中。土壤膠體表面吸附陽離子轉(zhuǎn)移到土壤溶液中。二、陽離子靜電吸附二、陽離子靜電吸附 Cation adsorption by electrostatic bonding 土壤膠體表面靜電引力產(chǎn)生的陽離子吸附的速度、數(shù)量土壤膠體表面靜電引力產(chǎn)生的陽離子吸附的速度、數(shù)量和強度決定于膠體表面電

27、位、離子價數(shù)和半徑等因素。和強度決定于膠體表面電位、離子價數(shù)和半徑等因素。Orders of adsorption among the cations 土壤膠體表面負電荷愈多，吸附陽離子數(shù)量愈多；土壤膠體表面負電荷愈多，吸附陽離子數(shù)量愈多； 電荷密度愈大，陽離子帶電荷愈多，離子吸附愈牢。電荷密度愈大，陽離子帶電荷愈多，離子吸附愈牢。 不同價陽離子與土壤膠體表面親和力不同價陽離子與土壤膠體表面親和力： M3+ M2+ M+ 同價陽離子，水合半徑越小，離子吸附強度越大。同價陽離子，水合半徑越小，離子吸附強度越大。 Monovalent cations: Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li

28、+一價離子一價離子 Li+ Na+ K+ NH4+ Rb+離子真實半徑離子真實半徑(nm)離子水合半徑離子水合半徑(nm)離子在膠體的吸附力離子在膠體的吸附力 0.078 0.098 0.133 0.143 0.149 1.008 0.790 0.537 0.532 0.509 弱弱 強強 （一）（一）陽離子交換作用陽離子交換作用 土壤溶液中陽離子與土壤膠體表面吸附陽離子互換位置土壤溶液中陽離子與土壤膠體表面吸附陽離子互換位置 交換性陽離子：交換性陽離子：被土壤膠體表面所吸附，能被土壤溶液被土壤膠體表面所吸附，能被土壤溶液中的陽離子所交換的陽離子中的陽離子所交換的陽離子。三、陽離子交換三、陽離

29、子交換 Cation exchange The adsorbed cations can be exchanged by other cations. The process of replacement is called cation exchange.Soil colloid KKNH4HNH4MgNaNa+3Ca2+Soil colloid CaCaCaHNH4+Mg2Na+2K+l The importance of Cation exchange The adsorption and cation exchange are of great practical significan

30、ce in nutrient uptake by plant, soil fertility, nutrient retention, fertilizer application and soil pollution prevention. Adsorbed cations are generally available to plants. Nutrients added to the soil will be retained by colloidal surfaces and are temporarily prevented from leaching. Cations that m

31、ay pollute groundwater may be filtered by the adsorptive action of soil colloids. As such, the adsorption complex is considered to give to the soil a storage and buffering capacity for cations. 可逆反應可逆反應，反應速度很快，溶液中與膠體表面吸附陽離，反應速度很快，溶液中與膠體表面吸附陽離子處于動態(tài)平衡。子處于動態(tài)平衡。遵循等價離子交換的原則遵循等價離子交換的原則符合質(zhì)量作用定律符合質(zhì)量作用定律（Mas

32、s action law）l 陽離子交換作用的主要特點陽離子交換作用的主要特點 Characteristics of cation exchange 2121K21 21物物物物反應反應產(chǎn)物產(chǎn)物產(chǎn)物產(chǎn)物反應反應平衡常數(shù)陽離子特性陽離子特性，即陽離子與膠體表面之間的親和力即陽離子與膠體表面之間的親和力 高價陽離子交換能力大于低價離子高價陽離子交換能力大于低價離子 水合半徑小的陽離子交換能力大于水合半徑大的水合半徑小的陽離子交換能力大于水合半徑大的 （H+例外，半徑小，水合度低，運動快，交換能力強）例外，半徑小，水合度低，運動快，交換能力強）陽離子的濃度和數(shù)量陽離子的濃度和數(shù)量（符合質(zhì)量作用定律符

33、合質(zhì)量作用定律） 實踐中可以通過增加有益陽離子濃度的方法調(diào)控實踐中可以通過增加有益陽離子濃度的方法調(diào)控交換方向，提高肥力和控制污染。交換方向，提高肥力和控制污染。l 陽離子交換的影響因素陽離子交換的影響因素 Influenced factors of cation exchange Fe3+ 、Al3+ H+ Ca2+ Mg2+K+ Na+ CEC of soils is defined as the capacity of soils to adsorb and exchange cations. The unite is cmol(+)/kg. (International System)

34、 CEC是土壤所能吸附和交換的陽離子的容量是土壤所能吸附和交換的陽離子的容量 cmol(+)/kg It is common practice in the deternination of CEC to analyze all exchangeable cations. CEC=cmol(+) exchangeable cations per kg soil（二）陽離子交換量（二）陽離子交換量 (CEC) Cation exchange capacity 土壤土壤CEC實際上是土壤所帶負電荷的數(shù)量。實際上是土壤所帶負電荷的數(shù)量。CEC與土壤膠與土壤膠體的比表面和表面電荷有關(guān)。體的比表面和表面

35、電荷有關(guān)。 CEC = specific surface areas surface charge density陽離子交換量可作為土壤保肥能力和緩沖能力的指標陽離子交換量可作為土壤保肥能力和緩沖能力的指標 CEC （cmol(+)/kg） 10 1020 20 保肥力、緩沖力保肥力、緩沖力 弱弱 中等強中等強 影響土壤影響土壤CEC的因素的因素 土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地: 由砂質(zhì)向粘質(zhì)變化，陽離子交換量逐漸增大。由砂質(zhì)向粘質(zhì)變化，陽離子交換量逐漸增大。 質(zhì)質(zhì) 地地 砂土砂土 砂壤土砂壤土 壤土壤土 粘土粘土 CEC(c(+)mol/kg) 1-5 7-8 7-18 25-30有機質(zhì)含量有機質(zhì)含量:

36、有機膠體所帶負電荷量較無有機膠體所帶負電荷量較無 機膠體大得多，因而有機膠體大得多，因而有機質(zhì)含量高的土壤陽離子交換量高，保肥力強。機質(zhì)含量高的土壤陽離子交換量高，保肥力強。無機膠體類型無機膠體類型: :一般粘土礦物一般粘土礦物CEC 2:1型型1:1型，型，1:1型型氧化物，氧化物，2:1型中蒙脫石類型中蒙脫石類水云母類。水云母類。土壤酸堿性土壤酸堿性: 帶可變電荷的土壤膠體，酸堿性是影響其電荷數(shù)量的帶可變電荷的土壤膠體，酸堿性是影響其電荷數(shù)量的重要因素，進而影響土壤重要因素，進而影響土壤CEC和保肥能力。和保肥能力。 例如：磚紅壤例如：磚紅壤pH值由自然條件下的值由自然條件下的5左右提高到

37、左右提高到7左右時，其負電左右時，其負電荷量約增加荷量約增加70%。（三）鹽基飽和度（三）鹽基飽和度(BS) Base saturation percentage BS：鹽基離子占吸附陽離子總量鹽基離子占吸附陽離子總量(CEC)的百分數(shù)。的百分數(shù)。 Base saturation percentage(%)= 100 exchangeable bases cmol(+)/kgCEC cmol(+)/kg交換性陽離子交換性陽離子致酸離子：致酸離子：H+、Al3+離子離子鹽基離子：鹽基離子： K+, Na+, Ca2+,Mg2+,NH4+離子等離子等鹽基飽和土壤：鹽基飽和土壤：土壤膠體上吸附的陽離

38、子全部是鹽基土壤膠體上吸附的陽離子全部是鹽基離子，呈鹽基飽和狀態(tài)；具有中性或堿性反應。離子，呈鹽基飽和狀態(tài)；具有中性或堿性反應。鹽基不飽和土壤：鹽基不飽和土壤：土壤膠體上吸附的陽離子僅部分是鹽土壤膠體上吸附的陽離子僅部分是鹽基離子，其余為致酸離子，呈鹽基不飽和狀態(tài)；具有酸基離子，其余為致酸離子，呈鹽基不飽和狀態(tài)；具有酸性反應。性反應。BSpH A positive correlation exists between base saturation percent and soil pH. Low BS means the presence of a lot of H+ ions. Arid

39、region soils are usually higher in BS than soils in humid regions.BSfertility BS80% BS 5080% BS50% 肥沃土壤肥沃土壤 中等肥力土壤中等肥力土壤 低肥力土壤低肥力土壤BS of soils in China 我國土壤我國土壤BS大致以北緯大致以北緯33 為界。以北為界。以北BS較高，一般達較高，一般達80%100%；以南；以南BS均較低，只有均較低，只有20%30%，甚至少于，甚至少于10%。 BS高的土壤，交換性陽離子以高的土壤，交換性陽離子以Ca2+為主，其次是為主，其次是Mg2+，分別，分別占

40、占80%和和15%。BS低的土壤，交換性陽離子以低的土壤，交換性陽離子以H+和和Al3+為主為主 。（四）交換性陽離子的有效度（四）交換性陽離子的有效度 Availability of exchangeable cations交換性陽離子對植物都是有效性的，但有效程度不一樣。交換性陽離子對植物都是有效性的，但有效程度不一樣。 離子飽和度：離子飽和度：土壤吸咐某種交換性陽離子數(shù)量占土壤交換土壤吸咐某種交換性陽離子數(shù)量占土壤交換性陽離子總量的百分數(shù)。離子飽和度愈高，其有效性愈高。性陽離子總量的百分數(shù)。離子飽和度愈高，其有效性愈高?；パa離子效應：互補離子效應：對某一指定吸附離子，其他并存的離子都對某

41、一指定吸附離子，其他并存的離子都是它的互補離子。是它的互補離子?；パa離子效應是由各種陽離子被膠體吸著能力不同互補離子效應是由各種陽離子被膠體吸著能力不同所致。一般說來，某離子的互補離子被土壤膠體的吸附力越強，該離子所致。一般說來，某離子的互補離子被土壤膠體的吸附力越強，該離子的有效度就越高。的有效度就越高。粘土礦物類型：粘土礦物類型：高嶺石類高嶺石類有外表面而無內(nèi)表面，陽離子吸有外表面而無內(nèi)表面，陽離子吸著于外表面上，容易解吸，有效性高；著于外表面上，容易解吸，有效性高；蒙脫石類蒙脫石類既有強大的外表既有強大的外表面，又有內(nèi)表面，吸著陽離子的有效性低于高嶺石。面，又有內(nèi)表面，吸著陽離子的有效性

42、低于高嶺石。水云母類水云母類由由于硅層晶穴對陽離子于硅層晶穴對陽離子K K+ +或或NHNH4 4+ +產(chǎn)生固定作用，降低其有效性。產(chǎn)生固定作用，降低其有效性。氧化氧化物類膠體物類膠體對陽離子產(chǎn)生專性吸收，使陽離子失去有效性。對陽離子產(chǎn)生專性吸收，使陽離子失去有效性。影影響響因因素素l 陽離子專性吸附的機理陽離子專性吸附的機理四、四、陽離子的專性吸附陽離子的專性吸附（specific adsorption) 鐵、鋁、錳等氧化物膠體鐵、鋁、錳等氧化物膠體表面陽離子不飽和而水表面陽離子不飽和而水合合(化化)，產(chǎn)生可離解的水合基，產(chǎn)生可離解的水合基(-OH2)或羥基或羥基(OH)，它，它們與溶液中過

43、渡金屬離子們與溶液中過渡金屬離子(M2+、MOH+)作用而生成穩(wěn)作用而生成穩(wěn)定性高的表面絡合物，這種吸附稱定性高的表面絡合物，這種吸附稱專性吸附專性吸附。 l 陽離子專性吸附的環(huán)境意義陽離子專性吸附的環(huán)境意義 對多種微量重金屬離子的富集作用對多種微量重金屬離子的富集作用 紅壤、黃壤的鐵錳結(jié)核中，紅壤、黃壤的鐵錳結(jié)核中，Zn、Co、Ni、Ti、Cu、V等都有富等都有富集。其中集。其中Zn、Co、Ni與錳含量呈正相關(guān)，而與錳含量呈正相關(guān)，而Ti、Cu、V、Mo與鐵含與鐵含量呈正相關(guān)。這在地球化學探礦上有實用價值。量呈正相關(guān)。這在地球化學探礦上有實用價值。 控制土壤溶液中重金屬離子濃度控制土壤溶液中

44、重金屬離子濃度 通過專性吸附和解吸，控制土壤溶液中通過專性吸附和解吸，控制土壤溶液中Zn、Cu、Co、Mo等微等微量重金屬離子濃度。從而控制其生物有效性和生物毒性。量重金屬離子濃度。從而控制其生物有效性和生物毒性。Pb污染的污染的土壤中加入氧化錳，可抑制植物對土壤中加入氧化錳，可抑制植物對Pb的吸收，降低毒害。的吸收，降低毒害。凈化與污染作用凈化與污染作用 土壤氧化物膠體對重金屬污染離子的專性吸附固定，對水體起一土壤氧化物膠體對重金屬污染離子的專性吸附固定，對水體起一定的凈化作用，并對植物從土壤溶液吸收和積累這些金屬離子起一定定的凈化作用，并對植物從土壤溶液吸收和積累這些金屬離子起一定的緩沖和

45、調(diào)節(jié)作用。但同時給土壤帶來潛在的污染危險。的緩沖和調(diào)節(jié)作用。但同時給土壤帶來潛在的污染危險。第三節(jié)第三節(jié) 土壤膠體對陰離子的吸附與交換土壤膠體對陰離子的吸附與交換Adsorption and exchange of anions by soil colloids 土壤膠體吸附陰離子的機制：土壤膠體吸附陰離子的機制：靜電吸收或?qū)Ｐ晕侦o電吸收或?qū)Ｐ晕找妆煌寥牢降年庪x子：易被土壤吸附的陰離子：磷酸根磷酸根(H2PO4-、HPO42-、PO43-)，硅酸根硅酸根(HSiO3-、SiO32-)，有機酸根，有機酸根(如如C2O42-)以及以及F-。吸收力弱或進行負吸收的陰離子：吸收力弱或進行負吸收的

46、陰離子：包括包括Cl-、NO2-、NO3-等，等，主要是被土壤負吸收，很容易從土壤淋洗出去。主要是被土壤負吸收，很容易從土壤淋洗出去。NO2-、NO3-的流的流失，不僅造成氮肥利用率降低，而且還造成水體污染。失，不僅造成氮肥利用率降低，而且還造成水體污染。中間類型的陰離子：中間類型的陰離子：這類陰離子包括這類陰離子包括SO42-、CO32-，被土壤吸，被土壤吸收力居于上兩類之間。收力居于上兩類之間。 l 陰離子的靜電吸附陰離子的靜電吸附正吸附（正吸附（positive adsorption） 土壤膠體帶正電荷的表面對溶液陰離子（主要是土壤膠體帶正電荷的表面對溶液陰離子（主要是Cl、NO3、Cl

47、O4）的吸附。）的吸附。 土壤膠體表面正電荷的來源：土壤膠體表面正電荷的來源： 鐵、鋁、錳氧化物是產(chǎn)生正電荷的主要物質(zhì)鐵、鋁、錳氧化物是產(chǎn)生正電荷的主要物質(zhì) 高嶺石邊緣或表面羥基也可產(chǎn)生正電荷。高嶺石邊緣或表面羥基也可產(chǎn)生正電荷。 有機膠體表面帶正電荷的基團（如胺基有機膠體表面帶正電荷的基團（如胺基-NH2+）負吸附負吸附（negative adsorption） 陰離子的負吸附陰離子的負吸附是指電解質(zhì)溶液加入土壤后陰離子濃度相對是指電解質(zhì)溶液加入土壤后陰離子濃度相對增大的現(xiàn)象。增大的現(xiàn)象。 土壤膠體帶負電荷的表面對陰離子的排斥力大小，與陰離子土壤膠體帶負電荷的表面對陰離子的排斥力大小，與陰離

48、子距土壤膠體表面距離有關(guān)，距離愈近對陰離子排斥力愈大，表現(xiàn)距土壤膠體表面距離有關(guān)，距離愈近對陰離子排斥力愈大，表現(xiàn)出強的負吸附，反之負吸附則弱。出強的負吸附，反之負吸附則弱。 負吸附隨陰離子價數(shù)增大而增加；陪伴離子不同，對陰離子負吸附隨陰離子價數(shù)增大而增加；陪伴離子不同，對陰離子負吸附也有影響。負吸附也有影響。 2價陰離子價陰離子(SO42)所受排斥力所受排斥力1價陰離子價陰離子(Cl、NO3) 土壤膠體表面類型不同，陰離子負吸附不同。帶負電荷越多土壤膠體表面類型不同，陰離子負吸附不同。帶負電荷越多的土壤膠體，對陰離子排斥力越強，負吸附作用越明顯。的土壤膠體，對陰離子排斥力越強，負吸附作用越明

49、顯。l 陰離子專性吸附陰離子專性吸附配位體交換吸附配位體交換吸附 陰離子作為配位體，進入粘土礦物或氧化物表面金屬原陰離子作為配位體，進入粘土礦物或氧化物表面金屬原子的配位殼，與其中的羥基或水合基交換、重新配位，并直子的配位殼，與其中的羥基或水合基交換、重新配位，并直接通過共價鍵或配位鍵結(jié)合而被吸附在固體表面。它發(fā)生在接通過共價鍵或配位鍵結(jié)合而被吸附在固體表面。它發(fā)生在膠體雙電層的內(nèi)層，也稱膠體雙電層的內(nèi)層，也稱配位體交換吸附配位體交換吸附。 發(fā)生專性吸附的陰離子有發(fā)生專性吸附的陰離子有F 和磷、硫、鉬、砷酸根等含和磷、硫、鉬、砷酸根等含氧酸根離子。氧酸根離子。MOHOH20+ F-MFOH20

50、+ OH-1、陽離子交換作用、陽離子交換作用2、交換性陽離子、交換性陽離子 3、陽離子吸附、陽離子吸附4、陽離子解吸、陽離子解吸 5、CEC6、BS 7、陰離子專性吸附、陰離子專性吸附1. 1. 什么是土壤膠體？它具有哪些主要性質(zhì)？什么是土壤膠體？它具有哪些主要性質(zhì)？2. 2. 什么是陽離子交換量？影響陽離子交換量大小的因素有哪些？什么是陽離子交換量？影響陽離子交換量大小的因素有哪些？為什么增施優(yōu)質(zhì)有機肥是提高土壤交換量的有效方法？為什么增施優(yōu)質(zhì)有機肥是提高土壤交換量的有效方法？3 3、陽離子交換作用有何特征？、陽離子交換作用有何特征？4. 4. 影響陽離子交換量的因素有哪些？影響陽離子交換量的因素有哪些？5. 5. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中集中施肥的理論依據(jù)？農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中集中施肥的理論依據(jù)？( (一一) )基本概念基本概念( ( 二）問答題二）問答題