第四節(jié)土壤膠體

第四節(jié)土壤膠體演示文稿目前一頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)（優(yōu)選）第四節(jié)土壤膠體目前二頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)一、土壤膠體的概念

1、土壤膠體是一種分散系統(tǒng)

任何膠體系統(tǒng)都是一種分散系統(tǒng)，由分散相和分散介質(zhì)兩種物質(zhì)所組成。一種物質(zhì)的分子呈連續(xù)分布狀態(tài)，稱為分散介質(zhì)；另一種物質(zhì)的分子是不連續(xù)的，稱為分散相，分散相均勻地分散在分散介質(zhì)中，構(gòu)成膠體分散系統(tǒng)。

2、土壤膠體的大小范圍

一般膠體上限是0.1μm,下限為1nm(<1nm屬于溶液范圍)土壤膠體比一般膠體大10倍，<1μm

。（即為0.001mm或1um --10nm之間）

目前三頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)二、土壤膠體的種類

分為無機(jī)膠體(礦質(zhì)膠體)、有機(jī)膠體和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體

1．有機(jī)膠體

土壤中的有機(jī)物質(zhì),尤其是腐殖質(zhì)，是土壤中含有的一類分子量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子化合物，具有明顯的膠體性質(zhì)，故稱之為土壤有機(jī)膠體。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)膠體的主體。

土壤有機(jī)膠體性質(zhì)卻極為活躍，帶有大量的活性功能團(tuán)，帶有大量的負(fù)電荷，陽離子代換量可高達(dá)300～500cmol(M+).kg-1。

2．無機(jī)膠體

主要是層狀鋁硅酸鹽礦物和無定形氧化物組成。比有機(jī)膠體高幾倍到幾十倍。通常用土壤中粘粒(d<0.001mm)的含量來反映土壤無機(jī)膠體的數(shù)量。目前四頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)三、土壤膠體的基本構(gòu)造

土壤膠體分散系包括膠體微粒(分散相)和微粒間溶液(分散介質(zhì))兩部分。描述膠體微粒的構(gòu)造，通常用雙電層理論。根據(jù)雙電層理論，膠體微粒在構(gòu)造上，可分為微粒核和雙電層兩部分。（一）微粒核（二）雙電層結(jié)構(gòu)

決定電位離子層補(bǔ)償離子層和補(bǔ)償離子非活性補(bǔ)償離子層擴(kuò)散層膠粒（基本單元）膠體微粒構(gòu)造圖目前五頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)主要由腐殖質(zhì)、硅酸鹽礦物、土壤氧化物、蛋白質(zhì)分子以及有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體的分子群組成。

2.雙電層結(jié)構(gòu)

1.微粒核(膠核)

作為膠粒微粒核的物質(zhì)在溶液中通常是帶電荷的,由于靜電引力的作用,在微粒核的外圍形成一個(gè)反號(hào)電荷的離子層，這樣就構(gòu)成了雙電層。微粒核表面的電荷數(shù)量和密度對(duì)外層的反號(hào)離子的多少及兩層電荷間電位具有決定作用，故稱為決定電位離子層。外層電荷(離子)對(duì)決定電位離子層起補(bǔ)償作用,使整個(gè)膠體微粒達(dá)到電中性,故稱之為補(bǔ)償離子層,而這些來源于溶液中的反號(hào)離子就稱為補(bǔ)償離子。

目前六頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)

在溶液中膠核表面的電荷通過靜電引力，將反號(hào)離子吸引在膠核的外圍,而反號(hào)離子由于熱運(yùn)動(dòng),總有遠(yuǎn)離膠核表面的趨勢(shì),同時(shí)反號(hào)離子被吸附的力大小與離子的電荷數(shù)量成正比,與其距離的平方成反比。因此，膠核表面處的反號(hào)離子多而活性低，離膠核表面越遠(yuǎn)，反號(hào)離子越少而活性增大。根據(jù)補(bǔ)償離子的活性又可把補(bǔ)償離子層分為兩層：靠近膠核表面的決定電位離子層的補(bǔ)償離子被吸附得很緊，活性很小，難以解離，不起交換作用，故稱為非活性補(bǔ)償離子層。另一層距膠核表面較遠(yuǎn)，吸附的較松，有較大的活動(dòng)性，可以和周圍的離子交換，稱為擴(kuò)散層。擴(kuò)散層中的離子分布很不均勻。

目前七頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)

非活性補(bǔ)償離子，被吸附得很牢固，它和微粒核決定電位離子層一個(gè)整體，故稱為膠粒。當(dāng)膠體和周圍環(huán)境起代換作用時(shí)，大都發(fā)生在膠粒表面，而不在膠粒內(nèi)部，故膠粒是起膠體作用的基本單位。

在雙電層的兩層電荷之間存在著電位差，電位的高低隨著離膠核表面距離的增加逐漸降低。由決定電位離子層到擴(kuò)散層外緣的電位差,

稱之為全電位(ζo),全電位的大小取決于膠核表面的電性質(zhì)(電荷數(shù)量和密度)。從膠粒(滑動(dòng)面)到溶液的電位差稱電動(dòng)電位(用ζ表示),電動(dòng)電位的大小受擴(kuò)散層厚度的制約，而擴(kuò)散層的厚度在一定濃度條件下，決定于補(bǔ)償離子的性質(zhì)，即受離子價(jià)數(shù)，離子半徑及水化程度等的制約。離子價(jià)數(shù)愈高，其水化半徑愈小，擴(kuò)散層愈薄。離子的水化程度越大，則水化半徑也越大，擴(kuò)散層也越厚。目前八頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)四、土壤膠體的基本性質(zhì)1．膠體的表面積和表面能

在固體物質(zhì)的破碎過程中,其總表面積和比表面是不斷增加的。所謂比表面是指單位質(zhì)量的物質(zhì)的表面積總和，即

比表面＝總面積

/質(zhì)量

目前九頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)

土壤膠體的表面積很大，加之粘粒礦物的層狀結(jié)構(gòu)和腐殖質(zhì)的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)還有很大的內(nèi)表面積，可以吸附大量的養(yǎng)分離子。

各種膠體的比表面積膠體類型比表面積(m2·g-1)蒙脫石600～800伊利石50～200高嶺石1～40蛭

石

600～800水鋁英石70～300腐殖質(zhì)800～900目前十頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)

不同土壤的膠體組成不同，土壤的比表面積也不同。一般土壤中有機(jī)質(zhì)含量高，2∶1型粘粒礦物多，則比表面積較大，如黑土。反之，如果有機(jī)質(zhì)含量低,1∶1型粘粒礦物較多,則其比表面積就較小,如紅壤、磚紅壤。

隨著土壤膠體比表面積的增加，其表面能也發(fā)生很大的變化。表面能是指界面上的物質(zhì)分子(表面分子)所具有的多余的不飽和能量。土壤的物理吸附作用就是表面能作用的結(jié)果。與比表面成正相關(guān)因此，一般土壤質(zhì)地愈粘，其物理吸附作用愈強(qiáng)。隨著表面積和表面能的增加，土壤膠體的性質(zhì)如脹縮性、可塑性、粘性等明顯增強(qiáng)。

土壤的表面積、表面能、物理吸附作用是成正比的

目前十一頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)土壤膠體的電荷永久電荷可變電荷

2、土壤膠體的帶電性目前十二頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)3．土壤膠體的凝聚和分散

膠體有兩種存在狀態(tài)。一種是分散相均勻地分散在介質(zhì)中,稱溶膠;另一種是分散相在外因的作用下,相互凝結(jié)聚合在一起,稱為凝膠。溶膠和凝膠并不是永久不變的，在一定條件下，可以相互轉(zhuǎn)化。由溶膠變成凝膠的過程稱為膠體的凝聚；反之，由凝膠轉(zhuǎn)化為溶膠的過程，稱為膠體的分散。

目前十三頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)兩種存在狀態(tài)：溶膠、凝膠

溶膠(分散相均勻地分散在介質(zhì)中)

凝膠(分散相相互凝結(jié)聚合在一起)膠體的凝聚膠體的分散目前十四頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)土壤膠體存在狀態(tài)主要受兩種力的作用。一是膠粒之間的靜電斥力，它使膠體分散，二是膠粒之間的分子引力，它使膠粒相互吸引呈凝聚的趨勢(shì)。這兩種力的大小都與膠粒之間的距離有關(guān)。在膠粒電荷和膠粒大小一定的情況下，隨著膠粒間距離的減小，引力可能超過斥力，使膠粒相互團(tuán)聚。影響膠粒靜電斥力大小的另一主要因素是膠粒凈電荷的數(shù)量，而靜電荷的數(shù)量則受補(bǔ)償作用的控制。不同陽離子的補(bǔ)償作用不同。

土壤中常見陽離子按其對(duì)膠體凝聚力的大小順序?yàn)椋?/p>

Fe3+

Al3+

（

H+）>Ca2+

Mg2+，H+

NH4+

K+

Na+

離子凝聚力的大小取決于：

其所帶相反電荷的數(shù)量和水化半徑的大小，溶液中的離子濃度

目前十五頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)（1）膠粒間距離（2）膠粒靜電荷的數(shù)量和離子種類（3）溶液中的離子濃度影響膠體凝聚和分散的因素膠粒膠粒------------靜電斥力分子引力陽離子目前十六頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)

土壤中的電解質(zhì)濃度是經(jīng)常變化的，如干濕交替、凍融作用以及各種農(nóng)業(yè)技術(shù)措施包括施肥、灌水、中耕、烤田等，都可使土壤溶液中的電解質(zhì)濃度發(fā)生變化，從而使膠體的狀態(tài)發(fā)生變化，或凝聚或分散。如施用石灰、可顯著增加土壤中Ca2+的濃度,從而促進(jìn)土壤膠體凝聚,形成良好的結(jié)構(gòu)。又如集中施用化肥，顯著提高局部土壤溶液的電解質(zhì)濃度，也可改變局部土壤膠體的狀態(tài)。

總之，土壤膠體的凝聚與分散，直接影響土壤的許多重要性質(zhì)，尤其是土壤的結(jié)構(gòu)、通透性和土壤耕性等。

目前十七頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)五、土壤膠體組成（一）礦質(zhì)膠體1、層狀硅酸鹽粘土礦物硅氧四面體

硅氧四面體的構(gòu)造A、硅氧四面體：（SiO44-→Si2O52-→Si4O104-

）硅氧四面體由一個(gè)硅原子和四個(gè)氧原子組成，硅原子位于中央，氧原子占據(jù)四個(gè)頂點(diǎn)。目前十八頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)鋁氧八面體由一個(gè)鋁原子和六個(gè)氧原子組成，鋁原子位于中央，氧原子占據(jù)八個(gè)頂點(diǎn)。B、鋁氧八面體

(AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44-)

鋁氧八面體

鋁氧八面體的構(gòu)造目前十九頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)C、單位晶片硅氧四面體硅氧層鋁氧八面體水鋁層硅氧片水鋁片目前二十頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)（1）1:1型：一層硅層與一層鋁層重疊而成

1:1型層狀硅酸鹽(高嶺石)晶體結(jié)構(gòu)

目前二十一頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)

（2）2:1型：兩層硅層中間夾一鋁層2:1型層狀硅酸鹽（蒙脫石）晶體結(jié)構(gòu)

目前二十二頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)

（3）2:1:1型：2:1型基礎(chǔ)上增加一鋁層2:1:1型層狀硅酸鹽（水云母）結(jié)構(gòu)目前二十三頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)2、含水鐵、鋁氧化物包括褐鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦、水鋁石、三水鋁石等晶質(zhì)或非晶質(zhì)物質(zhì)。當(dāng)土壤溶液的pH低于這些物質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí)，它們帶正電荷；當(dāng)土壤溶液的pH高于這些物質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí)，它們帶負(fù)電荷；目前二十四頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)（1）氧化鐵（土壤主要礦質(zhì)染色劑）

A、氧化鐵

a、針鐵礦(α-FeOOH)：晶體較大者為黃色，較小者為棕色，存在于濕潤土壤有較高氧化性的亞表層，銹紋銹斑，鐵結(jié)核。

b、赤鐵礦(α-Fe2O3)：紅色，存在于干燥的氧化性表土層及膠膜。目前二十五頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)c、纖鐵礦(γ-FeOOH)：棕橙色，存在于排水不良而富含有機(jī)質(zhì)土壤。d、磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)：暗紅棕色，存在于高度風(fēng)化且有機(jī)質(zhì)少的表土。e、磁鐵礦（Fe3O4）：棕黑色，多存在于母質(zhì)中,有時(shí)與磁赤鐵礦共存。f、無定形鐵（Fe(OH)3）：棕色，膠膜，銹水。

目前二十六頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)3、氧化鋁硅酸鹽礦物徹底分解產(chǎn)物，常見的有三水鋁石[Al2O3·3H2O，Al(OH)3]和粘土礦物濕熱強(qiáng)度風(fēng)化——脫硅富鋁化的指標(biāo)之一，我國北緯30度以南土壤（紅壤、磚紅壤等）中才出現(xiàn)?；◢弾r風(fēng)化土壤中較多。山地土壤中也有三水鋁石存在。無定形鐵鋁氧化物比表面大，包被土粒，改變表面性質(zhì)可吸附固定H2PO4-等陰離子，減低其有效性。目前二十七頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)（二）土壤有機(jī)膠體土壤有機(jī)膠體主要指腐殖質(zhì)，還有少量的木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、纖維素等。腐殖質(zhì)膠體含有多種官能團(tuán)，屬兩性膠體，但因等電點(diǎn)較低，所以在土壤中一般帶負(fù)電，膠體表面的基團(tuán)在pH升高時(shí)帶負(fù)電荷，pH降低時(shí)帶正電荷。它們不如無機(jī)膠體穩(wěn)定，較易被微生物分解。目前二十八頁\總數(shù)三十頁\編于八點(diǎn)（三）有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體由有機(jī)膠體與無機(jī)膠體互相結(jié)合而形成的有機(jī)—無機(jī)復(fù)合體，其中主要是通過二、三價(jià)陽離子或官能團(tuán)與帶負(fù)電荷的粘粒礦物和腐殖質(zhì)的連接作用。在土壤中，有機(jī)膠體和無機(jī)膠很少獨(dú)立存在，大部分是以有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體的形式存在的。有機(jī)膠體主要以薄膜狀緊密覆蓋于粘粒礦物的表面上，還可能進(jìn)入粘粒礦物的晶層之間。土壤有機(jī)質(zhì)含量愈低，有機(jī)—無機(jī)復(fù)合度