土壤胶体和土壤离子交换森林土壤.ppt

第八章第八章 土壤胶体和土壤离子交换土壤胶体和土壤离子交换 第一节第一节 土壤胶体的构造与性质土壤胶体的构造与性质 一、土壤胶体的概念一、土壤胶体的概念 土壤中的固相、液相和气相呈互相分散的胶体状态，是一个分散系。即土壤学中所指的土壤胶体是指直径小于2m或者小于1m土壤颗粒。胶体微粒胶体微粒 胶核胶核 双电层双电层 决定电位离子层（内）决定电位离子层（内）补偿离子层（外）补偿离子层（外）非活性离子层非活性离子层扩散层扩散层 二、土壤胶体的构造1 1微粒核（胶核）微粒核（胶核）微粒核是土壤胶体微粒的核心部分，微粒核是土壤胶体微粒的核心部分，它是由组成胶体微粒的基本物质的分子群它是由组成胶体微粒的基本物质的分子群所组成。所组成。2 2扩散双电层扩散双电层（1）决定电位离子层 是吸附在胶粒核表面，决定胶粒电荷正负及大小的一层离子。（2）补偿离子层 分为两个层次。一、非活性补偿离子层。二、扩散层。胶胶体体微微粒粒的的扩扩散散双双电电层层构构造造图图式式3、胶团间溶液即土壤胶体分散系中的分散介质，即土壤胶体分散系中的分散介质，也即是土壤溶液。也即是土壤溶液。土粒土壤溶液土壤溶液 一、巨大的比表面积和表面能一、巨大的比表面积和表面能比比表表面面积积：单单位位质质量量或或物物体体的的总总表表面面积积称称为比表面积或比面，物体愈小比面愈大。为比表面积或比面，物体愈小比面愈大。第二节土壤胶体的性质第二节土壤胶体的性质 土粒直径土粒直径(mm)总表面积总表面积(cm2)比面比面(cm2/cm3)10 3.14 6 1 31.42 60 0.05 628.32 1200 0.001 31416 60000 l l表面能：表面能：由于表面分子的四周不都是相同由于表面分子的四周不都是相同的分子，受到的力不均衡，使表面分子对的分子，受到的力不均衡，使表面分子对外表现有剩余能量，这种能量是由于表面外表现有剩余能量，这种能量是由于表面的存在而产生，所以叫做的存在而产生，所以叫做表面能。表面能。-内表面：指膨胀性粘土矿物的晶层内表面：指膨胀性粘土矿物的晶层表面和腐植质分子聚集体内部的表面。表面和腐植质分子聚集体内部的表面。-外表面：指粘土矿物、氧化物和腐外表面：指粘土矿物、氧化物和腐植质分子暴露在外的表面。植质分子暴露在外的表面。土壤有机质的比表面大，表观比表面可达土壤有机质的比表面大，表观比表面可达700 m2/g。胶体成分胶体成分内表面积内表面积外表面积外表面积总表面积总表面积蒙脱石蒙脱石70075015150700850蛭蛭 石石400750150400800水云母水云母059015090150高岭石高岭石0540540埃洛石埃洛石010451045水化埃洛石水化埃洛石4002530430水铝英石水铝英石130400130400260800土壤中常见矿物的比表面积（土壤中常见矿物的比表面积（m2/g）二、带电性二、带电性 土壤胶体微粒都带有一定的电荷土壤胶体微粒都带有一定的电荷，（一）（一）电荷类型：电荷类型：永久电荷永久电荷(permanentcharge)：由同晶代换作用：由同晶代换作用产生（产生（粘土矿物晶质中的一种离子被另一种离子取代的过程）可变电荷(variablecharge)随pH的变化而变化的土壤电荷。晶格破碎边缘带电负电荷土壤胶体的双电层模型土壤胶体的双电层模型可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团的解离：A.含水氧化硅的解离B.粘粒矿物的晶面上的OH和H的解离C.腐殖质上某些官能团的解离D.含水氧化和水铝石表面的分子中OH的解离；pH3.2从上述四种情况来看，土壤胶体所带的从上述四种情况来看，土壤胶体所带的电荷数量和性质与介质的电荷数量和性质与介质的pH值有密切关系。值有密切关系。（二）土壤的电荷数量（二）土壤的电荷数量 1、土壤电荷主要集中在胶体部分。2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础。3、有机胶体和无机胶体的电荷具有非加和性。三、土壤胶体的分散性和凝聚性三、土壤胶体的分散性和凝聚性 胶体微粒均匀分散在土壤溶液中成为胶体溶液状态，称为溶胶。1土壤胶体溶液（溶胶）2土壤中无定形的凝胶体（凝胶）微粒彼此相互联结凝聚在一起，呈无定型絮状凝胶体，称凝胶。3分散和凝聚作用 由溶胶联结凝聚成凝胶的作用，叫做胶体的凝聚作用。一般地，离子的价数越高，离子半径越大，所产生的凝聚能力越强。常见阳离子凝聚力的排列顺序是：FeFe3 3AlAl3 3CaCa2 2MgMg2 2K KNHNH4 4NaNa 凝胶分散成溶胶的作用，叫做胶体的分散作用。胶体的凝聚作用，有些是可逆的，有些是不可逆的。第二节土壤胶体类型第二节土壤胶体类型一、土壤无机胶体（矿质胶体）一、土壤无机胶体（矿质胶体）主要为极细微的粘土矿物，包括成分简单的含水氧化物和成分复杂的各种次生层状铝硅酸盐类等。1含水氧化物 主要包括水化程度不等的铁、铝、硅的氧化物。（1）含水氧化硅 是一种非晶质的凝胶，其化学式为SiO2nH2O或写成H2SIO3。（2）含水氧化铁 主要有:褐铁矿 2Fe2O33H2O针铁矿Fe2O3H2O多水针铁矿3FeO34H2O一水赤铁3Fe2O3H2O等。（3）含水氧化铝 主要有水铝石Ai2O3H2O和三水铝石Al2O33H2O等，也是两性胶体，其电性决定于溶液的酸碱性。硅氧四面体（或简称四面体）硅氧四面体（或简称四面体）硅氧四面体是硅酸盐矿物的最基本的硅氧四面体是硅酸盐矿物的最基本的结构单位，不同的连接组合方式形成不同结构单位，不同的连接组合方式形成不同的硅酸盐矿物。的硅酸盐矿物。2、粘土矿物、粘土矿物（1 1）粘土矿物的基本构造特征粘土矿物的基本构造特征基本构造基本构造铝氧八面体（或简称八面体）铝氧八面体（或简称八面体）粘土矿物基本构造单位晶层结构单位晶层结构 1:11:1型单位晶层型单位晶层:由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。式形成单位晶层。1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面，一个是由具有六角形空穴的氧原子层面，一个不同的层面，一个是由具有六角形空穴的氧原子层面，一个是由氢氧构成的层面。个是由氢氧构成的层面。2:12:1型单位晶层型单位晶层由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。2:12:1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。是氧原子面。同晶替代同晶替代 是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小是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。相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。铝铝43（2）粘土矿物类型 土壤中最主要的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石，还有蛭石、绿泥石、水铝英石等。特点：特点：(1(1）1:11:1型的晶层结构型的晶层结构 单位晶胞的分子式可表示为单位晶胞的分子式可表示为AiAi4 4SiSi4 4O O1010(OH)(OH)8 8。（2 2）无膨胀性）无膨胀性 两个晶层的层面间产生了键能较强的氢两个晶层的层面间产生了键能较强的氢 键，膨胀系数一般小于键，膨胀系数一般小于5 5.高岭石层间距约为高岭石层间距约为0.72nm0.72nm。（3 3）电荷数量少阳离子交换量只有）电荷数量少阳离子交换量只有3-15Cmoles(+)Kg3-15Cmoles(+)Kg-1-1。（4 4）胶体特性较弱）胶体特性较弱 较粗（较粗（0.2-20.2-2 m m），颗粒的总表面积相），颗粒的总表面积相 对较小，为对较小，为1010201020103 3m m2 2kgkg-1-1高岭组粘土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土高岭组粘土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。高岭类矿物高岭类矿物（1:11:1型矿物型矿物）包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等高岭石矿物结构示意图高岭石矿物结构示意图1:1型型高岭石高岭石结构示结构示意图意图特征：特征：（1 1）2:12:1型的晶层结构蒙脱石是其典型代表。单位晶胞的分子型的晶层结构蒙脱石是其典型代表。单位晶胞的分子式可表示式可表示AlAl4 4SiSi8 8O O2020(OH)(OH)4 4nHnH2 2O O。（2 2）胀缩性大）胀缩性大 蒙脱石晶层间距变化在之间，蛭虫的膨胀性比蒙脱石晶层间距变化在之间，蛭虫的膨胀性比蒙脱石小，其晶层间距变化在之间。蒙脱石小，其晶层间距变化在之间。（3 3）电荷数量大）电荷数量大 同晶替代现象普遍。同晶替代现象普遍。（4 4）胶体特性突出）胶体特性突出 ，较细（有效直径，较细（有效直径0.01-10.01-1 m m），总表面积），总表面积为为60060080010800103 3m m2 2kgkg-1-1，且，且8080是内表面。蛭石一般为是内表面。蛭石一般为40010400103 3m m2 2kgkg-1-1。蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广蒙脱石类矿物（2:1型膨胀性矿物）包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。蒙脱石矿物结构示意图蒙脱石矿物结构示意图2:1型型蒙脱石蒙脱石结构示结构示意图意图特征：特征：（1 1）2:12:1型晶层结构伊利石是其主要代表，。分子型晶层结构伊利石是其主要代表，。分子 式为式为K K2 2(Al(Al FeFe Mg)Mg)4 4(SiAl)(SiAl)8 8O O2020(OH)(OH)4 4 nHnH2 2O O。（2 2）无膨胀性）无膨胀性 在伊利石晶层之间吸附有钾离子，在伊利石晶层之间吸附有钾离子，对相邻两晶层产生了很强的键联效果，使晶层不易膨胀，伊利对相邻两晶层产生了很强的键联效果，使晶层不易膨胀，伊利石晶层的间距为石晶层的间距为1.0nm1.0nm。（3 3）电荷数量较大）电荷数量较大 20 2040Cmoles(+)kg40Cmoles(+)kg-1-1。（4 4）胶体特性一般）胶体特性一般 总表面积为总表面积为707012010120103 3m m2 2kgkg-1-1，其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之间。间。水化云母组水化云母组（2:12:1型非膨胀性矿物）型非膨胀性矿物）伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。伊利石结构示意图伊利石结构示意图 2:1型型水云母水云母结构示结构示意图意图3种主要类型硅酸盐粘粒性质比较 3 31515151540 40 8080100 100 阳离子交换量阳离子交换量（cmol/gcmol/g）低低中等中等高高膨胀度膨胀度 低低中等中等高高 内聚力，可塑性内聚力，可塑性 无无中等中等很大很大 内表面内表面 小小中等中等大大 外表面外表面 5 52020100100120 120 700700800 800 比表面比表面(m(m2 2/g/g）六方型晶体六方型晶体不规则片状不规则片状 不规则片状不规则片状 形状形状 0.l 0.l5.0 5.0 0.l0.l2.9 2.9 0.010.011.0 1.0 大小（大小（nmnm）高岭石高岭石伊利石伊利石 蒙脱石蒙脱石 粘粘 粒粒 类类 型型性质性质 土土壤壤有有机机胶胶体体指指土土壤壤中中腐腐殖殖质质、多多糖糖等等高高分分子子化化合合物物的的细细分分散状态，具胶体特性。散状态，具胶体特性。有机胶体主要是腐殖质。有机胶体主要是腐殖质。二、土壤有机胶体二、土壤有机胶体三、土壤有机矿质复合胶体三、土壤有机矿质复合胶体有机胶体与矿质胶体通过表面分有机胶体与矿质胶体通过表面分子缩合、阳离子桥接及氢键合等作用子缩合、阳离子桥接及氢键合等作用连结在一起的复合体，连结在一起的复合体，称有机矿质复称有机矿质复合体。合体。因复合体具有高度的吸收性能因复合体具有高度的吸收性能故又称为吸收性复合体。故又称为吸收性复合体。第三节第三节 土壤阳离子的交换作用土壤阳离子的交换作用带电荷的土壤胶体会吸附土壤溶液中的带相反电荷的离子，以补偿胶体电性的不平衡。一部分被吸附的离子，可以和土壤溶液中的离子进行交换。这种现象就称为 土壤胶体的交换吸附性能。离子从溶液转移到胶体表面的过程，称为离子的吸附过程。吸附的离子从胶体表面转移到溶液去的过程，称为离子的解吸过程。一、土壤阳离子交换阳离子交换作用*在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种能相互交换的阳离子叫做交换性阳离子交换性阳离子，而把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为阳离子交换作用阳离子交换作用*。离子交换（1）阳离子交换作用是可逆反应。（2）交换是等当量进行的。（3）阳离子交换受质量作用定律的支配。二、二、阳离子交换作用的特点三、影响阳离子交换作用的因素三、影响阳离子交换作用的因素1阳离子交换能力 一种阳离子将他种阳离子从胶粒上交换下来的能力叫做该种阳离子的交换能力。（1）离子电荷价）离子电荷价三价二价一价（2）离子半径及水化程度）离子半径及水化程度 土壤中常见的离子交换能力排列顺序是：FeFe3 3AlAl3 3H HCaCa2 2MgMg2 2K KNHNH4 4NaNa 凡运动速度快的其交换能力也大。H半径小，但水化很弱，水膜薄，运动速度快，因此它在交换能力上具有特殊位置。1 1 1.008 1.008 1 1 H H 2 21.0001.0000.106 0.106 40.08 40.08 2 2 Ca Ca2 2 3 31.330 1.330 0.0780.07824.23 24.23 2 2 Mg Mg2 2 4 40.537 0.537 0.1330.13339.10 39.10 1 1 K K 5 50.532 0.532 0.143 0.143 18.01 18.01 1 1 NH NH4 4 6 60.790 0.790 0.093 0.093 23.00 23.00 1 1 Na Na 水化水化未水化未水化交换力交换力顺序顺序离子半径（离子半径（A A）原子量原子量价数价数离子离子表表表表4 4 4 42 2 2 2离子半径及水化程度与交换力的关系离子半径及水化程度与交换力的关系离子半径及水化程度与交换力的关系离子半径及水化程度与交换力的关系2阳离子的相对浓度及交换生成物的性质 K Ca2K2SO4 K CaSO4有利于向生成物方向进行的条件有利于向生成物方向进行的条件生成物不断被移走生成物不断被移走（生物吸收、淋溶）（生物吸收、淋溶）形成沉淀形成沉淀（矿物固定）不溶物或难溶物（矿物固定）不溶物或难溶物形成气体形成气体土壤土壤胶粒胶粒土壤土壤胶粒胶粒1土壤的阳离子交换量土壤的阳离子交换量（CEC：cmol(+)kg-1）指每千克土壤或胶体吸附或代换周围溶液中阳指每千克土壤或胶体吸附或代换周围溶液中阳离子的厘摩尔数离子的厘摩尔数。阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标。四、土壤的阳离子交换量和盐基饱和度四、土壤的阳离子交换量和盐基饱和度CEC20保肥能力 低中高影响因素影响因素（1）土壤质地）土壤质地 一般是胶体物质越多，阳离子交换量越一般是胶体物质越多，阳离子交换量越大；胶体粒子越少交换量越小；土壤质地愈大；胶体粒子越少交换量越小；土壤质地愈细，矿质胶体数量愈多，交换量也愈高。细，矿质胶体数量愈多，交换量也愈高。质地砂土砂壤土壤土粘土CEC15781518 2530（2）腐殖质含量）腐殖质含量腐殖质胶体阳离子交换量远大于矿质胶体。腐殖质胶体阳离子交换量远大于矿质胶体。（3）胶体种类）胶体种类 有有机机胶胶体体交交换换量量最最大大；矿矿质质胶胶体体中中交交换换量量大大小是：小是：蒙脱石伊利石高岭石。蒙脱石伊利石高岭石。（4）土壤酸碱反应）土壤酸碱反应 一一般般来来说说，随随土土壤壤碱碱度度增增加加(pH值值增增高高)解解离离度度增增高高，带带电电量量多多，反反之之，随随土土壤壤酸酸度度增增加加(pH值值降低降低)解离度降低，带电量减少。解离度降低，带电量减少。不同类型土壤胶体的阳离子交换量不同类型土壤胶体的阳离子交换量土壤胶体CECcmol(+).kg-1腐殖质蛭 石蒙脱石伊利石高岭石倍半氧化物200100-15070-9510-403-152-4 我国土壤阳离子交换量，由南向我国土壤阳离子交换量，由南向北，由西向东有逐渐增多的趋势。北，由西向东有逐渐增多的趋势。阳离子可分为两大类：阳离子可分为两大类：阳离子的代换量是这两类离子被吸收的总量。阳离子的代换量是这两类离子被吸收的总量。阳离子盐基离子盐基离子（Ca2、Mg2、K、Na、NH4等）等）致酸离子致酸离子H与与Al3 2、盐基饱和度（BS）:土壤吸附的交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分数。交换性盐基离子总量（交换性盐基离子总量（cmolkg）CEC（cmolkg）BS（）（）=盐基饱和度的大小常与雨量、母质、植盐基饱和度的大小常与雨量、母质、植被等自然条件有密切关系。一般干旱地区的被等自然条件有密切关系。一般干旱地区的土壤盐基饱和度大，多雨地区则小。土壤盐基饱和度大，多雨地区则小。盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应；而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；BS80%80%505080%80%50%50%肥力肥沃土壤肥沃土壤肥沃土壤肥沃土壤肥力中等肥力中等肥力中等肥力中等肥力较低肥力较低肥力较低肥力较低五、交换性阳离子的活度及影响因素五、交换性阳离子的活度及影响因素交换性阳离子活度：交换性阳离子活度：指实际能解离的交指实际能解离的交换性阳离子的数量换性阳离子的数量影响因素：影响因素：1、交换性离子饱和度、交换性离子饱和度2、陪补离子的种类、陪补离子的种类离子相互抑制的能力顺序离子相互抑制的能力顺序NaNa K K Mg Mg2 2 Ca Ca2 2 H H Al Al3 33、无机胶体的种类、无机胶体的种类高岭石蒙脱石水云母高岭石蒙脱石水云母4、离子半径大小与晶格孔隙大小、离子半径大小与晶格孔隙大小晶格固定（同晶代换）晶格固定（同晶代换）六、阳离子的专性吸附六、阳离子的专性吸附（一）阳离子专性吸附的机理产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质主要是铁、铝、锰等的氧化物及其水合物。层状硅酸盐矿物在某些情况下对重金属离子也可以产生专性吸附作用（络合物络合物）。（二）阳离子专性吸附的实际意义（二）阳离子专性吸附的实际意义:对多种微量重金属离子起富集作用。调控金属元素的生物有效性和生物毒性。土壤溶液中Zn、Co、Cu、Mo等微量金属离子的浓度受氧化物及其水合物专性吸附的控制。对水体的重金属污染起一定的净化作用，但专性吸附作用也给土壤带来潜在的污染威胁。第四节土壤阴离子交换作用第四节土壤阴离子交换作用 被胶粒表面正电荷吸附的阴离子与被胶粒表面正电荷吸附的阴离子与溶液中阴离子的交换，称为阴离子交换。溶液中阴离子的交换，称为阴离子交换。一、阴离子吸收的机制一、阴离子吸收的机制1 1、静电吸附：土壤带正电荷的胶体表面对、静电吸附：土壤带正电荷的胶体表面对阴离子的吸附。阴离子的吸附。具有交换性。具有交换性。如：如：ClCl-，NO NO3 3-的吸附的吸附2 2、配位体交换吸附：指阴离子取代氧化物、配位体交换吸附：指阴离子取代氧化物表面羟基而被吸附的过程。属于专性吸表面羟基而被吸附的过程。属于专性吸附。附。主要由主要由F F-和含氧酸根离子引起。和含氧酸根离子引起。3 3、化学沉淀作用：指阴离子与土壤矿物质、化学沉淀作用：指阴离子与土壤矿物质形成沉淀的过程。形成沉淀的过程。如磷酸根与铁、铝的沉淀。如磷酸根与铁、铝的沉淀。1 1、易被土壤胶体吸附的阴离子易被土壤胶体吸附的阴离子 如如 H H2 2POPO4 4、HPOHPO4 42 2、POPO4 43 3、HSiOHSiO3 3、SiOSiO3 32 2及某些有及某些有机酸根。机酸根。2 2、很少被吸附甚至产生负吸收附阴离子、很少被吸附甚至产生负吸收附阴离子 ，如如 NO NO3 3、NONO2 22 2、ClCl等。等。3 3、介于上述两者之间的阴离子，如、介于上述两者之间的阴离子，如 SO SO4 42 2、COCO3 32 2、HCOHCO3 3以及某些有机酸根。以及某些有机酸根。二、阴离子的吸收强度二、阴离子的吸收强度所谓负吸附，指阴离子在土壤胶体表面的浓度低于土壤溶液中的浓度的现象。实际上指土壤胶体对阴离子的排斥现象。常见阴离子被土壤吸收的难易顺序：F-草酸根柠檬酸根H2PO4-HCO3-H2BO3-CH3COO-SCN-SO42-Cl-NO3-硝酸根容易被淋失，而磷酸根容易被固定。这是农业生产上十分需要注意的问题。三、影响阴离子吸附的因素阴离子电价阴离子电价随着阴离子价数的增加随着阴离子价数的增加而增加。而增加。土壤胶体类型土壤胶体类型带负电荷愈多的胶体，带负电荷愈多的胶体，对阴离子的排斥作用愈强，负吸附愈明对阴离子的排斥作用愈强，负吸附愈明显。显。名词：阳离子交换量名词：阳离子交换量 盐基饱和度盐基饱和度1 1、土壤胶体的表面类型、表面电荷来源与、土壤胶体的表面类型、表面电荷来源与种类。种类。2 2、土壤阳离子交换作用的规律、影响阳离、土壤阳离子交换作用的规律、影响阳离子有效性的因素以及阳离子交换对土壤性质子有效性的因素以及阳离子交换对土壤性质的影响。的影响。3 3、阳离子专性吸附的实际意义。阳离子专性吸附的实际意义。4 4、高岭石、伊利石和蒙脱石的基本特性。、高岭石、伊利石和蒙脱石的基本特性。本章重点：