土壤胶体与离子交换作用

胶 粒
土壤胶体 分散系
土壤溶液
反离 子层
当静电引力与热 扩散相平衡时， 扩散相平衡时， 在带电胶体表面 与溶液的界面上， 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， 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。
北纬33° 北纬 °
以北 80%以上 （除棕壤、暗棕壤、灰化土等） 80%以上 棕壤、暗棕壤、灰化土等） 以南 盐基不饱和（红壤、砖红壤一般20-30%） 盐基不饱和（红壤、砖红壤一般20-30%） 20
植 物 有 效 性
（1）胶体上吸附的阳离子可以被土壤溶液中其它离子交 换下来，由植物根系的离子交换和吸收； 换下来，由植物根系的离子交换和吸收； （2）植物的根毛表面吸附的交换性H+ ，可以直接和土 植物的根毛表面吸附的交换性 壤胶体表面的交换性离子进行接触交换和吸收。 壤胶体表面的交换性离子进行接触交换和吸收。
盐基饱和度（ ） 盐基饱和度（%）= 交换性盐基离子总量（ ± 交换性盐基离子总量（cmol/kg±） 阳离子交换量（ 阳离子交换量（cmol/kg±） ± ×100%
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， 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 盐基饱和土壤。 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） 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， 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, 一部分为 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） 称为盐基不饱和土壤。（呈酸性反应） 盐基不饱和土壤 南方土壤： 等致酸离子较多, 土壤的盐基饱和度小； 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： 占有较大的数量和比例,盐基饱度大 北方土壤：Ca2+和Mg2+占有较大的数量和比例 盐基饱度大 。 变化趋势： 变化趋势：
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 土壤中80%以上的土壤电荷集中于粘粒上 80%
不同类型土壤胶体的阳离子交换量
土壤胶体 CEC[cmol(+).kg-1]
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 +、Na+、NH +、 性盐基离子（ 性盐基离子（K 4 Ca2+ 、Mg2+等）总量占阳离 子交换量的百分数。 子交换量的百分数。
第
七
章
土壤胶体与离子交换作用
第一节 土壤胶体 第二节 土壤离子交换作用
教学目标
使学生掌握土壤胶体的概念、种 类与构造、性质；阳离子交换量、阳 离子交换作用、盐基饱和度的概念与 计算，阳离子交换作用的特点，交换 性阳离子有效度
第一节
土壤胶体
一、土壤胶体的概念及种类 1、概念： 概念：
土 壤胶体 ： 大小在 壤胶体： 大小在1-100nm（ 在长 、 宽和高 （ 在长、 三个方向上，至少有一个方向在此范围内） 三个方向上 ， 至少有一个方向在此范围内 ） 的土壤固体颗粒。 的土壤固体颗粒。
陪补离子与交换性钙的有效性
陪
土壤
交换性阳离子 组成 40%Ca+60%H 40%Ca+60%Mg 40%Ca+60%Na
小麦幼苗干重 (g) 2.80 2.79 2.34
小麦幼苗吸钙量 (mg) 11.15 7.83 4.36
补 离 子 与 胶 体 的 亲 和 力
A B C
K+ 与陪补离子 Ca2+
速效性养分
影响交换离子有效度的因素主要有： **影响交换离子有效度的因素主要有：
1、离子饱和度（饱和度效应） 饱和度效应） 离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效度就越大 离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，
土壤阳离子饱和度和有效度的关系
CEC 土壤
P179 表8-7
有效度 比 较 较大 较小
1.比表面 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）。
总表面积 4πr 2 4πr 2 1 比表面 = = 4 3 = 4 3 = 1.13 × 质量 r 3 πr ⋅ ρ s 3 πr ⋅ 2.65
Na+的
四、土壤离子交换性能与土壤改良
苗圃： 苗圃： 改善土壤质地、 改善土壤质地、增施有机肥 补充保肥能力较高的土壤 营养钵育苗—腐熟的泥炭或腐殖土 肥料 营养钵育苗 腐熟的泥炭或腐殖土+肥料、蛭石 腐熟的泥炭或腐殖土 肥料、 林地： 林地： 调整林分组成，树种混交、乔灌混交等 调整林分组成，树种混交、乔灌混交等——有机质 有机质 腐殖质） （腐殖质）有效养分的来源和贮存能力 砂质土林地） （砂质土林地） 疏伐等措施改善林地小气候：分解、合成、 疏伐等措施改善林地小气候：分解、合成、保肥能 力提高 造林： 造林： 客土、带土、定植穴内加入杂草、 客土、带土、定植穴内加入杂草、凋落物或肥土等 （局部改善贮存和供给有效水分和养分） 局在一定pH时每 是指在一定 时每1000g干土所能 时每 干土所能 吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。 吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。 影响土壤CEC大小的因素： 大小的因素： 影响土壤 大小的因素 • 1、胶体含量 质地粘重 质地粘重CEC大。 、 大 • 2、胶体类型 有机胶体 有机胶体CEC远比矿质胶 、 远比矿质胶 体大， 体大，施有机肥可大幅度提高土壤保肥 能力。 能力。 • 3、土壤pH值 影响可变电荷的多少，一 、土壤 值 影响可变电荷的多少， 值升高， 解离， 般pH值升高，H+解离，可变负电荷逐渐 值升高 增多， 也随之增加。 增多，CEC也随之增加。 也随之增加
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 5~40 10~45 430 260~800 800~900
cmol.g1
交换性Ca 交换性 2+量 交换性 2+饱和度 交换性Ca % cmol.g-1 6 10 75 33
A B
8 30
施肥方法：集中施肥，条施、 施肥方法：集中施肥，条施、穴施 施肥量：不同质地类型土壤区别对待， 施肥量：不同质地类型土壤区别对待，砂土少量多次
互补离子效应） 2、陪补离子效应（互补离子效应） 土壤胶体上与该离子共存的其它阳离子—陪补离子 土壤胶体上与该离子共存的其它阳离子 陪补离子
土壤胶体存在可改变的状态― （三）土壤胶体存在可改变的状态―凝聚 与分散
1、土壤胶体有两种存在的状态： 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， 中形成的一种外观颇似溶液的胶体溶液，称为 溶胶。 溶胶。 另一种是在外因作用下， 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。 在一起形成的处于凝聚状态的胶体，称为凝胶。
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 离子吸附：土壤胶体一般带负电， 离子吸附 溶液中的阳离子。 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 解吸： 解吸 和土壤溶液中的阳离子互相交换， 和土壤溶液中的阳离子互相交换，从胶体表面进入 溶液。 溶液。
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，则其表面积就较 小，如红壤、砖红壤。
（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。
3.土壤胶体的构造 土壤胶体的构造
土壤胶体是一种分散系统。土 土壤胶体是一种分散系统。 壤胶体分散系统由胶体微粒（ 壤胶体分散系统由胶体微粒（分散 和微粒间溶液（分散介质） 相）和微粒间溶液（分散介质）两 大部分构成。 大部分构成。
土壤胶体颗粒的构造
胶核 土壤胶团 定位离子层（内层） 双电层 补偿离 子层 非活性层 扩散层
2、类型
土壤无机胶体
层状硅酸盐粘 土矿物 氧化物及其 水合物
1：1型如高岭石 2：1型如蒙脱石 Ti的氧化 Al Fe Si Ca Mn Ti的氧化 物及水合氧化物， 物及水合氧化物，常呈胶 膜被覆于土粒表面
土壤有机胶
主要是腐殖质及其各种组分 少量的蛋白质或氨基酸 多肽， 多肽，多糖类化合物