土壤膠體與與土壤吸收性能

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1、土壤化學(xué)性質(zhì) 第 六 章 土壤膠體與與土壤吸收性能 第七章 土壤的酸堿性 一、 土壤膠體的概念及種類 二、層狀硅酸鹽粘土礦物 三、土壤膠體的構(gòu)造 四、 土壤膠體的性質(zhì) 五、 土壤的吸收性能 六、 土壤陽離子交換作用 一 、 土壤膠體的概念及種類 概念： 土壤膠體： 大小在 1-100nm的土壤固體顆粒 。 實(shí)際上直徑小于 1000nm的土壤粘粒都具有膠 體的性質(zhì) 。 所以在土壤學(xué)中 ， 通常把粒徑在 1000nm以下的土壤粘粒都作為土壤膠體顆粒 ， 比 化學(xué)上的膠體顆粒上限大 10倍 土壤無機(jī)膠體 層狀硅酸鹽粘 土礦物 2： 1型如蒙脫石 1： 1型如高嶺石 氧化物及其 水合物 Al Fe S

2、i 的氧化物及水合 氧化物，常呈膠膜被覆于 土粒表面 土壤有機(jī)膠體 主要是腐殖質(zhì) 少量的蛋白質(zhì)或氨基酸 多肽，多糖類化合物 土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體 類型 （一）土壤無機(jī)膠體 無機(jī)膠體存在土壤粘粒之中，包括： 層狀（鋁）硅酸鹽礦物 ：是無機(jī)膠體的主要部 分，包括高嶺石類、蒙脫石類及水化云母類。 含水氧化硅膠體 ；成分為 SiO2.H2O （ H2SiO3） . 含水氧化鐵、鋁膠體 ；褐鐵礦、針鐵礦、水鋁 石、三水鋁石等 . （二）土壤有機(jī)膠體 土壤有機(jī)膠體主要指腐殖質(zhì)。 膠體表面的基團(tuán)在 pH升高時(shí)帶負(fù)電荷， pH降低時(shí)帶正電荷。 有機(jī)膠體會(huì)被微生物分解。 （三）有機(jī) -無機(jī)復(fù)合膠體 由有機(jī)膠體與無

3、機(jī)膠體互相結(jié)合而形成 的復(fù)合膠體。 在土壤中，有機(jī)膠體和無機(jī)膠體很少獨(dú) 立存在，大部分是以有機(jī) -無機(jī)復(fù)合膠體 的形式存在的。 二、 層狀鋁硅酸鹽粘土礦物 1 構(gòu)造特征 基本結(jié)構(gòu)單位 構(gòu)成層狀硅酸鹽粘土礦物晶格 的基本結(jié)構(gòu)單位是硅氧四面體和鋁氧八面體。 硅氧四面體 （簡稱四面體） 四面體的基本 結(jié)構(gòu)是由一個(gè)硅原子和四個(gè)氧原子所構(gòu)成。 硅原子位于中央，氧原子占據(jù)四個(gè)頂點(diǎn)。 鋁氧八面體 （簡稱八面體） 八面體的基本 結(jié)構(gòu)是 6個(gè)氧原子圍繞 1個(gè)鋁原子所構(gòu)成。鋁 原子位于中央，氧原子占據(jù)六個(gè)頂點(diǎn)。 硅氧四面體結(jié)構(gòu)示意圖 硅四面體 鋁氧八面體結(jié)構(gòu)示意圖 鋁氧八面體 硅氧片和鋁氧片 硅氧四面體和硅氧四面

4、體之間通過共用氧 原子互相聯(lián)結(jié)就形成了 硅氧片 。 (底層氧離子 電性得到中和，成為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而頂層氧的電 荷沒變，還是 -1價(jià)這樣的氧成為活性氧） 鋁氧八面體與鋁氧八面體通過共用氧原子 互相連接就形成了 水鋁片 。（氧原子的電荷由 -1.5價(jià)變成 -1價(jià)） 硅氧片與鋁氧片（水鋁片）稱為基本晶片。 硅氧片 硅 氧 四 面 體 硅氧四面體互相聯(lián)結(jié)示意圖 硅氧四面體聯(lián)結(jié)成硅氧片 ,在平面 上形成六角形網(wǎng)眼 鋁氧片 鋁氧八面體： AlO69- 單位晶層 由于硅片和鋁片都帶有負(fù)電荷，不穩(wěn)定， 必須通過重疊化合才能形成穩(wěn)定的化合 物。 硅片和鋁片以不同的方式堆疊，形成層 狀鋁硅酸鹽的單位晶層。兩種晶片的

5、配 合比例不同，而構(gòu)成 1： 1型、 2： 1型。 高嶺石結(jié)構(gòu)示意圖 高嶺石結(jié)構(gòu)示意圖 蒙脫石結(jié)構(gòu)示意圖 粘粒礦物晶格內(nèi)的 同晶異質(zhì)替代 同晶替代 是指在 鋁硅酸鹽形成過程中 ，硅氧片中的 si 以及鋁氧片中的 AL，都可被電性相同、大小相近的 其他離子所替代，而晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。 替代和被替代的離子大小要相近，只有這樣才能保證 替代后的晶形不發(fā)生改變 。 同晶異質(zhì)替代 大部分是以低價(jià)離子代替高價(jià)離子，比 如： 硅氧四面體中的 si 4+可被 AL3+或 Fe3+代替。 鋁氧 八面體中的 AL3+可被 Mg2+或 Fe2+代替。由于低價(jià)離子 取代了高價(jià)離子的位置，這樣就少了一個(gè)正電荷，也

6、 就是多了一個(gè)負(fù)電荷，從而膠體帶上了負(fù)電。 同晶異質(zhì)替代的結(jié)果是晶型不變，但使晶體帶電，并 且?guī)ж?fù)電。 2 主要的層狀鋁硅酸鹽礦物 高嶺石： 單位晶層由一層硅氧片和一層鋁氧片構(gòu) 成。故稱 1： 1型礦物 。 晶層之間以 氫鍵連接 ，聯(lián)結(jié)力強(qiáng)。 比表面積小， 可塑性、粘結(jié)性、粘著性、 膨脹性很弱。 晶層中 很少或沒有同晶替代 作用，對水 和陽離子的吸附力弱， CEC=3-15 cmol(+)/kg。 主要存在于風(fēng)化程度較高的土壤中。 高嶺石結(jié)構(gòu)示意圖 蒙脫石 ： 兩層硅氧片中間夾一層鋁氧片構(gòu)成蒙脫石晶層。 2： 1型礦物 。 晶層之間通過 范德華力連接相連，聯(lián)結(jié)力弱。 水分子和養(yǎng)分離子易于進(jìn)入晶

7、層之間。 比表面積大，脹縮性、粘結(jié)性、粘著性、可塑 性很強(qiáng)。 晶格內(nèi)普遍存在 同晶替代 作用， 對水和陽離子 的 吸附力強(qiáng) ， CEC=60-100 Cmol(+)/kg。 主要存在于風(fēng)化度低的土壤中。東北的黑鈣土 和華北的栗鈣土。 蒙脫石結(jié)構(gòu)示意圖 三、土壤膠體的構(gòu)造 土壤膠體是一種分散系統(tǒng)。土壤膠體分散 系統(tǒng)由 膠體微粒 （分散相）和 微粒間溶液 （分散介質(zhì)）兩大部分構(gòu)成。 膠體微粒在構(gòu)造上可分為 微粒核 、 決定電 位離子層 和 補(bǔ)償電位離子層 三部分， 決定 電位離子層與補(bǔ)償電位離子層共同組成膠 體微粒的雙電層。 土壤膠體顆粒的構(gòu)造 土壤膠體分散系 土壤膠粒 土壤溶液 膠核 雙電層 決

8、定電位離子層 （內(nèi) 層） 補(bǔ)償離子層 非活性層 擴(kuò)散層 四、土壤膠體的性質(zhì) 土壤膠體特性對土壤理化性質(zhì)和肥力狀 況起著巨大影響其中影響最大的特性有 三個(gè)： （一）土壤膠體具有巨大的比表面積和 表面能 （二）膠體帶有電荷 （三）土壤膠體存在可改變的狀態(tài) 凝聚與分散 （一）土壤膠體具有巨大的比表面積和表面能 比表面積也可叫做比面積，是指每單位重 量（或體積）物體的總表面積。比面積 總表面積 /重量 S=1.13*1/r（ cm2/g) 單位為 m2/g、 cm2/g。相同重量的物體，顆 粒分得越小，其比面積越大。 由于表面的存在而產(chǎn)生的能量，叫做表面能。 物 質(zhì)的比面積越大，吸附能力也越強(qiáng)，由于土

9、壤膠 體具有巨大的表面積，因而具有巨大的表面能。 表面能是因?yàn)槲矬w表面分子所處的特殊條件引起 的。 （二）土壤膠體的帶電性 永久電荷 可 變電荷 土壤膠體的電荷 1.永久電荷： 不受土壤溶液 pH值變化而影響的 電荷類型稱為永久電荷 . 由于層狀硅酸鹽礦物 晶格中的同晶替代作用所 產(chǎn)生， 2： 1型的蒙脫石和伊利石同晶替代離子 比較多，電荷以永久負(fù)電荷為主。 2.可變電荷 ： 隨著土壤溶液 pH變化而 變化的電荷叫可變電荷。 可變電荷產(chǎn)生的原因： 主要是膠體表面分 子 或者原子團(tuán)的解離 。 （ 1）含水氧化硅分子解離 （ 2）粘土礦物晶面上羥基解離（ 1:1型粘 土礦物解離） （ 3）腐殖質(zhì)上

10、某些原子團(tuán)的解離 （ 4）含水氧化鐵鋁表面解離出 OH-或 H+， 帶正電荷或負(fù)電荷（在 pHAl3+Ca2+Mg2+ H+ NH4+K+Na+ 離子價(jià)越大，其凝聚作用越強(qiáng)，同價(jià)陽離子中， 離子半徑大的，水膜厚度小的離子凝聚作用強(qiáng)。 2.電解質(zhì)的濃度影響凝聚作用 ，隨著濃度的加大， 其凝聚作用也增強(qiáng)。 膠體凝聚有可逆的也有不可逆的 由一價(jià)陽離子凝聚形成的凝膠，如反復(fù)用水淋 洗，凝膠可再分散形成溶膠，這叫做 可逆凝聚 。 由二價(jià)以上的陽離子凝聚形成的凝膠，很難或 不能再變成溶膠的凝聚稱為 不可逆凝聚（可形 成水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)）。 五、 土壤的吸收性能 土壤吸收性能 是指土壤能吸收和保持土 壤溶液中

11、的分子、離子、懸液中的懸浮 顆粒、氣體以及微生物的能力。 土壤吸收性能的類型 （一）機(jī)械吸收作用 機(jī)械吸收作用 是指土壤對進(jìn)入其中的固 體物質(zhì)的機(jī)械阻留作用。 機(jī)械吸收作用 對養(yǎng)分的保存只能起部分極其有限的作 用。 （二）物理吸收作用 物理吸收作用是指土壤對 分子態(tài)物質(zhì)的吸附 保持 作用 。 土壤物理吸收性能是由表面能所引起的，任 何物體都有減少其表面能以求穩(wěn)定的趨勢。 正吸附 ：可以使土壤中的許多養(yǎng)分，避免隨 著土壤溶液而流失，或成氣體而揮發(fā)。起到 保肥作用。 負(fù)吸附： 使土壤中的許多養(yǎng)分，離開土粒， 隨著土壤溶液而流失。 CL- SO42- NO3- （三）化學(xué)吸收作用 化學(xué)吸收作用是指易

12、溶性鹽在土壤中轉(zhuǎn) 變?yōu)殡y溶性鹽而保存在土壤中的過程。 這種吸收是以純化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的，也 稱為 化學(xué)固定 。 如過磷酸鈣施入北方石灰性土壤中形成 磷酸鈣沉淀。 化學(xué)吸收作用易造成養(yǎng)分的無效化，在 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)避免這種固定作用的發(fā)生 。 （四）物理化學(xué)吸收作用 土壤的物理化學(xué)吸收作用 也叫離子交換 作用， 是指土壤膠體擴(kuò)散層中的離子與 土壤溶液中的離子進(jìn)行交換，并經(jīng)常保 持動(dòng)態(tài)平衡的作用。 物理化學(xué)吸收作用對保肥供肥有著極其 重要的意義。 如，施入各種化肥，其中有大量的鉀離 子、氨離子均可被吸附保存，而等量交 換出原吸附在土壤膠體上的離子，如鈣 離子、鎂離子、氫離子等。 （五）生物吸收作用 生物

13、吸收作用是指土壤借助生活于其中 的微生物、植物根系的生命活動(dòng)，把植 物營養(yǎng)元素積累保存于土體中的作用。 生物吸收具有三個(gè)特點(diǎn)： （ 1）選擇性（ 2）表聚性（ 3）創(chuàng)造性 六 、 土壤陽離子交換作用 （ 一 ） 概念： 土壤中帶負(fù)電的膠體所吸附的陽 離子與土壤溶液中的陽離子互相交換 ， 稱為 陽 離子交換作用 離子從溶液中轉(zhuǎn)移的膠體上的過程 ， 稱為 離子 的吸附過程 ；原來吸附在膠體上的離子轉(zhuǎn)移到 溶液中的過程 ， 稱為 離子的解吸過程 。 土壤 膠粒 土壤 膠粒 Ca 2+ NH4+ +3K + + Ca 2+ +NH4+ K + K+ K+ （二）陽離子交換作用的基本特征 1、可逆反應(yīng)

14、陽離子交換反應(yīng) 同時(shí)向兩個(gè)相反方向進(jìn) 行 ，而任何一個(gè)方向的反應(yīng)都不能進(jìn)行完全。達(dá)到的平衡 是一種動(dòng)態(tài)平衡，如果溶液的組成或濃度改變，則反應(yīng)又 在新的情況下重新達(dá)到平衡。 2、等當(dāng)量交換 和其它化學(xué)反應(yīng)相同，土壤陽離子交 換反應(yīng)是 等當(dāng)量電荷對等當(dāng)量電荷 的反應(yīng)。 3、受質(zhì)量作用定律的支配 根據(jù)質(zhì)量作用定律，離 子價(jià)數(shù)較低，交換能力較弱的離子，如果提高它的濃度， 也可以交換出離子價(jià)數(shù)較高，吸附力較強(qiáng)的離子。 陽離子交換能力是指一種陽離子將膠體上 另一種陽離子交換出來的能力 。 各種陽離 子交換能力大小的順序?yàn)椋?Fe3+ Al3+ H+ Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+ （三）陽離子

15、交換能力 影響陽離子交換的因素 (1)離子價(jià)： 高價(jià)離子交換能力低價(jià)離子 (2)離子半徑和離子水化半徑 同價(jià)離子，半徑越大，水化度越小，離子交換能力越 強(qiáng)。 (3)離子的運(yùn)動(dòng)速度 運(yùn)動(dòng)速度越快，越易被膠粒 吸附，交換能力越強(qiáng) 。 (4)離子濃度 受質(zhì)量作用定律的支配，交換能力較 弱的離子，如果提高它的濃度，也可以把交換能力強(qiáng) 的離子從膠體上交換出來。 （ 四 ） 陽離子交換量 （ CEC) 在一定的 pH值條件下 ， 土壤所含有的交換性陽 離子的最大量 ， 就稱為土壤的 陽離子交換量 ， 簡稱 CEC。 測定 CEC時(shí)通常將土壤 pH控制為 7 CEC的表示單位是是每公斤土壤交換性陽離子 的厘

16、摩爾數(shù)， Cmol(+)/kg. (me/100g) 陽離子交換量是評價(jià)土壤肥力的 一個(gè)指標(biāo)。 它直接反應(yīng)土壤可以提 供速效養(yǎng)分的數(shù)量，也能表示土壤 保肥能力、緩沖能力的大小。 CEC 20 保肥能力 低 中 高 影響陽離子交換量的主要因素有： （ 1）質(zhì)地 ：質(zhì)地越粘重，含粘粒越多的土壤，其陽 離子交換量也越大 。 （ 2）有機(jī)質(zhì)： 有機(jī)質(zhì)含量高， CEC也高； （ 3）無機(jī)膠體種類： 蒙脫石 水云母 高嶺石 氧化鐵、鋁 （ 4）土壤酸堿度： 在一般情況下，隨著 pH的升高， 土壤的可變電荷增加，土壤的陽離子交換量也增 加。 質(zhì)地 砂土 砂壤土 壤土 粘土 CEC 15 78 1518 25

17、30 土壤陽離子交換量大小的地帶性規(guī)律 ： 我國土壤 CEC大小， 由南向北，由西向東 逐漸增加。 南北差異 主要由于 粘土礦物組成不同 造 成。北方土壤以蒙脫石和水云母為主， CEC大，南方以高嶺石及含水氧化鐵鋁為 主， CEC小。 東西部土壤 CEC大小差異 ，是由于 質(zhì)地 不 同造成，西部土壤質(zhì)地粗，東部土壤質(zhì) 地較細(xì)。 （五）鹽基飽和度 鹽基離子 :K+,Na+,Ca2+,Mg2+, 土壤膠體 吸附的 NH4+ 陽離子 致酸離子 : Al3+, H+ 土壤中鹽基離子占交換性陽離子總量的百分率 , 稱為 鹽 基飽和度 . 鹽基飽和的土壤具有 中性或堿性反應(yīng) ； 而鹽基不飽和的土壤則具有酸

18、性反應(yīng)，為 酸性土壤 ； 克土）量陽離子交換量（毫克當(dāng) 克土）當(dāng)量交換性鹽基總量（毫克鹽基飽和度 100/ 100/ 100% 我國土壤鹽基飽和度具有地帶性規(guī)律 . (六 )影響 交換性陽離子有效度的因素 交換性陽離子對植物的有效性如何，在很大程度上取 決于它們從膠體上解吸或交換的難易。 1、 交換性陽離子的飽和度 交換性陽離子的 有效度 一方面與某種交換性離子的絕 對數(shù)量有關(guān)，但與該離子的飽和度的關(guān)系更大。 離子 的飽和度越大，被解吸的機(jī)會(huì)就越大，有效度就越大 交換性陽離子的飽和度與土壤陽離子交換量的大小有 關(guān)， 施同樣數(shù)量的化肥與砂、粘兩種土壤上，哪個(gè)有 效度大、見效快？ 2、陪補(bǔ)（伴）離

19、子效應(yīng) 陪補(bǔ)離子 :在土壤膠體上同時(shí)吸附這多種離子（如， K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+、 NH4+、 Al3+、 H+等），對其 中某種離子（如， K+）來說，其余各種離子都稱為 它的陪補(bǔ)離子。 交換性陽離子的有效度與陪補(bǔ)離子的種類有關(guān) 。由于 陪補(bǔ)離子不同，對某種指定離子的有效度也不同。 陪補(bǔ)離子與土壤膠粒之間的吸附力越大，則愈能提高 指定離子的有效度。 陪補(bǔ)離子與指定離子吸附的先后順序也影響有效度。 土壤中的陽離子（ K+ 、 NH4+） 所發(fā)生的非 交換性吸 收或固定。 3、陽離子的非交換吸收 發(fā)生機(jī)制：層狀鋁硅酸鹽粘粒礦物的晶層表面， 吸附的可被交換的 K+ 、 NH4+,當(dāng)粘粒礦物脫水收縮 時(shí)，極易被擠壓陷入粘粒礦物晶層的網(wǎng)穴中， 成為 非交換性離子，降低對植物的有效性， 在土壤交換 性離子總量中， K+ 、 NH4+的飽和度越大，則越易 發(fā)生固定作用。