第六章 土壤胶体与离子交换 Soil Colloid & Ion Exchange

1. 第六章 土壤胶体与离子交换Soil Colloid & Ion Exchange • 教学目标 • 掌握土壤胶体的概念、土壤阳离子交换量(CEC) • 和土壤盐基饱和度(BS)； • 理解土壤阳离子交换过程和胶体的带电性； • 了解离子交换在土壤肥力上的意义。

2. 溶液--颗粒最小，分子或离子分散系 胶体--颗粒较大(1-100nm)，胶体分散系 悬液--粗分散系 何为分散体系？

3. 第一节 土壤胶体概述 一、概念 具有胶体性质的土壤细小颗粒部分(粒径小于2μm或1μm的土壤固体微粒部分)。 二、组成和来源 无机胶体：矿质粘粒部分 有机胶体：腐殖质胶体 有机-无机复合胶体：土壤中的腐殖质胶体和 矿质粘粒通过化学键紧密结合形成

4. 来源 粘土矿物 • 直接由云母等矿物经风化或成土作用演变； • 由矿物的分解产物在一定条件下合成； • 在一定条件下，由粘土矿物互相演化形成。 腐殖质胶体 土壤有机质经微生物的分解和再合成作用形成(微生物的细胞外进行)

5. 三、几种主要的土壤胶体

7. 我国土壤粘土矿物的分布 风化程度低，化学风化程度弱，以形成水化度低的水云母为主，蒙脱石不多。 温带干旱的漠境和半漠境地带： 蒙脱石迅速增加，结晶良好，以蒙脱石和水云母为主。 半干旱草原地区： 暖温带湿润地区： 蛭石显著增加，以水云母—蛭石为主，说明环境有利于进一步脱钾。 中亚热带以南地区： 高岭石逐渐代替水云母，铁铝氧化物 也迅速增多。

8. 四、土壤胶体的电荷 产生原因: 同晶代换、晶格断裂、基团解离 永久电荷(permanent charge) 岩石化学风化过程中，粘土矿物晶格内发生同晶置换产生的电荷。 如Al3+/Si4+, Mg2+/Al3+ (substitution of Mg2+ for Al3+)，使胶体带负电。 可变电荷(variable charge) 随土壤pH条件而改变的电荷，由于胶体颗粒表面基团的解离或质子化(结合H+)而引起。

9. 四面体中的硅可被铝代换 Si4+ Al3+ 八面体中的铝可被铁、镁代换 Al3+ Fe2+或Mg2+

10. 土壤胶体的可变电荷有以下情况： • 粘土矿物晶体表面－OH基的解离 • 含水氧化铁和氧化铝胶体的解离 • 含水氧化硅的解离 • 土壤腐殖质基团的解离 实际土壤条件下，由于土壤胶体组成及其相互作用的复杂性，带电情况相当复杂。除酸性较强的土壤，绝大多数土壤都是带净负电荷。

11. 电荷零点(PZC-point of zero charge) 在某一pH值条件下，当胶体所带负电荷和正电荷的数量相等时，胶体的净电荷为零，这就是该土壤胶体的等电点pH值。 当介质的pH值低于等电点时，由于-OH基的解离或基团(如-NH2)质子化等原因，胶体带净正电荷；当介质的pH值高于等电点时，由于H+解离，胶体带净负电荷。

13. 五、土壤胶体的双电层构造 胶核：胶体颗粒的中心部分 决定电位离子层：双电层的内层，负电荷 补偿离子层：双电层的外层，阳离子(Na+/Ca2+/ Mg2+/K+/Al3+等) 非活性亚层－紧靠决定电位离子层的那一部分，受强大的净电引力而失去绝大部分活性 活性亚层－扩散层，可与土壤溶液中的其他阳离子发生代换反应，也可直接向稀溶液中扩散。

15. 六、土壤胶体的性质 1.巨大的比表面积和表面能 能吸附大量的水分子、养分和其他分子态物质。有些微生物也被吸附在表面。 2.带电性和离子吸收代换性能 一般情况下，土壤胶体带负电，可吸附大量的阳离子，且扩散层中的阳离子在一定条件下可以与土壤溶液中的阳离子相互代换。这对养分的供应与保存以及土壤的酸碱、缓冲性有重要意义；若土壤胶体带正电荷，则可吸附阴离子并具有阴离子吸收代换性能。

16. 1cm3物质表面积随分散度变化的情况 土粒越细，比表面越大，土壤中颗粒的形状多种多样。只有砂粒近似球形，但其表面大多不平，大部分粘粒多为片状、棒状、针状，实际上胶体的表面积比光滑的球体大得多。

17. 3.分散性和凝聚性 土壤胶体可呈溶胶或凝胶状态,电解质是使土壤胶体凝聚的重要因素。凝聚作用对土壤结构的形成极为重要。 不同阳离子的凝聚能力： Fe3+>Al3+>>Ca2+>Mg2+>>K+>NH4+>Na+ 4.物理机械性质 土壤胶体具有粘结性、粘着性和可塑性,影响土壤的耕性。

18. 第二节 土壤阳离子交换 一、土壤阳离子交换过程 土壤胶体表面吸附的阳离子，在一定条件下，与土壤自由溶液中的阳离子进行互相取代的过程(存在化学势差)。参与土壤交换过程的阳离子称为交换性阳离子。 特点： • 可逆反应 • 阳离子交换作用按等当量数进行 • 受温度影响较小，而与交换点位置直接相关

19. K+ 土壤胶粒 Ca2+ +2KCl= + CaCl2 土壤胶粒 K+

20. 土壤阳离子交换量(CEC) Cation Exchange Capacity 在一定pH值(=7)时，每千克土壤中所含有的全部交换性阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、H+、Al3+等)的厘摩尔数(potential CEC)。 常用单位：cmol(+)/kg土 国际单位：mmol/kg土 CEC的大小，基本上代表了土壤可能保持的养分数量，即保肥性的高低。

21. Example A Ca2+ saturated soil (100 g) was displaced with 50 ml of Ba2+. The extract contained 2000 ppm Ca2+. Calculate the CEC.

22. 我国南北方土壤的CEC比较 含蒙脱石、水云母较多，土壤反应又多为中性或微碱性，阳离子交换量一般较高。例如东北的黑土、内蒙的栗钙土的交换量在30~50 cmol(+)·kg-1。 北方 长江中下游发育在冲积母质上的土壤，粘土矿物以蒙脱石、水云母为主，交换量大约为20~30cmol(+)·kg-1。 长江中下游地区 红、黄壤地带，无机胶体以高岭石和含水氧化铁、氧化铝为主，土壤酸性大，pH值低，阳离子交换量小，一般只有十几个cmol/kg土，如广东的砖红壤的交换量只有5.2 cmol(+)·kg-1。 华南、西南

23. 影响土壤阳离子交换量的因素 1.土壤质地 土壤质地越粘，土壤的交换量也就越大。 南方红壤CEC一般<5-10 cmol/kg?

24. 2.腐殖质含量 腐殖质含量越高，CEC越大。 3.无机胶体种类 1)粘土矿物主要是通过其比表面积的大小和所带电荷的状况来决定CEC大小； 2)含水氧化物 4.土壤pH 土壤腐殖质、含水氧化物所带电荷为可变电荷，受土壤酸碱环境的影响。

25. 土壤CEC大，BS小说明了什么？ 土壤盐基饱和度(BS) Base Saturation 土壤胶体上的交换性盐基离子占全部交换性阳离子(总量)的百分比。 酸基离子：H+、Al3+ 盐基离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+等 BS真正反映土壤有效(速效)养分含量的大小，是改良土壤的重要依据之一。

26. 第三节 土壤胶体对阴离子的吸附 一、土壤吸附阴离子的原因 1.两性胶体带正电荷 碱性Al(OH)3 +HCl= Al(OH)2++Cl-+H2O 酸性 Al(OH)3 +NaOH= Al(OH)2O-+Na++H2O 2.土壤腐殖质中的-NH2在酸性条件下吸收H+成为-NH3+而带正电。 3.粘粒矿物表面上的-OH原子团可与土壤溶液中的阴离子代换。

27. 二、土壤中各种阴离子代换吸收能力 不同阴离子代换吸收顺序如下： 草酸根>柠檬酸根>磷酸根≥砷酸根≥硅酸根>钼酸根>>硫酸根>氯离子>硝酸根离子 • 磷酸根离子和某些有机酸根离子易被土壤吸收。实际上，磷酸根常被某些阳离子如钙、镁、铁、铝所固定，而失去有效性。而土壤氯离子和硝酸根离子代换吸收能力最弱，甚至不能吸收。 • 磷肥施用时应防止固定，硝态氮肥应防止流失。

28. 第四节 离子交换在土壤肥力上的意义 一、具有较好的保持和供应养分的能力 离子态的养分被土壤胶体吸附保持在土壤中，供植物吸收利用，这就是土壤的保肥性。土壤胶体吸附的离子与土壤溶液中的离子能进行可逆性交换，植物可随时从土壤中得到养分，这就是土壤的供肥性。土壤具有一定数量的胶体，较高CEC的土壤具备较好的养分保持与供应能力，使土壤保肥性和供肥性矛盾得到统一。土壤的阴离子吸收交换性强，对土壤肥力和施肥也有重要影响。

29. 二、使土壤具备较佳的缓冲性 对于局部的酸碱污染，土壤胶体的缓冲作用很重要。另一方面，在施用无机肥料时，局部的养分浓度过高，会导致烧根现象，较高的离子代换量可使此种危害减轻或消除。在一定范围内，此作用能协调植物对土壤营养的吸收，使土壤能较稳、均、足、适地供应植物生长所需的养分，使植物既不疯长，又不脱肥(也即“稳肥性”-土壤供肥性和保肥性协调的结果)。

30. 三、使土壤的物理状况得到调节 土壤胶粒之间的凝聚作用是土壤具有结构的根本原因，当土壤胶体表面吸附大量Na+，促使胶粒分散；而当土壤胶体特别是有机胶体吸附Ca2+/Mg2+后，有助于形成较好的土壤结构。在碱性土壤上(Na+)施石膏，结合排水洗盐，可改良土壤的不良性状。Ca2+/Mg2+促使土壤胶体凝聚，能减少相互有效接触面积，从而降低了粘结性及粘着性。酸性土壤施用石灰，可促进团粒结构的形成。