大学土壤学课件-土壤胶体

第六章土壤胶体与离子交换SoilColloid&IonExchange,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。,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？,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2m或1m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,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),三、几种主要的土壤胶体,高岭石逐渐代替水云母，铁铝氧化物也迅速增多。,我国土壤粘土矿物的分布,温带干旱的漠境和半漠境地带：,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。,半干旱草原地区：,蒙脱石迅速增加，结晶良好，以蒙脱石和水云母为主。,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：,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(permanentcharge)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+(substitutionofMg2+forAl3+)，使胶体带负电。可变电荷(variablecharge)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。,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+,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。,电荷零点(PZC-pointofzerocharge)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。,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。,五、土壤胶体的双电层构造,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。,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。,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。,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,土壤胶粒,Ca2+2KCl=,土壤胶粒,K+,K+,+CaCl2,土壤阳离子交换量(CEC)CationExchangeCapacity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(potentialCEC)。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。,ExampleACa2+saturatedsoil(100g)wasdisplacedwith50mlofBa2+.Theextractcontained2000ppmCa2+.CalculatetheCEC.,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2030cmol(+)kg-1。,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3050cmol(+)kg-1。,北方,华南、西南,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5.2cmol(+)kg-1。,长江中下游地区,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。,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。,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)。,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