《土壤膠體》PPT課件.ppt

1、第四章 土壤膠體和土壤離子交換,土壤膠體的構(gòu)造和性質(zhì) 土壤膠體的類(lèi)型 土壤陽(yáng)離子交換作用 土壤陰離子交換作用,內(nèi)容提要,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(chēng)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？,一般把分散相顆粒直徑（非球顆粒則指長(zhǎng)、寬、高三向中一個(gè)方向的長(zhǎng)度）在1-100納米范圍內(nèi)的分散系稱(chēng)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

2、相呈互相分散的膠體狀態(tài)，是一個(gè)分散系。即土壤學(xué)中所指的土壤膠體是指直徑小于2m或者小于1m土壤顆粒。,膠體微粒,膠核,雙電層,決定電位離子層（內(nèi)）,補(bǔ)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。,2擴(kuò)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(bǔ)償離子層 分為兩個(gè)層次。 一、非活性補(bǔ)償離子層。 二、擴(kuò)散層。,膠體微粒的擴(kuò)散雙電層構(gòu)造圖式,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,1、巨大的比表面積和表

3、面能 比表面積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或物體的總表面積稱(chēng)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) 10 3.14 6 1 31.42 60 0.05 628.32 1200 0.001 31416 60000,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(duì)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。,土壤有機(jī)質(zhì)的比表面大，表觀比表面可達(dá)700 m2/g。,土壤

4、中常見(jiàn)礦物的比表面積（ m2/g）,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(duì)土壤肥力性質(zhì)有重要影響。,(1)同晶異質(zhì)代換作用 層狀鋁硅酸鹽粘土礦物在形成時(shí)，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

5、變,故稱(chēng)永久電荷。,土壤膠體電荷的來(lái)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。,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+,(2)晶格破碎邊緣的斷鍵 在礦物風(fēng)化破碎的過(guò)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(jià)鍵，使晶層帶電。 例如晶格在硅層或鋁層截面上斷裂，SiOSi，AlOAl在斷裂后，斷面上留下SiO-、AlO-，從而帶負(fù)電。,(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(chēng)可變電荷。,黏土礦物晶面上-OH的解離 含水鐵、鋁

6、氧化物的解離（Al2O33H2O) 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(lái)源,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(shí)，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(chēng)為可變電荷。,a. 黏土礦物晶面上-OH的解離,Al(OH)3+NaOH Al(OH)2O-+Na+H2O,膠核中的分子,帶負(fù)電荷的膠體核粒,Al(OH)3+HCl Al(OH)2+Cl-+H2O,膠

7、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。,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+,當(dāng)土壤膠體解離陽(yáng)離子和陰離子數(shù)量相等，即膠體的 正負(fù)電荷相等時(shí)，此時(shí)膠體懸液的pH值稱(chēng)為等電點(diǎn) (isoelectric point)。,在土壤pH5-8的條件下，大多數(shù)土壤膠體的等電點(diǎn)低于這個(gè)范圍，因此，對(duì)于土壤膠體來(lái)講，pH5-8相當(dāng)于在堿性環(huán)境

8、下，此時(shí)，腐殖質(zhì)和鋁硅酸鹽等膠體都帶負(fù)電，表現(xiàn)為對(duì)陽(yáng)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?,如三水鋁石的pH0值為4.8。 當(dāng)土壤pH低于pH0值時(shí):（相當(dāng)于酸性環(huán)境） Al2O33H2O 2Al(OH)2+2OH- 當(dāng)土壤pH高于pH0值時(shí): （相當(dāng)于堿性環(huán)境） Al2O33H2O 2Al(OH)2O-+2OH-,b. 含水氧化鐵、氧化鋁的解離,高pH條件下： -COOH H+ + COO- -OH H+ + -O- 低pH條件下： -NH2 -NH3+,c. 腐殖質(zhì)上某些原子團(tuán)的解離,d. 含水

9、氧化硅的解離,SiO2H2O（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。,H2SiO3 HSiO3- +H+,（帶正電）,SiO3-+H+,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(dòng)電電位的高低： 越高，排斥力愈強(qiáng)，溶膠狀態(tài)。 越低，當(dāng)吸引力大于排斥力時(shí)，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。,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

10、，使膠粒凝聚。 電解質(zhì)中異電離子的價(jià)數(shù)愈高，聚沉能力愈大， 三價(jià)離子大于二價(jià)離子，二價(jià)離子大于一價(jià)離子； 同價(jià)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(yáng)離子的凝聚力大小順序?yàn)椋?Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ H+ NH4+ K+ Na+,電解質(zhì)對(duì)膠體的凝聚作用受以下因素的影響：,凝聚作用強(qiáng)，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?zhuān)?土壤干燥、凍結(jié)過(guò)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(gè)作用，所以曬

11、、凍垡有利于土壤形成結(jié)構(gòu)； 相反，土壤水分過(guò)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?yàn)槟z粒分散，土壤不沉實(shí)。這種情況下，施用石灰（CaO）、石膏（CaSO4），增加Ca2+濃度，對(duì)沉實(shí)土壤，改良土性，有明顯效果。,在生產(chǎn)上的意義,由于膠體的巨大表面能，使其對(duì)周?chē)肿踊螂x子有很強(qiáng)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,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

12、機(jī)膠體和無(wú)機(jī)膠體的電荷具有非加和性。,第二節(jié) 土壤膠體的類(lèi)型,一、 無(wú)機(jī)膠體,土壤膠體的類(lèi)型,含水氧化鐵,含水氧化鋁,含水氧化硅,次生鋁硅酸鹽類(lèi) （即粘土礦物）,主要包括：,SiO2.H2OH2SiO3 帶負(fù)電 H2SiO3 H+ HSiO3-H+ SiO32-,1.含水氧化硅膠體： （游離態(tài)無(wú)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(lèi)型,此類(lèi)膠體包括褐鐵礦（2Fe2O33H2O）、水赤鐵礦（3Fe2O3H2O）、針鐵礦（Fe2O3H2O）、水鋁礦（Al2O3H2O）、三水鋁礦（Al2O33H2O）等晶質(zhì)礦物和氫氧化鐵Fe(OH)3、氫氧化鋁Al(OH

13、)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(lèi)型,Al(OH)3+H+Al(OH)2+H2O （pH5）,純凈的氫氧化鐵的等電點(diǎn)為pH7.1，氫氧化鋁等電點(diǎn)為pH8.1，所以它們?cè)诖蠖鄶?shù)酸性或中性土壤中都帶正電荷。,土壤膠體的類(lèi)型,其成分為水化的硅、鋁二三氧化物，簡(jiǎn)化的分子式為：xSiO2yAl2O3nH2O 。 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(shí)表面有AlOH、SiOH 。 當(dāng)溶液堿性增加、pH增大時(shí)產(chǎn)生以下解離而帶負(fù)電： =Al - OH pH加大 =Al - O- + H+ Si - OH

14、 Si - O- + H+ 因此，水鋁英石表面可吸附很多陽(yáng)離子，其表面積很大，陽(yáng)離子交換量可達(dá)154210cmol(+)kg-1。,3.水鋁英石 （非晶質(zhì)無(wú)定形的膠態(tài)）,土壤膠體的類(lèi)型,4.黏土礦物 （次生層狀鋁硅酸鹽類(lèi)）,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(jià)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(lèi)型。,土壤膠體的類(lèi)型,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(chēng)硅氧片或硅氧層

15、。,土壤膠體的類(lèi)型,鋁氧八面體,由六個(gè)氧原子（或氫離子）環(huán)繞著一個(gè)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(chēng)水鋁片。,土壤膠體的類(lèi)型,由一個(gè)硅氧片和一個(gè)水鋁片，通過(guò)共用硅氧頂端 的氧原子連接起來(lái)的片狀晶格構(gòu)造。,() 高嶺石（：型鋁硅酸鹽礦物）,每個(gè)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(shí)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 . 頂層 底層 . 許多晶片相互重疊形成高嶺礦物,土壤膠體的類(lèi)型,特點(diǎn)：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(gè)體小，分散度低。多

16、出現(xiàn)于酸性土壤。如高嶺石類(lèi)。,硅氧片,鋁氧片,土壤膠體的類(lèi)型,晶格內(nèi)的水鋁片和硅氧片很少發(fā)生同晶替代， 因此無(wú)永久性電荷。但水鋁片上的- 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(diǎn)：,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(lèi)型,由兩片硅氧片和一片水鋁片結(jié)合成的一個(gè)晶片（層）單元，再相互疊加而成的。,（2）蒙脫石類(lèi)（ ：型鋁硅酸鹽礦物）,每個(gè)晶層的兩面均由O離子組（硅氧片上的），因而疊加時(shí)晶層間不能形成氫鍵，而是通過(guò)“氧橋”聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)力弱，晶層易碎裂，其晶

17、粒比高嶺石小。,土壤膠體的類(lèi)型,脹縮性大，吸濕性強(qiáng)，易在兩邊硅氧片中以Al3+代Si4+，有時(shí)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(lèi)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(diǎn)：,土壤膠體的類(lèi)型,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21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

18、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(yáng)離子能力，陽(yáng)離子交換量達(dá)150 cmol(+)kg-1。,土壤膠體的類(lèi)型,2:1型礦物(蒙脫石、綠泥石、蛭石等),土壤膠體的類(lèi)型,（）水云母類(lèi) （：型粘土礦物）,結(jié)構(gòu)與蒙脫石相類(lèi)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(diǎn)： 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(duì)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(shí)，可將被固定的鉀重新釋放出來(lái)，供植物利用。,分布廣泛，特別在西北干旱地區(qū)和高寒地

19、區(qū)，以及風(fēng)化度淺的土壤。,土壤膠體的類(lèi)型,三種主要粘土礦物的性質(zhì)比較,土壤膠體的類(lèi)型,高嶺石逐漸代替水云母，鐵鋁氧化物 也迅速增多。,我國(guó)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(rùn)地區(qū)：,蛭石顯著增加，以水云母蛭石為主，說(shuō)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(lèi)型,二 、有機(jī)膠體,特點(diǎn)： 高分子有機(jī)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(yáng)離子交換量大。 保肥性強(qiáng)，但不穩(wěn)定（因受微生物作用而分解）,主要

20、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200 cmol(+)kg-1左右，高者可達(dá)5001000 cmol(+)kg-1,土壤膠體的類(lèi)型,三、 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體,通過(guò)Ca2+而結(jié)合。 有機(jī)膠體與鐵鋁膠體的結(jié)合。 有機(jī)膠體與無(wú)機(jī)膠體的直接結(jié)合。,有機(jī)膠體以薄膜狀緊密蓋覆于粘土礦物表面通過(guò)陽(yáng)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(lèi)型,在生產(chǎn)上的意義,我國(guó)勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中，充分體會(huì)到有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的重要

21、，創(chuàng)造了施用有機(jī)肥加速土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體形成的措施，群眾稱(chēng)之為土肥相融。土壤有機(jī)無(wú)機(jī)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(dú)存在時(shí)分解顯著減慢，并可使土壤中有效磷增加，增強(qiáng)土壤的緩沖性能等。,土壤膠體的類(lèi)型,第三節(jié) 土壤陽(yáng)離子交換作用,一、土壤陽(yáng)離子交換吸附作用的概念,土壤膠體表面所吸附的陽(yáng)離子，與土壤溶液中的陽(yáng)離子或不同膠粒上的陽(yáng)離子相互交換的作用，稱(chēng)為陽(yáng)離子交換吸附作用。,土壤膠粒,Ca2+ +2KCl =,土壤膠粒,K+,K+,+ CaCl2,陽(yáng)離子交換作用對(duì)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(yáng)離子吸附在膠體上時(shí)，表示陽(yáng)離子養(yǎng)分的

22、暫時(shí)保蓄，即保肥過(guò)程；當(dāng)膠體上的陽(yáng)離子解離至土壤溶液中時(shí)，表示養(yǎng)分的釋放，即供肥過(guò)程。,陽(yáng)離子交換,離子從溶液轉(zhuǎn)移到膠體表面的過(guò)程，稱(chēng)為離子的吸附過(guò)程。 吸附的離子從膠體表面轉(zhuǎn)移到溶液去的過(guò)程，稱(chēng)為離子的解吸過(guò)程。,陽(yáng)離子交換作用*,在土壤中，被膠體靜電吸附的陽(yáng)離子，一般都可以被溶液中另一種陽(yáng)離子交換而從膠體表面解吸。對(duì)這種能相互交換的陽(yáng)離子叫做交換性陽(yáng)離子，而把發(fā)生在土壤膠體表面的陽(yáng)離子交換反應(yīng)稱(chēng)之為陽(yáng)離子交換作用*。,二、土壤陽(yáng)離子交換吸附作用的特點(diǎn),1. 可逆反應(yīng),在濕潤(rùn)地區(qū)的一般酸性土壤中，吸附的陽(yáng)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

23、附性陽(yáng)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(yáng)離子完全徹底地代換到溶液中去。同時(shí)，土壤膠體上吸附的陽(yáng)離子也必然是多種多樣的，不可能為單一種離子所組成。,陽(yáng)離子交換,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(gè)Ca2+可交換兩個(gè)Na+；一個(gè)二價(jià)的鈣離子可以交換兩個(gè)一價(jià)的氫離子。 質(zhì)量作用定律：,陽(yáng)離子交換,3. 速度受交換點(diǎn)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(shí)間就較長(zhǎng)，有的需要幾晝夜才能達(dá)成平衡。 高嶺石類(lèi)礦物交換作用主要發(fā)生在膠粒表

24、面邊緣上，所以速率很快；蒙脫石類(lèi)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(lèi)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?yàn)闇囟壬?，離子的熱運(yùn)動(dòng)變得更為劇烈，致使單位時(shí)間內(nèi)碰撞固相表面的次數(shù)增多。,陽(yáng)離子交換,三、影響陽(yáng)離子交換作用的因素,1陽(yáng)離子交換能力 一種陽(yáng)離子將他種陽(yáng)離子從膠粒上交換下來(lái)的能力叫做該種陽(yáng)離子的交換能力。,（1）離子電荷價(jià)三價(jià)二價(jià)一價(jià) （2）離子半徑及水化程度,土壤中常見(jiàn)的離子交換能力排列順序是： Fe3Al3HCa2Mg2KNH4Na,凡運(yùn)動(dòng)速度快的其交換能力也大。H半徑小，但水化很弱，水

25、膜薄，運(yùn)動(dòng)速度快，因此它在交換能力上具有特殊位置。,表42離子半徑及水化程度與交換力的關(guān)系,2陽(yáng)離子的相對(duì)濃度及交換生成物的 性質(zhì) K Ca2K2SO4 K 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,3. 膠體性質(zhì),交換量大的膠體（如蒙脫石）結(jié)合兩價(jià)離子的能力強(qiáng)，結(jié)合一價(jià)離子的能力稍弱； 交換量小的膠體（如高嶺石）則結(jié)合一價(jià)離子能力強(qiáng)，與兩價(jià)離子的結(jié)合能力較弱，即一價(jià)離子可將兩價(jià)離子交換下來(lái)。,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

26、角形孔穴，即可發(fā)生配位作用，很難出來(lái)，只有當(dāng)晶層破裂時(shí)，被固定的K+、NH4+方可重新釋放出來(lái)。,陽(yáng)離子交換,四、土壤陽(yáng)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(yáng)離子的總量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交換性陽(yáng)離子的厘摩爾數(shù)（ Cation Exchange Capacity， CEC）。 單位：cmol（+）kg-1 。,注：因?yàn)殛?yáng)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(shí)，是以pH為7的條件下測(cè)定土壤的交換量。 陽(yáng)離子交換量的大小與土壤可能吸附的速效養(yǎng)分（即陽(yáng)離子）的容量有關(guān)，是土壤保肥力的重要指標(biāo)。,陽(yáng)離子交換,（二）影響CEC的因

27、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(jī)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。,陽(yáng)離子交換,2. 膠體類(lèi)型 不同土壤膠體陽(yáng)離子交換量相差很大,有機(jī)無(wú)機(jī)， 2:11:1，粘土礦物含水的氧化物 粘土礦物主要通過(guò)兩個(gè)方面影響C： 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(yáng)離子交換,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。,陽(yáng)離子交換,4. 土壤有機(jī)質(zhì)含量：,有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)含有大量-

28、COOH、-OH等官能團(tuán)，當(dāng)它們解離出H+時(shí)，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(wú)機(jī)膠體。,施用有機(jī)肥料，增加土壤腐殖質(zhì)，可以提高CEC，增強(qiáng)土壤保肥性。,陽(yáng)離子交換,附：主要粘土礦物的（p=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(rùn)土 59-120 蛭石 120-200 ,陽(yáng)離子交換,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(shuō)的保肥力高低；交換量大，也

29、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(píng)價(jià)土壤保肥力的指標(biāo)。,一般地： 小于10 cmol/kg，保肥力弱； 1020 cmol/kg，中等； 大于20 cmol/kg，強(qiáng)。,CEC與土壤肥力的關(guān)系,陽(yáng)離子交換,陽(yáng)離子交換量和施肥有密切關(guān)系： 在施肥時(shí)不僅要了解作物的需要，同時(shí)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(duì)于交換量小、保肥力差的土壤，可通過(guò)施用河塘泥、廄肥、泥炭或摻粘土，以增加土壤中的無(wú)機(jī)、有機(jī)膠體，以及通過(guò)施用石灰調(diào)節(jié)土壤反應(yīng)等來(lái)提高土壤的陽(yáng)離子交換量。,舉

30、例？,陽(yáng)離子交換,長(zhǎng)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2030cmol(+)kg-1。,我國(guó)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(yáng)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3050 cmol(+)kg-1。,北方,華南、西南,為紅、黃壤地帶，無(wú)機(jī)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(yáng)離子交換量小，一般每千克土只有十幾個(gè)厘摩爾，廣東的磚紅壤的交換量只有5.2 cmol(+)kg-1。,長(zhǎng)江中下游地區(qū),陽(yáng)離子交換,我國(guó)土壤陽(yáng)離子交換量，由南向北，由西向東有逐漸增多的趨勢(shì)。 陽(yáng)

31、離子可分為兩大類(lèi)：,陽(yáng)離子的代換量是這兩類(lèi)離子被吸收的總量。,陽(yáng)離子,鹽基離子（Ca2、Mg2、K、Na、NH4等）,致酸離子H與Al3,五、土壤鹽基飽和度,膠體上吸附的陽(yáng)離子分為兩類(lèi)： 一類(lèi)是致酸離子（如H+ 和Al3+）。 另一類(lèi)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(yáng)離子總量的百分率。以算式表示為：,陽(yáng)離子交換,鹽基飽和土壤：土壤膠體吸附的陽(yáng)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

32、，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(yáng)離子交換量大，而鹽基飽和度偏小，需要采取措施對(duì)土壤加以改良，如施肥或用石灰中和。,陽(yáng)離子交換,我國(guó)南方巖石礦物風(fēng)化作用強(qiáng)、鹽基淋失強(qiáng)，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(yáng)離子交換,一般闊葉樹(shù)種吸收鹽基比針葉樹(shù)多，通過(guò)枯落物歸還給土壤的鹽基也多，另外，針葉在分解過(guò)程中產(chǎn)生相對(duì)較多的有機(jī)酸，增強(qiáng)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(lèi)型,陽(yáng)離子交換,c.母巖（或母質(zhì)）,原母質(zhì)

33、所含鹽基的多少對(duì)土壤鹽基飽和度有較大影響，在相同或類(lèi)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(yáng)離子交換,六、影響交換性陽(yáng)離子有效性的因素,1.交換性陽(yáng)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(yáng)離子的量占土壤陽(yáng)離子交換量的百分?jǐn)?shù)。,農(nóng)諺：“施肥一大片，不如一條線?！钡暮x？,陽(yáng)離子交換,2.陪補(bǔ)離子的種類(lèi),對(duì)于某一特定的離子來(lái)說(shuō)，其它與其共存的離子都是陪補(bǔ)離子。（如膠體吸附了H+、Ca2+、Mg2+、K+等離子，對(duì)H+來(lái)說(shuō)， Ca2+、Mg2+、K+是它 陪補(bǔ)離子）,與膠體結(jié)合強(qiáng)度大的離子，本身有效性低，但對(duì)其它陪補(bǔ)離子的有效性有利。反之亦然。,思考： K+ 的陪補(bǔ)離子分別為Ca2+、Na+時(shí)，有效性高低比較？,陽(yáng)離子交換,不同陪補(bǔ)離子對(duì)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+,3. 無(wú)機(jī)膠體的種類(lèi),在飽和度相同的前提下，各種離子在無(wú)機(jī)膠體上的有效性： 高嶺石蒙脫石水云母,Why?,高嶺石：陽(yáng)離子吸附點(diǎn)主要在破裂邊緣外表面； 蒙脫石：吸附點(diǎn)主要在晶層間內(nèi)表面； 水云母：層