土壤胶体与离子交换作用
土壤学第二章 土壤性质(水文)
Ca使土壤颗粒凝聚，形成水稳性结构体
2. 影响土壤养分有效性
养分离子从土壤胶体上被交换到土壤溶液中， 易被作物吸收（有效性提高），但也易流失
提问
土壤 A
阳离子组成 [cmol(+)/Kg]
K+ Ca2+ Mg2+ Fe3+ Al3+ H+ NH4+
6.6
6.4
3.8
0.4
成分的淋失，使土壤逐渐酸化；干旱地区，降雨量远远低于蒸发量
第二章 土壤的基本性质
（Soil basic characteristics）
§2-1 土壤孔隙性与结构性 §2-2 土壤胶体与离子交换作用 §2-3 土壤酸碱性 §2-4 土壤通气性与氧化还原性 §2-5 土壤热性质 §2-6 土壤养分状况
§2-1 土壤孔隙性与结构性
§ 2-1 soil porosity 、structure
度”）
旱地土壤在1.14～1.26g/cm3之间最适宜。 （2）影响因素：
土壤的矿物组成和含量 土壤有机质含量 土壤质地 土壤结构 土壤松紧度 人类活动
3. 土壤孔隙度：土壤孔隙的数量指标，即单位体
积土壤中孔隙体积占整个土壤体积的百分数。
孔隙体积 土壤孔隙度 100% 土壤体积
土壤体积-土粒体积 100% 土壤体积
土壤中带正电荷胶体吸附的阴离子与土壤溶液中阴 离子相互交换的作用。 类型： （1）易被土壤吸附的阴离子：磷酸根（H2PO4HPO42- 、PO43-）、硅酸根（HSiO3-、SiO32-）、某 些有机酸根（C2O42-）； （2）很少或不被吸附的离子：Cl-、NO3- NO2-，易 随水流失； （3）中间类型的阴离子：SO42-、CO32-、HCO3-、 某些有机酸（CH3COO-）。
第八章 土壤胶体与土壤离子交换-胶体性质
土壤胶体的结构和性质
4. 土壤胶体的吸附性和交换能力
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。
比表面积 （cm2·g-1）
45,200
226,000
452,000
2,260,000
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。
立方体数 目 1 103 106 109 1012 1015 1018 1021
总表面积
6cm2 60cm2 600cm2 6000cm2 6m2 60m2 600m2 6000m2
比表面积 （cm2·cm-3）
6 6×10 6×102 6×103 6×104 6×105 6×106 6×107
土壤胶体的结构和性质
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； 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。 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。
H2SiO3
HSiO3- +H+
SiO32-+H+ （带正电）
土壤胶体的结构和性质
土壤胶体与离子交换作用
盐 基 饱 和 度 （ % ） =
× 1 0 0 %
阳 离 子 交 换 量 （ c m o l / k g ± ）
它与土壤酸碱反应关系密切
当土壤胶体吸附的阳离子全部或大部分为盐基离子时， 则土壤呈盐基饱和状态，这一土壤称为盐基饱和土壤。 （呈中性或碱性反应） 当土壤胶体所吸附的阳离子仅部分地为盐基离子，而其余 一部分为H+和Al3+时, 则这一土壤胶体呈盐基不饱和状态, 称为盐基不饱和土壤。（呈酸性反应）
3.土壤总电荷
土壤总电荷等于永久电荷与可变电荷的 总和。
一般土壤的pH在5~9之间，大部分土壤胶 体都带负电荷。只有两性胶体和少量的同晶 替代可能产生一定量正电荷。
但是，整体上来看，土壤胶体以带负电荷 为主。当pH<5时则可能带较多正电荷。
土壤中80%以上的土壤电荷集中于粘粒上
（三）土壤胶体存在可改变的状态―凝聚 与分散
（二）土壤胶体的带电性 土壤胶体带电性是其主要的特性。
土壤胶体的电荷
永久电荷 可变电荷
1.永久电荷：不受土壤溶液pH值变化而影响的 电荷类型称为永久电荷，也叫恒电荷或结构电 荷。
同晶替代是产生永久电荷的原因。
2.可变电荷 ： 随着土壤溶液pH变化而变 化的电荷叫可变电荷。
可变电荷产生的原因：主要是胶体表面分 子解离。 （1）含水氧化硅分子解离 （2）粘土矿物晶面上羟基解离（1:1型粘 土矿物在pH<5时可以解离） （3）腐殖质分子表面解离 （4）含水氧化铁铝表面解离出OH-，带正 电荷（在pH<5时带正电荷）
溶液中的阳离子。 2.解吸：这些被吸附的阳离子在一定条件下可以
和土壤溶液中的阳离子互相交换，从胶体表面进入 溶液。
3.阳离子交换作用：通过吸附和解吸，引起离 子位置相互交换的作用。
土壤学教案-第八章.土壤胶体和土壤离子交换(下)
土壤学课程教案课程编号： _______________________ 章节名称及内容：土壤胶体和土壤离子交换（下）所在课程顺序号：第14个教案授课学时与时长： 1.75学时授课教师：王聪课程类型：学类核心巡一、教学目标1、熟练掌握阳离子交换量和盐基饱，深刻理解离子交换在土壤肥力上的意义二、教学内容1、土壤吸附能力三、教学重点1、阳离子交换量、盐基饱和度、土壤养分离子有效性的影响因素四、教学难点1、影响土壤养分离子有效性的因素五、教学方法课堂讲授、多媒体辅助和板书相结合。
六、教学过程开始课堂讲授前播放一段相关的视频或则提出与本次课程相关的几个问题进行提问并讲解上次课堂留下的问题和作业，然后开始进行课堂讲授，讲授过程穿插问题提问，本次课程结束时布置作业或则留下几个问题进行下次课堂的提问主要内容8.2土壤吸附能力8.2土壤吸附能力8.2.1土壤吸附的概念1概念：土壤的吸附性能：土壤颗粒表面具有能够吸附阴阳离子、气体、液体等物质的能力。
土壤吸附性能是土壤的重要特性，由于具有吸附性能，使土壤起到“库”的作用，避免了土壤养分的淋失，从而达到保蓄养分的能力，这对于植物营养、±壤肥力以及污染土壤的自净能力等方面起极其重要的作用O8.2.2土壤吸附的类型交换性吸附：土壤胶粒带有电荷借静电引力从溶液中吸附带异号电荷的离子或极性分子。
土壤固相从溶液中吸附离子的同时，也伴随着固相表面上交换离子的解吸。
（最主要的吸附类型）专性吸附：非静电因素引起的土壤对离子的吸附作用。
它是指离子通过表面交换与晶体的阳离子共用1个或2个氧原子，形成共价键而被土壤吸附的现象。
负吸附：指土粒表面的离子或分子浓度低于整体溶液中该离子或分子的浓度的现象。
8. 2.3土壤阳离子交换与吸附作用1.概述土壤阳离子交换作用：指土壤胶体表面所吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子相互交换的作用。
交换性阳离子：被土壤胶体表面所吸附，能被土壤溶液中的阳离子所交换的阳离子。
土壤胶体吸收阴离子原因
土壤胶体吸收阴离子原因
土壤胶体吸收阴离子的原因有以下几点：
1.胶体颗粒表面带有电荷：胶体颗粒表面通常带有负电荷，这种负电荷能够吸引和吸附带正电荷的阴离子。
2.离子交换：胶体颗粒上的负电荷能够与溶液中的正电荷离子发生电荷交换作用，使阴离子从溶液中吸附到胶体颗粒表面。
3.吸附作用：胶体颗粒表面的负电荷能够吸引和吸附带正电荷的阴离子，使其附着在胶体颗粒表面。
4.胶体颗粒的孔隙结构：胶体颗粒具有较大的孔隙结构和比表面积，可以提供更多的吸附位置，增加吸附阴离子的能力。
总之，土壤胶体吸附阴离子主要是由于胶体颗粒表面带有负电荷、离子交换、吸附作用和胶体颗粒的孔隙结构等因素的综合作用。
土壤离子吸附和交换
第七章土壤离子吸附与交换第一节土壤胶体一、土壤胶体土壤胶体是土壤中高度分散的部分，是土壤中最活跃的物质，其重要性犹如生物中的细胞，土壤的许多理、化现象，例如土粒的分散与凝聚、离子吸附与交换、酸碱性、缓冲性、粘结性、可塑性等都与胶体的性质有关。
所以，只有深入研究土壤胶体的性质，才能了解土壤理、化现象发生的本质。
二、土壤胶体的种类和构造在胶体化学中，一般指分散相物质的粒径在1—100毫微米之间的为胶体物质，而土壤胶体微粒直径的上限一般取2000毫微米。
1.胶体的种类土壤胶体按其成分和特性，主要有三种：1）土壤矿质胶体：包括次生铝硅酸盐（伊利石、蒙脱石、高岭石等）、简单的铁、铝氧化物、二氧化硅等。
2）有机胶体：包括腐殖质、有机酸、蛋白质及其衍生物等大分子有机化合物。
3）有机-无机复合胶体：土壤有机胶体与矿质胶体通过各种键（桥）力相互结合成有机-无机复合胶体。
在土壤中有机胶体和无机胶体很少单独存在，只要存在这两类胶体，它们的存在状态总是有机-无机复合胶体。
2.土壤胶体的构造胶体的构造有两种形式。
若胶体内部组成的分子或离子排列组合有严格规律的为晶形胶粒；若排列无严格规律的则属非晶形胶粒。
土壤无机胶体多属晶形胶体，有机胶体多属非晶质胶体。
土壤胶体微粒构造，从内向外可分为几个圈层：胶核是胶粒的核心，土壤胶体胶核的成分由二氧化硅、氧化铁、氧化铝、次生铝硅酸盐腐殖质等的分子团所组成的微粒核。
微粒核表面的分子向溶液介质解离而带有电荷，形成一个内离子层；在内离子层外面，由于电性吸引，形成带有相反电荷的外离子层。
这两个电性相反组成的电层，称为双电层。
在双电层中，由于内离子层决定着胶体的电位，故又称决定电位离子层；双电层的外层，由于其电荷符号与内层相反，故又称反离子层，亦称补偿离子层。
补偿离子层的离子，因距离内层远近不同，所受的电性引力的大小也不同。
距离近者受吸引力大，不能自由活动，这一部分的离子层，称为非活性补偿离子层。
土壤学 土壤阳离子交换作用
二、土壤阳离子交换作用
1、定义
2、阳离子交换作用的特点
3、阳离子交换能力
Fe3+ > Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ > K + > Na
+
问题：低价离子可否代替高价离子？在 什么情况下低价离子可以代替高价离子？
影响阳离子交换能力的因素
（1）电荷的影响
根据库仑定律，阳离子的价数越高，交换 能力也越大。 （2）离子的半径及水化程度 同价的离子，其交换能力的大小是依据其 离子半径及离子的水化程度的不同而不同的。 （3）离子浓度和数量因子
11.15
B
C
40%Ca+60%Mg
40%Ca+60%Na
2.79
2.34
7.83
4.36
在土壤胶体上各种交换性盐 基离子之 间的相互影响的作用—互补离子效应（陪伴 离子效应）
互补离子效应 effect of complementary ion
胶体表面可同时吸附多种离子，对某一指定离子来说， 伴存的其它离子即为陪补离子(complementary ion)(与 交换反应的离子共存的其它交换性离子总称）也称为陪 补离子。 一般陪补离子与胶体结合力愈强，则所指定的离子交 换性愈大，此种作用称为陪补离子效应。
H Mg Na
2.80 2.79 2.34
11.15 7.83 4.36
二、土壤阳离子交换作用
6、影响交换性阳离子有效度的因素
（1）交换性阳离子的饱和度
（2）陪补离子效应
（3）粘土矿物类型
（４）由交换性离子变为非交换性离子
土壤学考试复习题
土壤：是地球陆地表面能够生长植物的疏松表层。
土壤肥力：土壤能连续、适时地供给并协调植物生长所需的水分、养分、空气、温度和热量的能力。
土壤圈：地球表层系统中处于四大圈层（气、水、生物、岩石）交界面上最富有生命力的土壤连续体或覆盖层。
岩石：由矿物所构成，是矿物的天然集合体，土壤母质来源于岩石、矿物的风化产物。
岩石的风化作用：指露出地表的岩石、矿物，遇到和它形成时很不相同的外界条件，使其内部的构造、成分和性质发生变化的作用。
同晶替代：指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。
土壤有机质：是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，它包括土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质。
土壤腐殖质:进入土壤的各种有机残体在微生物作用下分解并合成的一类特殊的高分子化合物。
矿质化过程：有机化合物在进入土壤后，在微生物酶的作用下发生氧化反应，彻底分解而最终释放出二氧化碳、水和能量，所含氮、磷、硫等营养元素在一系列特定反应后，释放成为植物可利用的矿质养料的过程。
腐殖化过程：各种有机化合物通过微生物的合成或在原植物组织中的聚合转变为组成和结构比原来有机化合物更为复杂的新的有机化合物的过程。
土壤容重：田间自然垒结状态下单位容积土体（包括土粒和孔隙）的质量或重量(克/厘米3或吨/米3）。
土壤质地：各种粒级土粒的配合比例，或各粒级土粒占土壤重量的百分数，也叫土壤的机械组成。
粒级：按土粒的大小分为若干组称为土壤粒级（粒组）。
土壤孔隙：是土壤中固相部分所占容积以外的空间。
土壤结构性：是土粒（单粒或复粒）的排列、组合形成。
土壤结构体：或称结构单位，它是土粒（单粒和复粒）互相排列和团聚成为一定形状和大小的土块或土团。
土壤水：指在105℃温度下从土壤中驱逐出来的水。
土水势（ψ）：土壤水在各种力作用下，与同样温度、高度和大气压条件的纯自由水相比，其自由能降低，产生的差值即为土水势。
土壤水吸力：指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态，简称吸力，但并不是指土壤对水的吸力。
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它与土壤酸碱反应关系密切
当土壤胶体吸附的阳离子全部或大部分为盐基离子时， 则土壤呈盐基饱和状态，这一土壤称为盐基饱和土壤。 （呈中性或碱性反应） 当土壤胶体所吸附的阳离子仅部分地为盐基离子，而其余 一部分为H+和Al3+时, 则这一土壤胶体呈盐基不饱和状态, 称为盐基不饱和土壤。（呈酸性反应）
南方土壤：H+和Al3+等致酸离子较多, 土壤的盐基饱和度小； 北方土壤：Ca2+和Mg2+占有较大的数量和比例,盐基饱度大 。
腐殖质 蛭石 蒙脱石 伊利石 高岭石 倍半氧化物
200 100-150 70-95 10-40
3-15 2-4
三、盐基饱和度 指土壤中交换 性盐基离子（K+、Na+、NH4+、 Ca2+ 、Mg2+等）总量占阳离 子交换量的百分数。
盐 基 饱 和 度 （ % ） = 交 换 性 盐 基 离 子 总 量 （ c m o l / k g ± ） × 1 0 0 % 阳 离 子 交 换 量 （ c m o l / k g ± ）
1、土壤胶体有两种存在的状态： 一种是胶体微粒相当充分的分散在介质
中形成的一种外观颇似溶液的胶体溶液，称为 溶胶。
另一种是在外因作用下，胶体微粒聚合 在一起形成的处于凝聚状态的胶体，称为凝胶。
胶体的两种存在状态，在一定条件才可以进行 某种程度的转化，即溶胶可以转变为凝胶，这一过 程称为凝聚；凝胶也可以转变为溶胶，这一过程称 为分散。
影响土壤CEC大小的因素： • 1、胶体含量 质地粘重CEC大。 • 2、胶体类型 有机胶体CEC远比矿质胶
体大，施有机肥可大幅度提高土壤保肥 能力。
• 3、土壤pH值 影响可变电荷的多少，一 般pH值升高，H+解离，可变负电荷逐渐 增多，CEC也随之增加。
不同类型土壤胶体的阳离子交换量
土壤胶体
CEC[cmol(+).kg-1]
比 表 总 质 面 表 量 3 44 r3 r面 2s 3 4r 4 积 3r2 2 .6 5 1 .1 1 r 3
2.影响颗粒表面积的因素
• （1）粒径大小 • （2）颗粒形状：同体积颗粒表面积最
大的是薄片状、最小的是球体 • （3）矿物类型
粘土矿物的表面特征
胶体电子 显微图像
粘土矿物的表面特征
土壤 胶粒
Ca2+ +3K+
NH4+
土壤 胶粒
K+ K+ + Ca2+ +NH4+ K+
阳 离 子 交 换
5、阳离子交换作用的基本特征
1.可逆反应 2.等价交换 3.受质量作用定律的支配
6、影响阳离子交换的因素
受以下因素影响： • 1.离子价： 高价离子＞低价离子 • 2.离子半径和离子水化半径： 同价离子，
土壤胶体的电荷
永久电荷 可变电荷
1.永久电荷：不受土壤溶液pH值变化而影响的 电荷类型称为永久电荷，也叫恒电荷或结构电 荷。
同晶替代是产生永久电荷的原因。
2.可变电荷 ： 随着土壤溶液pH变化而变 化的电荷叫可变电荷。
可变电荷产生的原因：主要是胶体表面分 子解离。 （1）含水氧化硅分子解离 （2）粘土矿物晶面上羟基解离（1:1型粘 土矿物在pH<5时可以解离） （3）腐殖质分子表面解离 （4）含水氧化铁铝表面解离出OH-，带正 电荷（在pH<5时带正电荷）
土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2/g)
胶体成分
蒙脱石 蛭石 水云母 高岭石 埃洛石 水化埃洛石 水铝英石 腐殖质
内表面
700~750 400~750
0~5 0 0
400 130~140
-
外表面
15~150 1~5
90~150 4~40 10~45 25~30 130~140
-
总表面
700~850 400~800 90~150
离子半径大的、水化半径小的交换能力大， • 3.离子的运动速度 ：半径小运动速度快 • 4.离子浓度： 交换能力弱的离子在浓度足够
大的情况下，可以交换吸附浓度低高价离子。 综上所述，阳离子交换能力顺序为： Fe3+ 、Al3+ ＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+
二、阳离子交换量
是指在一定pH时每1000g干土所能 吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。
溶液中的阳离子。 2.解吸：这些被吸附的阳离子在一定条件下可以
和土壤溶液中的阳离子互相交换，从胶体表面进入 溶液。
3.阳离子交换作用：通过吸附和解吸，引起离 子位置相互交换的作用。
4.交换性阳离子：被吸附的阳离子。 交换性阳离子可分两种： ①致酸离子 H+ Al3+ ②盐基离子Ca2+ 、Mg2+、K+、NH4+、Na+ 交换反应示意图如下：
3.土壤总电荷
土壤总电荷等于永久电荷与可变电荷的 总和。
一般土壤的pH在5~9之间，大部分土壤胶 体都带负电荷。只有两性胶体和少量的同晶 替代可能产生一定量正电荷。
但是，整体上来看，土壤胶体以带负电荷 为主。当pH<5时则可能带较多正电荷。
土壤中80%以上的土壤电荷集中于粘粒上
（三）土壤胶体存在可改变的状态―凝聚 与分散
土壤胶体所处的状态直接影响土壤的物 理性质，进而影响土壤的肥力状况。
一些农业技术措施，如施肥、中耕、浇 水、烤田等都可使土壤中的电解质发生变 化，从而使胶体的状态发生改变，或局部 发生改变，尤其是施用钙质肥料，有促进 土壤形成不可逆凝聚的显著作用。
第二节 土壤离子交换作用
一、土壤阳离子交换与交换阳离子 1.离子吸附：土壤胶体一般带负电，能吸附土壤
当静电引力与热 扩散相平衡时， 在带电胶体表面 与溶液的界面上， 形成了由一层固 相表面电荷和一 层溶液中相反符 号离子所组成的 电荷非均匀分布 的空间结构，称
为双电层
二.土壤胶体的基本特性
（一）具有丰富的表面积和巨大的表面能。
1.比表面
是一个比值，即每一单位质量或单位 容积的表面积(单位质量比表面积叫质量比 表面，cm2/g，单位容积比表面叫做容积 比表面，cm2/m3）。
5~40 10~45
430 260~800 800~900
不同土壤矿物组成不同，比表面积也不同。一般土壤中有 机质含量高，2:1型粘粒矿物多，则比表面积较大，如黑土。反 之，如果有机质含量低，1:1型粘粒矿物较多，则其体的带电性 土壤胶体带电性是其主要的特性。