土壤胶体与离子交换作用.ppt

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1、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 第一节第一节 土壤胶体土壤胶体一、土壤胶体的概念及种类一、土壤胶体的概念及种类 1、概念：、概念：土土壤壤胶胶体体：大大小小在在1-100nm（在在长长、宽宽和和高高三三个个方方向向上上，至至少少有有一一个个方方向向在在此此范范围围内内）的的土壤固体颗粒。土壤固体颗粒。土壤无机胶体土壤无机胶体层状硅酸盐粘层状硅酸盐粘土矿物土矿物2 2：1 1型如蒙脱石型如蒙脱石1 1：1 1型如高岭石型如高岭石氧化物及其氧化物及其水合物水合物Al Fe Si C

2、a Al Fe Si Ca MnMn Ti Ti的氧化的氧化物及水合氧化物，常呈胶物及水合氧化物，常呈胶膜被覆于土粒表面膜被覆于土粒表面土壤有机胶土壤有机胶主要是腐殖质及其各种组分主要是腐殖质及其各种组分主要是腐殖质及其各种组分主要是腐殖质及其各种组分少量的蛋白质或氨基酸少量的蛋白质或氨基酸少量的蛋白质或氨基酸少量的蛋白质或氨基酸 多肽，多糖类化合物多肽，多糖类化合物多肽，多糖类化合物多肽，多糖类化合物土壤有机矿质复合体土壤有机矿质复合体2 2、类型、类型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。土壤胶体分散系统由胶体微粒（分散壤胶体分散系统由胶体微粒

3、（分散相）和微粒间溶液（分散介质）两相）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土壤胶体颗粒的构造土壤胶体颗粒的构造土壤胶体颗粒的构造土壤胶体分散系土壤胶团土壤溶液胶核双电层定位离子层（内层）补偿离子层非活性层扩散层反离子层胶粒当静电引力与热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，形成了由一层固形成了由一层固相表面电荷和一相表面电荷和一层溶液中相反符层溶液中相反符号离子所组成的号离子所组成的电荷非均匀分布电荷非均匀分布的空间结构，称的空间结构，称为双电层为双电层二.土壤胶体的基本特性（一）具有丰富的表面积

4、和巨大的表面能。1.1.比表面比表面 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）。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土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2/g)胶体成分内表面外表面总表面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7007504007500500400130140-15150159015044010452530130140-70085040080090150540104543

5、0260800800900 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。粘土矿物的表面特征（二）土壤胶体的带电性 土壤胶体带电性是其主要的特性。永久电荷永久电荷 可可变电荷变电荷土壤胶体的电荷土壤胶体的电荷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 ：随着土壤溶液随着土壤溶液pHpH变化而变变化而变化的电荷叫可变电荷。化的电荷叫可变电荷。可变电荷产生的原因：主要是胶体

6、表面分主要是胶体表面分子解离。子解离。（1 1）含水氧化硅分子解离）含水氧化硅分子解离（2 2）粘土矿物晶面上羟基解离（）粘土矿物晶面上羟基解离（1:11:1型粘型粘土矿物在土矿物在pH5pH5时可以解离）时可以解离）（3 3）腐殖质分子表面解离）腐殖质分子表面解离（4 4）含水氧化铁铝表面解离出）含水氧化铁铝表面解离出OHOH-，带正，带正电荷（在电荷（在pH5pH5时带正电荷）时带正电荷）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59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p

7、H5时则可能带较多正电荷。土壤中土壤中80%80%以上的土壤电荷集中于粘粒上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（三）土壤胶体存在可改变的状态凝聚凝聚与分散与分散1 1、土壤胶体、土壤胶体有有两种存在的状态：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，称为溶形成的一种外观颇似溶液的胶体溶液，称为溶胶。胶。另一种是在外因作用下，胶体微粒聚合在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。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胶体

8、的两种存在状态，在一定条件才可以进行胶体的两种存在状态，在一定条件才可以进行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，这一过程某种程度的转化，即溶胶可以转变为凝胶，这一过程某种程度的转化，即溶胶可以转变为凝胶，这一过程某种程度的转化，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，这一过程称为分称为凝聚；凝胶也可以转变为溶胶，这一过程称为分称为凝聚；凝胶也可以转变为溶胶，这一过程称为分称为凝聚；凝胶也可以转变为溶胶，这一过程称为分散。散。散。散。土壤胶体所处的状态直接影响土壤的物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。

9、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。土壤形成不可逆凝聚的显著作用。第二节第二节 土壤离子交换作用土壤离子交换作用一、土壤阳离子交换与交换阳离子一、土壤阳离子交换与交换阳离子 1.离离子子吸吸附附：土土壤壤胶胶体体一一般般带带负负电电，能能吸吸附附土土壤壤溶液中的阳离子。溶液中的阳离子。2.

10、解解吸吸：这这些些被被吸吸附附的的阳阳离离子子在在一一定定条条件件下下可可以以和和土土壤壤溶溶液液中中的的阳阳离离子子互互相相交交换换，从从胶胶体体表表面面进进入入溶液。溶液。土壤土壤胶粒胶粒土壤土壤胶粒胶粒Ca2+NH4+3K+Ca2+NH4+K+K+K+交换性阳离子可分两种：交换性阳离子可分两种：致酸离子致酸离子 H+Al3+盐基离子盐基离子Ca2+、Mg2+、K+、NH4 4+、Na+交换反应示意图如下：交换反应示意图如下：3.3.阳离子交换作用：阳离子交换作用：通过吸附和解吸，引起离通过吸附和解吸，引起离子位置相互交换的作用。子位置相互交换的作用。4.4.交换性阳离子：交换性阳离子：被

11、吸附的阳离子。被吸附的阳离子。阳离子交换5 5、阳离子交换作用的基本特征、阳离子交换作用的基本特征1.1.可逆反应可逆反应 2.2.等价交换等价交换3.3.受质量作用定律的支配受质量作用定律的支配6 6、影响阳离子交换的因素、影响阳离子交换的因素受以下因素影响：受以下因素影响：1.1.离子价：离子价：高价离子低价离子高价离子低价离子 2.2.离子半径和离子水化半径：离子半径和离子水化半径：同价离子，同价离子，离子半径大的、水化半径小的交换能力大，离子半径大的、水化半径小的交换能力大，3.3.离子的运动速度离子的运动速度 ：半径小运动速度快半径小运动速度快 4.4.离子浓度：离子浓度：交换能力弱

12、的离子在浓度足够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。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：综上所述，阳离子交换能力顺序为：FeFe3+3+、AlAl3+3+H H+CaCa2+2+MgMg2+2+NHNH4+4+K K+NaNa+二、阳离子交换量二、阳离子交换量 是指在一定是指在一定pH时每时每1000g干土所能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。影响土壤影响土壤CEC大小的因素：大小的因素：1、胶体含量、胶体含量 质地粘重质地粘重CEC大。大。2、胶体类型、胶体类型 有机胶体有机胶体CEC

13、远比矿质胶远比矿质胶体大，施有机肥可大幅度提高土壤保肥体大，施有机肥可大幅度提高土壤保肥能力。能力。3、土壤、土壤pH值值 影响可变电荷的多少，一影响可变电荷的多少，一般般pH值升高，值升高，H+解离，可变负电荷逐渐解离，可变负电荷逐渐增多，增多，CEC也随之增加。也随之增加。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 200100-15070-9510-403-152-4三、盐基饱和度三、盐基饱和度 指土壤中交换指土壤中交换性盐基离子（性盐基离子（K K+、NaNa+、NHNH4 4+、Ca

14、Ca2+2+、MgMg2+2+等等）总量占阳离）总量占阳离子交换量的百分数。子交换量的百分数。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。（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，而其余当土壤胶体所吸附的阳离子仅部分地为盐基离子，而其余一部分为一部分为H+和和Al3+时时,则这一土壤胶体呈盐基不饱和状态则这一土壤胶体呈盐基不饱和状态,称为称为盐基不饱和土壤。盐基不饱和土壤。（呈酸性反应）（呈酸性反应）南方土

15、壤：南方土壤：H+和和Al3+等致酸离子较多等致酸离子较多,土壤的盐基饱和度小；土壤的盐基饱和度小；北方土壤：北方土壤：Ca2+和和Mg2+占有较大的数量和比例占有较大的数量和比例,盐基饱度大盐基饱度大。变化趋势：变化趋势：以北以北 80%80%以上以上 （除（除棕壤棕壤、暗棕壤、灰化土等）、暗棕壤、灰化土等）以南以南 盐基不饱和盐基不饱和（红壤、砖红壤一般（红壤、砖红壤一般20-30%20-30%）北纬北纬33它与土壤酸碱反应关系密切它与土壤酸碱反应关系密切（1 1）胶体上吸附的阳离子可以被土壤溶液中其它离子交）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；

16、换下来，由植物根系的离子交换和吸收；（2 2）植物的根毛表面吸附的交换性）植物的根毛表面吸附的交换性H+，可以直接和土可以直接和土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。植植物物有有效效性性速效性养分速效性养分 1 1、离子饱和度离子饱和度（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，有效度就越大 *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：土壤阳离子饱和度和有效度的关系土壤阳离子饱和度和有效度的关系 P179 表表8-7较较 小小331030B较较 大大75

17、68A有效度有效度比比 较较交换性交换性Ca2+饱和度饱和度%交换性交换性Ca2+量量cmol.g-1CECcmol.g-1土土 壤壤施肥方法：集中施肥，施肥方法：集中施肥，条施、穴施条施、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，砂土少量多次砂土少量多次2 2、陪补离子效应陪补离子效应（互补离子效应）（互补离子效应）陪补离子与交换性钙的有效性陪补离子与交换性钙的有效性 土壤土壤交换性阳离子交换性阳离子组成组成 小麦幼苗干重小麦幼苗干重(g)小麦幼苗吸钙量小麦幼苗吸钙量(mg)ABC 40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na 2.802.7

18、92.34 11.157.834.36土壤胶体上与该离子共存的其它阳离子土壤胶体上与该离子共存的其它阳离子陪补离子陪补离子陪陪补补离离子子与与胶胶体体的的亲亲和和力力 K+与陪补离子与陪补离子 Ca2+、Na+的关系的关系？四、土壤离子交换性能与土壤改良四、土壤离子交换性能与土壤改良苗圃：苗圃：改善土壤质地、增施有机肥改善土壤质地、增施有机肥补充保肥能力较高的土壤补充保肥能力较高的土壤营养钵育苗营养钵育苗腐熟的泥炭或腐殖土腐熟的泥炭或腐殖土+肥料肥料、蛭石蛭石造林：造林：客土、带土、定植穴内加入杂草、凋落物或肥土等客土、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

19、部改善贮存和供给有效水分和养分）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）有效养分的来源和贮存能力（腐殖质）有效养分的来源和贮存能力疏伐等措施改善林地小气候：分解、合成、保肥能疏伐等措施改善林地小气候：分解、合成、保肥能力提高力提高（砂质土林地）（砂质土林地）定植穴掺入壤土、小麦秸措施，（定植穴掺入壤土、小麦秸措施，（5a5a）土壤水分容量提高：土壤水分容量提高：47.9%、35.7%每穴（每穴（2*1*0.6m）增水量：增水量：45.5kg、32.7kg有机质、速效氮磷钾平均提高：有机质、速效氮磷钾平均提高：145.0%、114.4

20、%、82.5%、17.5%石膏石膏改善碱土性质（改善碱土性质（pHpH、结构、保肥供肥能力）结构、保肥供肥能力）盐渍土改良：盐渍土改良：肥料施用：肥料施用：CEC 数值大小、质地类型数值大小、质地类型精品课件精品课件！精品课件精品课件！复习思考复习思考一、名词解释一、名词解释土土壤壤胶胶体体、永永久久电电荷荷、可可变变电电荷荷、离离子子吸吸附附、阳阳离离子子交换作用、交换作用、CEC、盐基饱和度、同晶替代、盐基饱和度、同晶替代二、思考二、思考1、土壤胶体土壤胶体有哪些类型有哪些类型？2、简述阳离子交换作用的特点及其实践意义？、简述阳离子交换作用的特点及其实践意义？3、影响土壤阳离子交换量的因素有哪些？影响土壤阳离子交换量的因素有哪些？4、为什么在一般土壤中硝酸根容易被淋失？为什么在一般土壤中硝酸根容易被淋失？