第四章土壤膠體

第四章土壤膠體第1頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四土壤膠體的構(gòu)造和性質(zhì)土壤膠體的類型土壤陽離子交換作用土壤陰離子交換作用內(nèi)容提要第2頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四膠體的概念膠體是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，是一種分散體系。一種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中所形成的體系，稱為分散體系或分散系。

根據(jù)分散體系中被分散的物質(zhì)（分散相）的大小，可把分散系分為：粗分散系、膠體分散系和分子、離子分散系。何為分散體系？第3頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

一般把分散相顆粒直徑（非球顆粒則指長、寬、高三向中一個方向的長度）在1-100納米范圍內(nèi)的分散系稱膠體分散系。其顆粒大小介于粗分散系和分子、離子分散系之間。膠體分散系第4頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)土壤膠體的構(gòu)造與性質(zhì)一、土壤膠體的概念

土壤中的固相、液相和氣相呈互相分散的膠體狀態(tài)，是一個分散系。即土壤學(xué)中所指的土壤膠體是指直徑小于2μm或者小于1μm土壤顆粒。第5頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四膠體微粒膠核雙電層決定電位離子層（內(nèi)）補償離子層（外）非活性離子層擴(kuò)散層

二、土壤膠體的構(gòu)造1．微粒核（膠核）微粒核是土壤膠體微粒的核心部分，它是由組成膠體微粒的基本物質(zhì)的分子群所組成。第6頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四2．?dāng)U散雙電層

（1）決定電位離子層是吸附在膠粒核表面，決定膠粒電荷正負(fù)及大小的一層離子。（2）補償離子層分為兩個層次。一、非活性補償離子層。二、擴(kuò)散層。第7頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四膠體微粒的擴(kuò)散雙電層構(gòu)造圖式第8頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四3、膠團(tuán)間溶液

即土壤膠體分散系中的分散介質(zhì)，也即是土壤溶液。土粒土壤溶液第9頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

1、巨大的比表面積和表面能比表面積：單位質(zhì)量或物體的總表面積稱為比表面積或比面，物體愈小比面愈大。三、土壤膠體的性質(zhì)

土粒直徑(mm)總表面積(cm2)比面(cm2/cm3)103.146131.42600.05628.3212000.0013141660000

第10頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四表面能：由于表面分子的四周不都是相同的分子，受到的力不均衡，使表面分子對外表現(xiàn)有剩余能量，這種能量是由于表面的存在而產(chǎn)生，所以叫做表面能。---內(nèi)表面：指膨脹性粘土礦物的晶層表面和腐植質(zhì)分子聚集體內(nèi)部的表面。---外表面：指粘土礦物、氧化物和腐植質(zhì)分子暴露在外的表面。第11頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四土壤有機質(zhì)的比表面大，表觀比表面可達(dá)700m2/g。膠體成分內(nèi)表面積外表面積總表面積蒙脫石700—75015—150700—850蛭石400—7501—50400—800水云母0—590—15090—150高嶺石05—405—40埃洛石010—4510—45水化埃洛石40025—30430水鋁英石130—400130—400260—800土壤中常見礦物的比表面積（m2/g）第12頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

2.土壤膠體的帶電性

由于膠體表面的分子解離或吸附溶液中的離子,使膠粒帶電.土壤中所有膠粒都是帶電的（膠體的基本條件），這是土壤產(chǎn)生離子吸附和交換、離子擴(kuò)散、酸堿平衡、氧化還原反應(yīng)以及膠體的分散與絮凝等現(xiàn)象的根本原因，而這些反應(yīng)都直接或間接關(guān)系到土壤的水、肥、氣、熱性質(zhì)。因此，土壤膠體的帶電性對土壤肥力性質(zhì)有重要影響。

第13頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四(1)同晶異質(zhì)代換作用

層狀鋁硅酸鹽粘土礦物在形成時，中心離子可以被其它相近或稍大的同性離子代換而產(chǎn)生電荷，但礦物的結(jié)晶構(gòu)造型式不變。如Al3+代Si4+或Fe2+代Al3+等,這樣晶體中就產(chǎn)生了剩余負(fù)電荷,這種電荷一旦產(chǎn)生,就不能改變,故稱永久電荷。土壤膠體電荷的來源指組成礦物的中心離子被電性相同、大小相近的離子替代而晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。第14頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四四面體中的硅可被鋁代換

Si4+Al3+八面體中的鋁可被鐵、鎂代換

Al3+Fe2+或Mg2+第15頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四(2)晶格破碎邊緣的斷鍵

在礦物風(fēng)化破碎的過程中，晶體晶格邊緣的離子有一部分電荷未得到中和，而產(chǎn)生剩余價鍵，使晶層帶電。例如晶格在硅層或鋁層截面上斷裂，Si—O—Si，Al—O—Al在斷裂后，斷面上留下Si—O-、Al—O-，從而帶負(fù)電。第16頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四(3)膠體表面分子的解離

膠核表面的分子或原子團(tuán)的解離,這種電荷的數(shù)量和性質(zhì)隨介質(zhì)的pH而改變,故稱可變電荷。黏土礦物晶面上-OH的解離含水鐵、鋁氧化物的解離（Al2O3·3H2O)腐殖質(zhì)上某些官能團(tuán)的解離（如-COOH）含水氧化硅的解離來源第17頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)晶的粘土礦物大部分表面都裸露著—OH原子團(tuán)，在一定條件下：當(dāng)H+解離后，則使膠核帶負(fù)電，如H2SiO3和層狀硅鋁酸鹽粘土礦物中解離H+后使膠核帶負(fù)電。當(dāng)OH-發(fā)生解離時，則膠核帶正電，如Fe(OH)3或Al(OH)3中的OH-解離后則帶正電。這種作用與普通酸堿解離相似，受溶液的pH影響，因此稱為可變電荷。a.黏土礦物晶面上-OH的解離第18頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四Al(OH)3+NaOHAl(OH)2O-+Na++H2O膠核中的分子帶負(fù)電荷的膠體核粒Al(OH)3+HClAl(OH)2++Cl-+H2O膠核中的分子帶正電荷的膠體核粒如Al（OH）3在堿性環(huán)境中的解離：如Al（OH）3在酸性環(huán)境中的解離：Fe(OH)3或Al(OH)3解離H+而成為帶負(fù)電的膠體，還是解離OH-而成為帶正電的膠體主要取決于溶液的pH值。第19頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

層狀硅酸鹽晶層上的-OH基可以解離出H+，帶負(fù)電:結(jié)晶體-OH-OH-OH結(jié)晶體-OH-OH-OH+3H+第20頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)土壤膠體解離陽離子和陰離子數(shù)量相等，即膠體的正負(fù)電荷相等時，此時膠體懸液的pH值稱為等電點(isoelectricpoint)。在土壤pH5-8的條件下，大多數(shù)土壤膠體的等電點低于這個范圍，因此，對于土壤膠體來講，pH5-8相當(dāng)于在堿性環(huán)境下，此時，腐殖質(zhì)和鋁硅酸鹽等膠體都帶負(fù)電，表現(xiàn)為對陽離子的吸附，只有Fe(OH)3和Al(OH)3帶正電，吸附陰離子。故土壤膠體在通常情況下以帶負(fù)電為主。土壤膠體為什么一般帶負(fù)電?第21頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

如三水鋁石的pH0值為4.8。

當(dāng)土壤pH低于pH0值時:（相當(dāng)于酸性環(huán)境）

Al2O3·3H2O2Al(OH)2++2OH-

當(dāng)土壤pH高于pH0值時:（相當(dāng)于堿性環(huán)境）

Al2O3·3H2O2Al(OH)2O-+2OH-b.含水氧化鐵、氧化鋁的解離第22頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

高pH條件下：

-COOHH++COO--OHH++-O-

低pH條件下：

-NH2-NH3+

c.腐殖質(zhì)上某些原子團(tuán)的解離第23頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四d.含水氧化硅的解離SiO2·H2O（或H2SiO3）的pH0值為2，在土壤中一般不產(chǎn)生正電荷，所帶負(fù)電荷的量隨土壤pH值的升高而增加。H2SiO3HSiO3-+H+

（帶正電）SiO3-+H+第24頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四3.土壤膠體的分散性和凝聚性

膠體的兩種狀態(tài)溶膠凝膠膠體微粒均勻分散在水中，呈高度分散狀態(tài)膠體微粒彼此聯(lián)結(jié)凝聚在一起而呈絮狀凝聚作用分散作用膠體的凝聚或分散決定于動電電位的高低：越高，排斥力愈強，溶膠狀態(tài)。越低，當(dāng)吸引力大于排斥力時，凝膠狀態(tài)。土壤膠體由于大多帶有負(fù)電荷，相互具有負(fù)電位，而互相排斥，不易凝聚。

第25頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

電解質(zhì)的濃度愈大，愈能有效地中和異電膠體的電性，愈能減小擴(kuò)散層厚度，使膠粒凝聚。電解質(zhì)中異電離子的價數(shù)愈高，聚沉能力愈大，三價離子大于二價離子，二價離子大于一價離子；同價離子中，凝聚力大小與本身半徑和水化半徑有關(guān)，凡離子本身半徑大或水化后半徑小的離子凝聚力大，相反則小。

電解質(zhì)陽離子的凝聚力大小順序為：

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+電解質(zhì)對膠體的凝聚作用受以下因素的影響：第26頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四凝聚作用強，利于膠體互相凝聚形成結(jié)構(gòu)（團(tuán)粒結(jié)構(gòu)）。農(nóng)業(yè)上促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成措施的理論解釋：土壤干燥、凍結(jié)過程中，水膜消失，也就加大了電解質(zhì)濃度，減小擴(kuò)散層厚度，使膠?；ハ嗄鄱纬山Y(jié)構(gòu)。生產(chǎn)上曬垡、凍垡等措施也就起了這個作用，所以曬、凍垡有利于土壤形成結(jié)構(gòu)；相反，土壤水分過多，土壤溶液電解質(zhì)濃度相應(yīng)減小，擴(kuò)散層加厚，膠?；ハ嗯懦舛扇苣z狀。常年泡水的漚水田、爛泥田，土粒分散，缺少結(jié)構(gòu)，通氣性差，栽秧后易產(chǎn)生浮秧，就是因為膠粒分散，土壤不沉實。這種情況下，施用石灰（CaO）、石膏（CaSO4），增加Ca2+濃度，對沉實土壤，改良土性，有明顯效果。在生產(chǎn)上的意義第27頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

由于膠體的巨大表面能，使其對周圍分子或離子有很強的吸附力，同樣膠體的電性使其擴(kuò)散層的離子與土壤溶液中的離子有交換能力。

4.土壤膠體的吸附性和交換能力第28頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四5、土壤的電荷數(shù)量

1、土壤電荷主要集中在膠體部分。

2、膠體組成成分是決定其電荷數(shù)量的物質(zhì)基礎(chǔ)。3、有機膠體和無機膠體的電荷具有非加和性。

第29頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)土壤膠體的類型第30頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四一、無機膠體土壤膠體的類型含水氧化鐵含水氧化鋁含水氧化硅次生鋁硅酸鹽類（即粘土礦物）主要包括：第31頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四SiO2.H2O→H2SiO3帶負(fù)電H2SiO3→

H++HSiO3-→H++SiO32-1.含水氧化硅膠體：（游離態(tài)無定型）注：土壤反應(yīng)越偏堿性，硅酸的解離度也越大，所帶的負(fù)電荷也越多。土壤膠體的類型第32頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

此類膠體包括褐鐵礦（2Fe2O3?3H2O）、水赤鐵礦（3Fe2O3?H2O）、針鐵礦（Fe2O3?H2O）、水鋁礦（Al2O3?H2O）、三水鋁礦（Al2O3?3H2O）等晶質(zhì)礦物和氫氧化鐵[Fe(OH)3]、氫氧化鋁[Al(OH)3]等非晶質(zhì)礦物。這些礦物都是鋁硅酸鹽深度風(fēng)化的產(chǎn)物，均為兩性膠體。2.含水氧化鐵、鋁：（兩性膠體）土壤膠體的類型第33頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四Al(OH)3+H+→Al(OH)2++H2O（pH<5）+

OH-

↓Al(OH)2O-+H2O（pH>5）純凈的氫氧化鐵的等電點為pH7.1，氫氧化鋁等電點為pH8.1，所以它們在大多數(shù)酸性或中性土壤中都帶正電荷。土壤膠體的類型第34頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四其成分為水化的硅、鋁二三氧化物，簡化的分子式為：xSiO2?yAl2O3?nH2O。水鋁英石的硅氧四面體中由Al3+置換Si4+可產(chǎn)生凈負(fù)電荷，同時表面有Al—OH、Si—OH。當(dāng)溶液堿性增加、pH增大時產(chǎn)生以下解離而帶負(fù)電：=Al-OHpH加大=Al-O-+H+

≡Si-OH≡Si-O-+H+因此，水鋁英石表面可吸附很多陽離子，其表面積很大，陽離子交換量可達(dá)154~210cmol(+)·kg-1。3.水鋁英石（非晶質(zhì)無定形的膠態(tài)）土壤膠體的類型第35頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四4.黏土礦物（次生層狀鋁硅酸鹽類）

大多是結(jié)晶層狀構(gòu)造，由硅氧片（由硅四面體連接而成）和水鋁片（由鋁八面體連接而成）迭合而成。水鋁片層面上氧離子的電價不飽和，可與氫離子結(jié)合成OH群，形成水鋁礦，或與硅氧片結(jié)合，共用氧離子，形成鋁硅酸鹽粘土礦物。根據(jù)其迭合情況的不同，可將粘土礦物分為不同類型。土壤膠體的類型第36頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四①硅氧片、硅氧四面體

硅四面體可以共用氧原子而形成一層，氧原子排列成為中空的六角形，稱硅氧片或硅氧層。土壤膠體的類型第37頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四②鋁氧八面體

由六個氧原子（或氫離子）環(huán)繞著一個中心鋁離子排列而成，氧原子排列成兩層，鋁原子居于兩層中心孔穴內(nèi)，稱水鋁片。土壤膠體的類型第38頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

由一個硅氧片和一個水鋁片，通過共用硅氧頂端的氧原子連接起來的片狀晶格構(gòu)造。

(１)高嶺石（１：１型鋁硅酸鹽礦物）每個晶層的一面是OH離子組（水鋁片上的），另一面是O離子（硅氧片上的），因而疊加時晶層間可形成氫鍵，使各晶層之間緊密相連從而形成大顆粒，晶粒多呈六角形片狀。其分子結(jié)構(gòu)外形特征為ＯＨＯＨＯＨ.......ＯＨ頂層─────────────底層─────────────ＯＯＯ........Ｏ許多晶片相互重疊形成高嶺礦物

土壤膠體的類型第39頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

特點：晶層與晶層間距離穩(wěn)定，連接緊密，內(nèi)部空隙小，電荷量少，單位個體小，分散度低。多出現(xiàn)于酸性土壤。如高嶺石類。硅氧片鋁氧片土壤膠體的類型第40頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四晶格內(nèi)的水鋁片和硅氧片很少發(fā)生同晶替代，因此無永久性電荷。但水鋁片上的--ＯＨ在一定條件下解離出氫離子，使高嶺石帶負(fù)電。高嶺石的性質(zhì)特點：晶片與晶片之間形成氫鍵而結(jié)合牢固，水分子及其他離子難以進(jìn)入層間，并且形成較大的顆粒。因此其吸濕性、粘結(jié)性和可塑性較弱，富含高嶺石的土壤保肥性差。土壤膠體的類型第41頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

由兩片硅氧片和一片水鋁片結(jié)合成的一個晶片（層）單元，再相互疊加而成的。

（2）蒙脫石類（２：１型鋁硅酸鹽礦物）每個晶層的兩面均由O離子組（硅氧片上的），因而疊加時晶層間不能形成氫鍵，而是通過“氧橋”聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)力弱，晶層易碎裂，其晶粒比高嶺石小。土壤膠體的類型第42頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

脹縮性大，吸濕性強，易在兩邊硅氧片中以Al3+代Si4+，有時可在硅鋁片中，一般以Mg2+代Al3+→帶負(fù)電→吸附負(fù)離子。如蒙脫石，這類礦物多出現(xiàn)于北方土壤。如東北、華北的栗鈣土、黑鈣土和褐土等。硅氧片鋁氧片硅氧片特點：土壤膠體的類型第43頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四蛭石的膨脹性比蒙脫石要小得多，其晶層間距1.45nm，屬有限膨脹型。它具有一定的內(nèi)表面，但較蒙脫石小，晶體顆粒介于蒙脫石和高嶺石之間。蛭石在黃棕壤和黃壤中含量較高。蛭石也是2﹕1型膨脹型粘土礦物，其晶層結(jié)構(gòu)與蒙脫石基本相同，也是兩層硅氧片中夾一層水鋁片。與蒙脫石不同的是，硅氧片中的硅大部分被鋁所取代，水鋁片中的鋁也有不少被鎂取代，因而具有比蒙脫石高得多的凈負(fù)電荷，具有很高的吸附陽離子能力，陽離子交換量達(dá)150cmol(+)·kg-1。土壤膠體的類型第44頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

2:1型礦物(蒙脫石、綠泥石、蛭石等)土壤膠體的類型第45頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

（３）水云母類（２：１型粘土礦物）結(jié)構(gòu)與蒙脫石相類似，只是同晶替代產(chǎn)生的負(fù)電荷主要被鉀離子中和,而少量被鈣鎂離子中和。

特點：a、永久性電荷數(shù)量少于蒙脫石。b、層與層之間由鉀離子中和，使得各層相互緊密結(jié)合。形成的顆粒相對比蒙脫石粗而比高嶺石細(xì)。其粘結(jié)性、可塑、脹縮性居中。c、鉀離子被固定在硅氧片的六角形網(wǎng)孔中，當(dāng)晶層破裂時，可將被固定的鉀重新釋放出來，供植物利用。分布廣泛，特別在西北干旱地區(qū)和高寒地區(qū)，以及風(fēng)化度淺的土壤。土壤膠體的類型第46頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四三種主要粘土礦物的性質(zhì)比較粘土礦物結(jié)晶類型分子層排列情況晶格距離(nm)晶層間聯(lián)結(jié)力顆粒大小比面(m2?g-1)CEC（cmol(+)·kg-1）粘結(jié)性可塑性脹縮性高嶺石1:1-OH層與O層相接0.72強大5～205～15弱弱水云母2:1-O層相接中間有K1.00較強中100～12020～40中等中等蒙脫石2:1-O層相接0.96～2.14弱小700～80080～100強強土壤膠體的類型第47頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四高嶺石逐漸代替水云母，鐵鋁氧化物也迅速增多。我國土壤粘土礦物的分布溫帶干旱的漠境和半漠境地帶：風(fēng)化程度低，化學(xué)風(fēng)化程度弱，以形成水化度低的水云母為主，蒙脫石不多。半干旱草原地區(qū)：蒙脫石迅速增加，結(jié)晶良好，以蒙脫石和水云母為主。暖溫帶濕潤地區(qū)：蛭石顯著增加，以水云母—蛭石為主，說明環(huán)境有利于進(jìn)一步脫鉀。中亞熱帶以南地區(qū)：土壤膠體的類型第48頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四二、有機膠體特點：

高分子有機化合物，高度親水性。帶負(fù)電，并且電荷數(shù)量多于黏土礦物，因此陽離子交換量大。保肥性強，但不穩(wěn)定（因受微生物作用而分解）主要是腐殖質(zhì)。少量的木素、蛋白質(zhì)、纖維素等。腐殖質(zhì)的電荷是由腐殖質(zhì)含的羧基（-COOH）、羥基（-OH）、酚羥基解離出H+、-COO-、-O-等離子留在膠粒上而使膠粒帶負(fù)電。

一般每千克腐殖質(zhì)的代換量在200cmol(+)·kg-1左右，高者可達(dá)500～1000cmol(+)·kg-1

土壤膠體的類型第49頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四三、有機無機復(fù)合膠體通過Ca2+而結(jié)合。有機膠體與鐵鋁膠體的結(jié)合。有機膠體與無機膠體的直接結(jié)合。有機膠體以薄膜狀緊密蓋覆于粘土礦物表面通過陽離子與-COOH、-OH等官能團(tuán)形成復(fù)合體。結(jié)合方式土壤膠體的類型第50頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四在生產(chǎn)上的意義我國勞動人民在長期生產(chǎn)實踐中，充分體會到有機無機復(fù)合體的重要，創(chuàng)造了施用有機肥加速土壤有機無機復(fù)合體形成的措施，群眾稱之為土肥相融。土壤有機無機復(fù)合膠體的形成，有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤理化性質(zhì)。如復(fù)合體中的胡敏酸，比單獨存在時分解顯著減慢，并可使土壤中有效磷增加，增強土壤的緩沖性能等。土壤膠體的類型第51頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)土壤陽離子交換作用第52頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四一、土壤陽離子交換吸附作用的概念土壤膠體表面所吸附的陽離子，與土壤溶液中的陽離子或不同膠粒上的陽離子相互交換的作用，稱為陽離子交換吸附作用。土壤膠粒Ca2+

+2KCl=土壤膠粒K+K++CaCl2陽離子交換作用對土壤中養(yǎng)分的保持和供應(yīng)起著重要作用。當(dāng)土壤溶液中陽離子吸附在膠體上時，表示陽離子養(yǎng)分的暫時保蓄，即保肥過程；當(dāng)膠體上的陽離子解離至土壤溶液中時，表示養(yǎng)分的釋放，即供肥過程。陽離子交換第53頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四離子從溶液轉(zhuǎn)移到膠體表面的過程，稱為離子的吸附過程。

吸附的離子從膠體表面轉(zhuǎn)移到溶液去的過程，稱為離子的解吸過程。第54頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四陽離子交換作用***

在土壤中，被膠體靜電吸附的陽離子，一般都可以被溶液中另一種陽離子交換而從膠體表面解吸。對這種能相互交換的陽離子叫做交換性陽離子，而把發(fā)生在土壤膠體表面的陽離子交換反應(yīng)稱之為陽離子交換作用***。

第55頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四二、土壤陽離子交換吸附作用的特點1.可逆反應(yīng)在濕潤地區(qū)的一般酸性土壤中，吸附的陽離子有Al3+、H+、Ca2+、Mg2+、K+等；在干旱地區(qū)的中性或堿性土壤中，主要的吸附性陽離子是Ca2+，其次有Mg2+、K+、Na+等。因此，在自然狀況下，很難把土壤膠體上某一陽離子完全徹底地代換到溶液中去。同時，土壤膠體上吸附的陽離子也必然是多種多樣的，不可能為單一種離子所組成。陽離子交換第56頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四2.等量交換并服從質(zhì)量作用定律以等量電荷關(guān)系進(jìn)行。如一個Ca2+可交換兩個Na+；一個二價的鈣離子可以交換兩個一價的氫離子。質(zhì)量作用定律：陽離子交換第57頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四3.速度受交換點位置和溫度的影響位置：如果溶液中的離子能直接與膠粒表面代換性離子接觸，交換速度就快；如離子要擴(kuò)散到膠粒內(nèi)層才進(jìn)行交換，則交換時間就較長，有的需要幾晝夜才能達(dá)成平衡。高嶺石類礦物交換作用主要發(fā)生在膠粒表面邊緣上，所以速率很快；蒙脫石類礦物的離子交換大部分發(fā)生在膠粒晶層之間，其速率取決于層間間距或膨脹程度；水云母類的交換作用發(fā)生在狹窄的晶層間，所以交換速率較慢。溫度：高溫可加快離子交換反應(yīng)的速率，因為溫度升高，離子的熱運動變得更為劇烈，致使單位時間內(nèi)碰撞固相表面的次數(shù)增多。陽離子交換第58頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四三、影響陽離子交換作用的因素1．陽離子交換能力一種陽離子將他種陽離子從膠粒上交換下來的能力叫做該種陽離子的交換能力。（1）離子電荷價三價＞二價＞一價（2）離子半徑及水化程度第59頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四土壤中常見的離子交換能力排列順序是：

Fe3＋＞Al3＋＞H＋＞Ca2＋＞Mg2＋＞K＋＞NH4＋＞Na＋凡運動速度快的其交換能力也大。H＋半徑小，但水化很弱，水膜薄，運動速度快，因此它在交換能力上具有特殊位置。第60頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四1－－1.0081H＋

21.0000.10640.082Ca2＋

31.3300.07824.232Mg2＋

40.5370.13339.101K＋

50.5320.14318.011NH4＋

60.7900.09323.001Na＋

水化未水化交換力順序離子半徑（A）原子量價數(shù)離子表4－2離子半徑及水化程度與交換力的關(guān)系第61頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

2．陽離子的相對濃度及交換生成物的性質(zhì)

K＋Ca2＋＋K2SO4K＋＋CaSO4有利于向生成物方向進(jìn)行的條件

▲生成物不斷被移走（生物吸收、淋溶）

▲形成沉淀（礦物固定）不溶物或難溶物

▲形成氣體土壤膠粒土壤膠粒第62頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四3.膠體性質(zhì)交換量大的膠體（如蒙脫石）結(jié)合兩價離子的能力強，結(jié)合一價離子的能力稍弱；交換量小的膠體（如高嶺石）則結(jié)合一價離子能力強，與兩價離子的結(jié)合能力較弱，即一價離子可將兩價離子交換下來。又如：水云母具有六角形網(wǎng)孔（晶孔），容易吸附與其孔徑大小相當(dāng)?shù)腒+和NH4+，這些離子一旦進(jìn)入六角形孔穴，即可發(fā)生配位作用，很難出來，只有當(dāng)晶層破裂時，被固定的K+、NH4+方可重新釋放出來。陽離子交換第63頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四四、土壤陽離子交換量（一）定義：在一定土壤pH值條件下，土壤能吸附的交換性陽離子的總量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)（CationExchangeCapacity，CEC）。單位：cmol（+）·kg-1。注：因為陽離子交換量隨土壤pH值變化而變化（因可變電荷變化），一般未特別注明時，是以pH為7的條件下測定土壤的交換量。陽離子交換量的大小與土壤可能吸附的速效養(yǎng)分（即陽離子）的容量有關(guān)，是土壤保肥力的重要指標(biāo)。陽離子交換第64頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四（二）影響CEC的因素

1.膠體數(shù)量（土壤質(zhì)地）土壤膠體物質(zhì)越多（包括礦質(zhì)膠體、有機膠體和復(fù)合膠體），則CEC越大。就礦質(zhì)膠體而言，CEC隨著質(zhì)地粘重程度增加而增加，所以粘質(zhì)土CEC較砂質(zhì)土要大的多。質(zhì)地陽離子交換量（cmol(+)kg-1)砂土1-5砂壤土7-8壤土7-18粘土25-30陽離子交換第65頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四2.膠體類型不同土壤膠體陽離子交換量相差很大膠休種類腐殖質(zhì)蛭石蒙脫石水云母高嶺石含水氧化鐵、鋁CEC（cmol(+)·kg-1)150-500100-15060-10020-403-15微量比表面（m2·g-1)800-1000700800100-2005-20-有機>無機，2:1>1:1，粘土礦物>含水的氧化物

粘土礦物主要通過兩個方面影響CＥＣ：a、粘土礦物的比表面積:蛭石、蒙脫石>水鋁英石、水云母>高嶺石b、粘土礦物所帶的電荷數(shù)量

陽離子交換第66頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四3.土壤pH值：

土壤酸堿度影響膠體表面官能團(tuán)中H+的解離，因而影響可變電荷的多少。pH4.5pH6.4pH8.1沼澤土胡敏酸170.0286.3400.0灰化土胡敏酸234.0410.0508.7黑鈣土胡敏酸292.2432.9590.5pH2.5-6pH7高嶺石410蒙脫石95100陽離子交換第67頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四4.土壤有機質(zhì)含量：有機質(zhì)中的腐殖質(zhì)含有大量-COOH、-OH等官能團(tuán)，當(dāng)它們解離出H+時，可使膠體帶有大量負(fù)電荷，而且腐殖質(zhì)分散度大，具有很大的吸收表面。所以腐殖質(zhì)的CEC遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無機膠體。施用有機肥料，增加土壤腐殖質(zhì)，可以提高CEC，增強土壤保肥性。陽離子交換第68頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四附：主要粘土礦物的ＣＥＣ（pＨ=7）

（cmol（+）·kg-1─────────────────水鋁英石50-100針鐵礦、三水鋁石0.5-1.0(pH,8.0)水合氧化硅4.6(pH,8.0)高嶺石4.6伊利石15-40蒙脫石60-120膨潤土59-120蛭石120-200───────────────────陽離子交換第69頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

土壤交換量的大小，基本上代表了土壤的保持養(yǎng)分?jǐn)?shù)量，也就是平常所說的保肥力高低；交換量大，也就是保存養(yǎng)分的能力大，反之則弱。所以，土壤交換量可以作為評價土壤保肥力的指標(biāo)。一般地：小于10cmol/kg，保肥力弱；10~20cmol/kg，中等；大于20cmol/kg，強。CEC與土壤肥力的關(guān)系陽離子交換第70頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四陽離子交換量和施肥有密切關(guān)系：在施肥時不僅要了解作物的需要，同時還要考慮土壤交換量的大小。在生產(chǎn)上的意義例如在砂土上施用化肥，由于土壤交換量小，土壤保肥力差，應(yīng)該分多次施肥，每次施量不宜多，以免養(yǎng)分淋失。對于交換量小、保肥力差的土壤，可通過施用河塘泥、廄肥、泥炭或摻粘土，以增加土壤中的無機、有機膠體，以及通過施用石灰調(diào)節(jié)土壤反應(yīng)等來提高土壤的陽離子交換量。舉例？？？陽離子交換第71頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四長江中下游發(fā)育在沖積母質(zhì)上的土壤，粘土礦物以蒙脫石、水云母為主，交換量大約為20~30cmol(+)·kg-1。我國南北方土壤的CEC比較含蒙脫石、水云母較多，土壤反應(yīng)又多為中性或微堿性，因此，陽離子交換量一般較高。例如東北的黑土、內(nèi)蒙的栗鈣土的交換量在30~50cmol(+)·kg-1。北方華南、西南為紅、黃壤地帶，無機膠體以高嶺石和含水氧化鐵、氧化鋁為主，土壤酸性大，pH值低，陽離子交換量小，一般每千克土只有十幾個厘摩爾，廣東的磚紅壤的交換量只有5.2cmol(+)·kg-1。長江中下游地區(qū)陽離子交換第72頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

我國土壤陽離子交換量，由南向北，由西向東有逐漸增多的趨勢。陽離子可分為兩大類：陽離子的代換量是這兩類離子被吸收的總量。陽離子鹽基離子（Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、NH4＋等）致酸離子H＋與Al3＋

第73頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四五、土壤鹽基飽和度膠體上吸附的陽離子分為兩類：一類是致酸離子（如H+和Al3+）。另一類是鹽基離子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等），鹽基離子為植物所需的速效養(yǎng)分。1.定義指土壤膠體上交換性鹽基離子占交換性陽離子總量的百分率。以算式表示為：陽離子交換第74頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四鹽基飽和土壤：土壤膠體吸附的陽離子如絕大多數(shù)（80%以上）為鹽基離子。鹽基不飽和土壤：鹽基飽和度在80%以下，H+、Al3+等離子含量較多。土壤鹽基飽和度越大，養(yǎng)分有效性越高，因此鹽基飽和度是土壤肥力的指標(biāo)之一。真正反映土壤有效速效養(yǎng)分含量的大小。若陽離子交換量大，而鹽基飽和度偏小，需要采取措施對土壤加以改良，如施肥或用石灰中和。陽離子交換第75頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四

我國南方巖石礦物風(fēng)化作用強、鹽基淋失強，一般為鹽基不飽和的土壤（酸性土壤），北方則相反，土壤的鹽基飽和度都在80%以上（中性或堿性土壤）。2.影響鹽基飽和度的因素a.氣候陽離子交換第76頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四一般闊葉樹種吸收鹽基比針葉樹多，通過枯落物歸還給土壤的鹽基也多，另外，針葉在分解過程中產(chǎn)生相對較多的有機酸，增強了鹽基的淋溶作用，使針葉林下耕層土壤鹽基飽和度更低于闊葉林土壤。b.地上植被類型陽離子交換第77頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四c.母巖（或母質(zhì)）原母質(zhì)所含鹽基的多少對土壤鹽基飽和度有較大影響，在相同或類似的生物氣候條件下，玄武巖發(fā)育的土壤鹽基飽和度高于花崗巖。為什么？陽離子交換第78頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四六、影響交換性陽離子有效性的因素1.交換性陽離子的飽和度飽和度大，該離子的有效性大。飽和度:膠體上被吸附的某種陽離子的量占土壤陽離子交換量的百分?jǐn)?shù)。土壤CEC/(cmol·kg-1）交換性Ca量/(cmol·kg-1)交換性Ca的飽和度%Ca的有效度甲10440.0大乙40512.5小農(nóng)諺：“施肥一大片，不如一條線?！钡暮x？陽離子交換第79頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四2.陪補離子的種類

對于某一特定的離子來說，其它與其共存的離子都是陪補離子。（如膠體吸附了H+、Ca2+、Mg2+、K+等離子，對H+來說，Ca2+、Mg2+、K+是它陪補離子）與膠體結(jié)合強度大的離子，本身有效性低，但對其它陪補離子的有效性有利。反之亦然。思考：K+的陪補離子分別為Ca2+、Na+時，有效性高低比較？陽離子交換第80頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四土壤處理交換性離子組成盆中幼苗干重(g)盆中幼苗吸鈣量(mg)甲40%Ca+60%H2.811.15乙40%Ca+60%Mg2.797.83丙40%Ca+60%Na2.344.36不同陪補離子對交換性鈣有效性的影響各種離子相互抑制的能力如下：Na+>K+>Mg2+>Ca2+>H+和Al3+第81頁，共94頁，2023年，2月20日，星期四3.無機膠體的種類

在飽和度相同的前提下，各種離子在無機膠體上的有效性：

高嶺石〉蒙脫石〉水云母Why?高嶺石：陽離子吸附點主要在破裂邊緣外表面；