土壤胶体和土壤的交换性能.ppt

第六章第六章 土壤胶体和土壤的交换性能土壤胶体和土壤的交换性能主要内容主要内容第一节第一节 土壤胶体概述土壤胶体概述第二节第二节 土壤阳离子交换土壤阳离子交换第三节第三节 土壤阴离子交换土壤阴离子交换第四节第四节 土壤离子吸收代换作用的意义土壤离子吸收代换作用的意义第五节第五节 土壤阳离子吸收与代换性的改良土壤阳离子吸收与代换性的改良第六章第六章 土壤胶体和土壤的交换性能土壤胶体和土壤的交换性能本章重点：本章重点：1、掌握几种主要土壤胶体的特性、掌握几种主要土壤胶体的特性2、了解土壤阳离子的交换过程了解土壤阳离子的交换过程第六章第六章 土壤胶体和土壤的交换性能土壤胶体和土壤的交换性能本章难点：本章难点：1、主要是土壤胶体的带电性及土壤胶体为、主要是土壤胶体的带电性及土壤胶体为什么会带电什么会带电2、土壤胶体具有双电层构造土壤胶体具有双电层构造第六章 土壤胶体和土壤阳离子交换土壤胶体和土壤阳离子交换思考题思考题一、名词解释：一、名词解释：1 1、土壤胶体；、土壤胶体；2 2、土壤阳离子交换量；、土壤阳离子交换量；3 3、土壤盐基饱和度；、土壤盐基饱和度；4 4、比表面积、比表面积5 5、硅酸盐层、硅酸盐层二、土壤胶体有哪些类型？二、土壤胶体有哪些类型？三、影响阳离子交换量大小的因素有哪些？三、影响阳离子交换量大小的因素有哪些？第一节第一节 土壤胶体土壤胶体一、概念一、概念 土壤胶体是指颗粒直径小于土壤胶体是指颗粒直径小于0.001mm或或0.002mm的土壤微粒。

的土壤微粒 目前土壤胶体粒径的大小范围，并不是目前土壤胶体粒径的大小范围，并不是绝对的这是因为胶体性质的出现，是绝对的这是因为胶体性质的出现，是随着粒径的减小逐渐加强的没有截然随着粒径的减小逐渐加强的没有截然划分的界限划分的界限二、胶体的类型二、胶体的类型1、土壤无机胶体：、土壤无机胶体：主要是指主要是指次生矿物次生矿物 包括三类：氧化硅类、包括三类：氧化硅类、 三氧化物类和三氧化物类和 层状铝硅酸盐层状铝硅酸盐二、胶体的类型二、胶体的类型2、土壤中有机胶体主要是腐殖质，、土壤中有机胶体主要是腐殖质，它是有机质在土壤微生物等的作用下形成的它是有机质在土壤微生物等的作用下形成的3、有机无机复合体、有机无机复合体是土壤腐殖质和粘土矿物通过混合和吸附结是土壤腐殖质和粘土矿物通过混合和吸附结合在一起，结合过程比较复杂合在一起，结合过程比较复杂三、粘土矿物的晶格构造1 1、粘土矿物、粘土矿物硅酸盐层硅酸盐层的基本构造单位：的基本构造单位：（（1 1））硅氧四面体硅氧四面体 硅氧四面体硅氧四面体 形成的原因：形成的原因：一是硅具有正原子价，而氧具负原子价，一是硅具有正原子价，而氧具负原子价，二者可相互吸引。

二者可相互吸引二是与原子大小有关，四个氧原子堆积成二是与原子大小有关，四个氧原子堆积成四面体时，其间所形成的空隙与硅原子四面体时，其间所形成的空隙与硅原子的大小基本相似的大小基本相似1 1、粘土矿物、粘土矿物硅酸盐层硅酸盐层的基本构造的基本构造单位：单位：（（2））铝氧八面体铝氧八面体铝氧八面体是由六个氧原子围绕一个铝原铝氧八面体是由六个氧原子围绕一个铝原子构成2、单位晶片（1）四面体片四面体片在水平方向上，四面体通过共用底部氧的在水平方向上，四面体通过共用底部氧的方式，在两维方向上无限延伸，排列成方式，在两维方向上无限延伸，排列成近似蜂窝状的四面体片近似蜂窝状的四面体片2、单位晶片（（2）八面体片）八面体片八面体在水平方向上，相邻的八面体通过八面体在水平方向上，相邻的八面体通过共用两个氧离子的方式，在平面两维方共用两个氧离子的方式，在平面两维方向上无限延伸，形成八面体片向上无限延伸，形成八面体片3、单位晶层、单位晶层硅片和铝片以不同的方式化合，形成层状硅片和铝片以不同的方式化合，形成层状铝硅酸盐的单位晶层铝硅酸盐的单位晶层由于硅片和铝片的配合比例不同，由于硅片和铝片的配合比例不同，分为分为1：：1型矿物和型矿物和2：：1型矿物型矿物或分为或分为二层矿物和三层矿物二层矿物和三层矿物。

四、几种主要的土壤胶体及性质四、几种主要的土壤胶体及性质（一）高岭石（（一）高岭石（kaolinite）） 1、分布：是强烈化学风化条件下的产物、分布：是强烈化学风化条件下的产物,B比较稳定，比较稳定，2、晶格构造：、晶格构造：是二层型（是二层型（1：：1）粘土矿物，硅酸盐层之）粘土矿物，硅酸盐层之间由氢键连接，作用力很强，间隙小，间由氢键连接，作用力很强，间隙小，水分子或其他离子很难进入层间水分子或其他离子很难进入层间（一）高岭石（（一）高岭石（kaolinite）1、高岭石（kaolinite）（一）高岭石（kaolinite）3、比表面积：、比表面积：（（1）概念：）概念：是单位质量的固体物质与液体或气体之间，是单位质量的固体物质与液体或气体之间，全部界面积的总和单位全部界面积的总和单位m2/g（（2）高岭石比表面积：）高岭石比表面积： 较小，仅为较小，仅为30m2/g只有只有外表面，没有内表面，无胀缩性外表面，没有内表面，无胀缩性.（一）高岭石（（一）高岭石（kaolinite））4 4、带电性：、带电性：（（1 1）带电原因：）带电原因：一部分电荷是晶格破裂产生的；一部分电荷是晶格破裂产生的；另外晶格表面的另外晶格表面的—OH—OH和和—OH—OH2 2在土壤呈强在土壤呈强碱性条件下，释放出氢质子，导致高碱性条件下，释放出氢质子，导致高岭石带负电荷。

这种电荷称可变电荷岭石带负电荷这种电荷称可变电荷2 2）带电量的多少）带电量的多少高岭石所带电荷数量较少高岭石所带电荷数量较少（二）伊利石（二）伊利石1、分布：主要分布在干旱半干旱地区分布：主要分布在干旱半干旱地区2、晶格构造：、晶格构造：属三层型（属三层型（2：：1）粘土矿物，硅酸盐层间）粘土矿物，硅酸盐层间由钾离子连接，晶格距离比较稳定由钾离子连接，晶格距离比较稳定（（二）伊利石二）伊利石3、比表面积：、比表面积：晶晶格格的的边边缘缘具具有有胀胀缩缩性性，，比比表表面面积积为为100m2/g，其中的外表面小，内表面比大；，其中的外表面小，内表面比大；4、带电性：、带电性：伊利石带有的电荷是由伊利石带有的电荷是由同晶代换同晶代换产生的其其中中有有一一部部分分负负电电荷荷被被钾钾离离子子中中和和，，伊伊利利石的带电量比高岭石多石的带电量比高岭石多同晶代换同晶代换在粘土矿物晶格的形成过程中，部分晶格在粘土矿物晶格的形成过程中，部分晶格中的中央离子，被其它价数的阳离子取中的中央离子，被其它价数的阳离子取代如四面体中央的如四面体中央的Si4+被被Al 3+代替，八代替，八面体中央的面体中央的Al 3+被被Mg 2+代替，就产生了代替，就产生了剩余的负电荷剩余的负电荷。

所产生的负电荷位于硅酸盐层的晶格中，所产生的负电荷位于硅酸盐层的晶格中，不受外界溶液的影响，称为永久电荷或不受外界溶液的影响，称为永久电荷或层电荷（三）蒙脱石（三）蒙脱石1、分布：主要分布在干旱和半干旱地区、分布：主要分布在干旱和半干旱地区的土壤中的土壤中2、晶格构造：属三层型（、晶格构造：属三层型（2：：1）粘土矿）粘土矿物，硅酸盐层之间由钙离子和镁离子物，硅酸盐层之间由钙离子和镁离子连接3、比表面积：硅酸盐层之间全部胀缩性，、比表面积：硅酸盐层之间全部胀缩性，内表面积非常大，比表面积为内表面积非常大，比表面积为800 m2/g；；4、带电性：带有的电荷是由同晶代换产、带电性：带有的电荷是由同晶代换产生的，带电量比伊利石多生的，带电量比伊利石多(四）四）含水氧化物含水氧化物1、含水氧化物的种类：、含水氧化物的种类：包括非晶质的硅酸和含水氧化铁或氧化铝包括非晶质的硅酸和含水氧化铁或氧化铝2、硅酸的带电性：、硅酸的带电性：非晶质的硅酸是各种铝硅酸盐经过化学风非晶质的硅酸是各种铝硅酸盐经过化学风化过程的最后产物，其所带电荷是由化过程的最后产物，其所带电荷是由H+解离产生的解离产生的。

这种解离只有在碱性范围内才能达到较大这种解离只有在碱性范围内才能达到较大程度的解离程度的解离(四）四）含水氧化物含水氧化物3、含水氧化铁或氧化铝的种类、含水氧化铁或氧化铝的种类有褐铁矿、赤铁矿、针铁矿、水铝石和三水有褐铁矿、赤铁矿、针铁矿、水铝石和三水铝石它们均属两性胶体，所带电荷随它们均属两性胶体，所带电荷随pH值变化值变化有很大不同，在溶液偏酸时，解离出有很大不同，在溶液偏酸时，解离出—OH—，成为，成为(OH)2+带正电在溶液偏碱时，解离出在溶液偏碱时，解离出H+，成为，成为(OH)2O—带带负电（五）腐殖质胶体（五）腐殖质胶体1、结构：、结构： 高分子有机化合物，呈球形，高分子有机化合物，呈球形，具三维空间的网状结构具三维空间的网状结构2、带电性：负电荷主要是由羧基和酚羟基、带电性：负电荷主要是由羧基和酚羟基解离的氢离子引起，与解离的氢离子引起，与pH相关；相关；3、腐殖质胶体中的、腐殖质胶体中的NH2可接受氢离子，导可接受氢离子，导致腐殖质胶体带正电荷致腐殖质胶体带正电荷胡敏酸结构富里酸结构第二节第二节 土壤阳离子交换土壤阳离子交换一、土壤阳离子交换过程：一、土壤阳离子交换过程：1、概念：土壤胶体吸附阳离子，在一定条件下，、概念：土壤胶体吸附阳离子，在一定条件下，与土壤溶液中的阳离子发生交换，这就是土与土壤溶液中的阳离子发生交换，这就是土壤阳离子的交换过程。

壤阳离子的交换过程能够参与交换过程的阳离子，就成为交换性阳能够参与交换过程的阳离子，就成为交换性阳离子土壤阳离子交换过程土壤阳离子交换过程一、土壤阳离子交换过程：一、土壤阳离子交换过程：2、特点：、特点： 第一，是可逆反应任何一方的反应都第一，是可逆反应任何一方的反应都不能进行到底，只有不断排除生成物，不能进行到底，只有不断排除生成物，并反复浸提，才能把胶体表面上的钙离并反复浸提，才能把胶体表面上的钙离子和钾离子全部交换出来；子和钾离子全部交换出来；第二，阳离子交换作用按等摩尔进行，即第二，阳离子交换作用按等摩尔进行，即20克钙离子可以和克钙离子可以和39.1克钾离子交换克钾离子交换；；一、土壤阳离子交换过程：一、土壤阳离子交换过程：第三，交换受温度影响较小，而与交换点第三，交换受温度影响较小，而与交换点位置直接相关：位置直接相关：外表面上的交换可瞬时发生，一小时内达外表面上的交换可瞬时发生，一小时内达到平衡；到平衡；内表面上的交换需要很长时间才能达到平内表面上的交换需要很长时间才能达到平衡，因为离子在到达交换点前需要在晶衡，因为离子在到达交换点前需要在晶层间隙中运动，受离子扩散规律制约，层间隙中运动，受离子扩散规律制约，所以往往需要很长时间才能达到平衡。

所以往往需要很长时间才能达到平衡二、土壤阳离子交换量二、土壤阳离子交换量（（Cation Exchange Capacity））CEC 1、定义：、定义：在一定在一定pH值时，每千克土壤中所含有的全值时，每千克土壤中所含有的全部交换性阳离子的厘摩尔数部交换性阳离子的厘摩尔数单位：单位：cmol/kg 与旧单位与旧单位me/100g土等量土等量换算换算 二、土壤阳离子交换量二、土壤阳离子交换量2、意义：、意义： 土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指标一般认为：一般认为： 小于小于10 cmol/kg，保肥力弱；，保肥力弱； 10~20 cmol/kg，保肥力中等；，保肥力中等； 大于大于20 cmol/kg，保肥力强保肥力强三、影响土壤阳离子交换量的因素三、影响土壤阳离子交换量的因素1、土壤质地、土壤质地 的影响的影响 土壤质地愈粘，土壤的交换量也就愈大土壤质地愈粘，土壤的交换量也就愈大一般：一般：土壤质地土壤质地 砂土砂土 轻壤土轻壤土 中、重壤土中、重壤土 粘土粘土交换量交换量cmol/kg 1~2 7~8 15~18 25~30三、影响土壤阳离子交换量的因素三、影响土壤阳离子交换量的因素 2、腐殖质含量、腐殖质含量 腐殖质含量越高，阳离子交换量越大。

腐殖质含量越高，阳离子交换量越大 腐殖质易带负电荷，腐殖质胶体具有极大腐殖质易带负电荷，腐殖质胶体具有极大的比表面积，交换量为的比表面积，交换量为200—500cmol/kg3、无机胶体种类、无机胶体种类 高岭石（高岭石（6 cmol/kg）、）、伊利石（伊利石（30 mol/kg）、）、蒙脱石（蒙脱石（100 cmol/kg））三、影响土壤阳离子交换量的因素三、影响土壤阳离子交换量的因素4、土壤的酸碱性、土壤的酸碱性可变的负电荷，是由可变的负电荷，是由pH的增加而增加的的增加而增加的含腐殖质多的土壤，交换量受含腐殖质多的土壤，交换量受pH影响显影响显著，当著，当pH值从值从2.5上升到上升到8.0时，交换量时，交换量从从65 cmol/kg上升到上升到345 cmol/kg 另外高岭石、铁铝的含水氧化物所带电荷另外高岭石、铁铝的含水氧化物所带电荷也受酸碱环境的影响也受酸碱环境的影响四、土壤盐基饱和度四、土壤盐基饱和度1、盐基饱和度：土壤胶体上的交换性盐基离、盐基饱和度：土壤胶体上的交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分比子占交换性阳离子总量的百分比 土壤交换性阳离子可分为二类：土壤交换性阳离子可分为二类：致酸离子（致酸离子（H+、、Al3+）和盐基离子）和盐基离子(K+、、Na+、、Ca2+、、Mg2+等等)。

盐基离子为植物所需的速效养分盐基离子为植物所需的速效养分四、土壤盐基饱和度四、土壤盐基饱和度2、盐基饱和度的意义：、盐基饱和度的意义：真正反映土壤有效速效养分含量的大小若阳离子真正反映土壤有效速效养分含量的大小若阳离子总量大，而盐基饱和度偏小，土壤中养分状况总量大，而盐基饱和度偏小，土壤中养分状况？？盐基饱和度盐基饱和度>80%的土壤，一般是很肥沃的；的土壤，一般是很肥沃的；盐基饱和度盐基饱和度50%~80%的土壤，为中等肥力水平的土壤，为中等肥力水平盐基饱和度盐基饱和度<50%的土壤肥力较低需要采取措施的土壤肥力较低需要采取措施对土壤加以改良，如施肥或用石灰中和对土壤加以改良，如施肥或用石灰中和五、影响交换性阳离子有效性的因素五、影响交换性阳离子有效性的因素1、交换性阳离子的饱和度：、交换性阳离子的饱和度：饱和度大，该离子的有效性大；饱和度大，该离子的有效性大；单一离子的饱和度单一离子的饱和度%=交换性该离子总交换性该离子总量量/阳离子总量阳离子总量*100五、影响交换性阳离子有效性的因素五、影响交换性阳离子有效性的因素2、陪伴离子的种类：、陪伴离子的种类：对于某一特定的离子来说，其它与其共存的对于某一特定的离子来说，其它与其共存的离子都是陪伴离子。

离子都是陪伴离子与胶体结合强度大的离子，本身有效性低，与胶体结合强度大的离子，本身有效性低，对其它离子的抑制能力小，有效性就大对其它离子的抑制能力小，有效性就大各离子抑制能力由强到弱的顺序为：钠离子各离子抑制能力由强到弱的顺序为：钠离子>钾离子钾离子>镁离子镁离子>钙离子钙离子>氢离子氢离子>铝离子；铝离子；五、影响交换性阳离子有效性的因素五、影响交换性阳离子有效性的因素3、无机胶体的种类：、无机胶体的种类：在饱和度相同的前提下，各种离子在无机胶体在饱和度相同的前提下，各种离子在无机胶体上的有效性：上的有效性：高岭石大于蒙脱石大于伊利石；高岭石大于蒙脱石大于伊利石；4、离子半径与晶格网状孔穴大小的关系离子半径与晶格网状孔穴大小的关系离子大小与孔径相近，从而降低了有效性离子大小与孔径相近，从而降低了有效性如：孔穴半径为如：孔穴半径为1.4埃，钾离子的半径为埃，钾离子的半径为1.33埃，埃，铵离子的半径为铵离子的半径为1.42埃，则有效性较低埃，则有效性较低第三节 土壤胶体对阴离子的吸附一、土壤吸收阴离子的原因一、土壤吸收阴离子的原因1、两性胶体带正电荷、两性胶体带正电荷酸性酸性 Al(OH)3 +HCl= Al(OH)2++Cl--+H2O碱性碱性Al(OH)3 +NaOH= Al(OH)2O--+Na++H2O2、土壤腐殖质中的、土壤腐殖质中的—NH2 在酸性条件下在酸性条件下吸收吸收H+ 成为成为—NH3+ 而带正电。

而带正电二、土壤中各种阴离子的吸附方式二、土壤中各种阴离子的吸附方式 1、表面吸附、表面吸附氯氯离离子子和和硝硝酸酸根根离离子子通通过过静静电电引引力力作作用用，，被被土土壤壤胶胶体体所所吸吸附附，，但但结结合合得得比比较较疏疏松松，，可可以和其它的阴离子互相交换以和其它的阴离子互相交换2、、镶镶嵌嵌吸吸附附：：对对磷磷酸酸盐盐、、钼钼酸酸盐盐和和硅硅酸酸盐盐与与土土壤壤胶胶体体表表面面的的铁铁和和铝铝是是通通过过氧氧桥桥相相结结合合这种结合是很牢固的这种结合是很牢固的二、土壤中各种阴离子的吸附方式二、土壤中各种阴离子的吸附方式根据阴离子吸收的特点，在施肥时，应采根据阴离子吸收的特点，在施肥时，应采取相应措施，磷肥施用时应防止固定，取相应措施，磷肥施用时应防止固定，硝酸态氮肥应防止流失硝酸态氮肥应防止流失 第四节 离子吸收代换作用的意义离子吸收代换作用的意义 一、使土壤具有保持和供应养分的能力一、使土壤具有保持和供应养分的能力 离离子子态态的的养养分分，，在在土土壤壤胶胶体体的的离离子子代代换换作作用用下下，，保持在土壤中，这就是土壤的保肥性保持在土壤中，这就是土壤的保肥性。

被被土土壤壤胶胶体体吸吸收收的的离离子子与与土土壤壤溶溶液液间间的的离离子子能能进进行行可可逆逆性性交交换换，，植植物物可可随随时时从从土土壤壤中中得得到到养养分分，，这就是土壤的供肥性这就是土壤的供肥性土土壤壤如如具具有有较较高高的的离离子子代代换换吸吸收收量量，，土土壤壤也也就就具具备备了较好的养分保持与供应能力了较好的养分保持与供应能力二、调节土壤的物理状况二、调节土壤的物理状况 土土壤壤胶胶粒粒之之间间的的凝凝聚聚作作用用，，是是土土壤壤具具有有结结构的根本原因，构的根本原因，当当土土壤壤胶胶体体表表面面吸吸收收大大量量钠钠离离子子时时，，促促使使胶胶粒粒分分散散而而当当土土壤壤胶胶体体吸吸附附钙钙后后，，胶胶粒易于凝聚，形成土壤结构体粒易于凝聚，形成土壤结构体在在碱碱性性土土壤壤上上施施石石膏膏，，可可改改良良土土壤壤的的不不良良性状性状第四节第四节 离子吸收代换作用的意义离子吸收代换作用的意义第五节第五节 土壤阳离子吸收与代换性的改良土壤阳离子吸收与代换性的改良一、提高阳离子代换量一、提高阳离子代换量1、增加矿质胶体、增加矿质胶体 在在北北方方地地区区质质地地粗粗的的土土壤壤中中，，应应增增加加阳阳离离子代换量高的粘土。

子代换量高的粘土 南南方方地地区区土土壤壤以以高高岭岭石石为为主主，，代代换换量量低低，，应应增加富含蒙脱石、蛭石的土壤增加富含蒙脱石、蛭石的土壤 蛭蛭石石是是云云母母类类矿矿物物脱脱钾钾后后形形成成的的，，在在北北方方土土壤壤中中含含量量高高，，化化学学成成分分变变化化大大，，与与蒙蒙脱脱石石的区别是层间连接比较紧的区别是层间连接比较紧第五节第五节 土壤阳离子吸收与代换性的改良土壤阳离子吸收与代换性的改良n2、增加有机胶体、增加有机胶体 有有机机胶胶体体的的代代换换量量（（200—500cmol/kg)是是矿矿质质胶体的若干倍胶体的若干倍 对对任任何何土土壤壤来来说说，，增增加加腐腐殖殖质质，，可可提提高高阳阳离离子子代代换量每增加每增加1%腐殖质，可提高腐殖质，可提高1—2cmol/kg的交换量的交换量n3、适当提高土壤、适当提高土壤pH 碱碱性性条条件件有有利利于于氢氢离离子子解解离离，，阳阳离离子子代代换换量量也也提提高对酸性土壤来说，完全可行对酸性土壤来说，完全可行 第五节第五节 土壤阳离子吸收与代换性的改良土壤阳离子吸收与代换性的改良二、改善代换性阳离子组成二、改善代换性阳离子组成 肥沃土壤的代换性阳离子组成应以钙、肥沃土壤的代换性阳离子组成应以钙、镁为主，其次为钾和钠。

镁为主，其次为钾和钠 如氢、铝占优势，就成强酸性土壤，盐基如氢、铝占优势，就成强酸性土壤，盐基饱和度低，肥力低饱和度低，肥力低如钠比例高，呈强碱性土壤如钠比例高，呈强碱性土壤。