西北农林科技大学土壤学第四章 土壤胶体及其离子交换

第四章土壤胶体及其离子交换SoilcolloidandIonExchange，第一节土壤胶体soilcolloid，1 .土壤胶体概念(soilcolloid )，(1)分散系统(分散系统)分散系统由两种以上的物质构成，1 量也相对较大，被称为分散介质(分散剂)的另一种物质分子不连续，量也比较小，被称为分散相(质)。 如果分散相和分散介质之间没有明显的物理界面，则分散体系称为溶液，如果分散相和明显的物理界面，则称为悬浊液(粗分散体系)。 当分散相位于两者之间时，构成了较稳定的系统，称为胶体系统。 土壤本身是复杂的多元分散体。 土壤中的小粒子称为胶体。 空气和溶液成为分散剂。 thesoilicontinsitutionsmissulecollloids.theyarismallerthanonehundredth-thosandofamillmeter.soillcollloodisarethinndindidid wellasorganicsilcolloids.menerrallcolloidsareusuallyfoundtobeineparticles.1 .土壤胶体概念(soilcolloid )，(2)胶体大小范围的土壤胶体小于5m 、electronicrosofthechivelemineralsmontmorillonite、electronicrosofthechivelemineralskaaolinte、无机胶体有机胶体有机无机复合胶体、2 .土壤胶体的种类(土壤胶体(1)有机胶体(soilorganiccolloid )是指土壤中分子量大、结构复杂的高分子化合物。 土壤腐植质主体，其次是少量的蛋白质、多肽、氨基酸、多糖类高分子化合物。 土壤中有大量微生物，其本身也具有胶体性质，是生物胶体。 (二)无机胶体(soilmineralcolloid ) :无机胶体又称为矿物胶体。 是土壤中胶体的主要成分，比无机胶体高数倍到几十倍。 总称用土壤中的粘粒(0.001mm )的含量反映土壤无机胶体的量。 1 .层状无机铝硅酸盐矿物：高岭石、蒙脱石、蒙脱石(负胶体)2.非晶氧化物根据胶体系的化学矿物学组成分离(1)含水氧化硅(SiO2. NH2o ) h2so3(SiO2. NH (2)含水氧化铁铝Al(OH)3 H Al(OH)2 H2O (正电荷、碱胶体基) Fe(OH)3 H Fe(OH)2 H2O (正电荷碱胶体基)(三)有机物胶体(organic-mineralcolloid )有机胶体有机无机复合度：将土壤有机无机复合体中含有的c量在土壤整体的c量中所占的比例作为有机无机复合度。 作为测定土壤有机无机复合体数量的指标。 土壤有机无机复合度达到5070%，2 .土壤胶体种类(typeofsoilcolloid )意味着改善土壤的理化性状，其稳定性高于简单的有机胶体。 腐殖质MRT高的原因是形成有机无机复合体的有机胶体作为膜附着在矿物胶体的表面，无机胶体的性质也发生了变化。 复合物是形成良好土壤水稳定性和多孔多孔聚集体的基础，其水稳定性比单纯的矿物聚集体高，对土壤结构性、渗透性、耕作性等有重要影响，是土壤肥力高低的指标之一。 有机无机胶体的非加和性：有机无机复合体的粘性、塑性比粘粒弱，其表面积和取代量(电荷量)一般比复合前的有机胶体和无机胶体之和小，不具有加和性。二、土壤胶体种类(typeofsoilcolloid )，三.土壤胶体的基本特性(propertiesofsoilcolloid )，土壤胶体性质多，最关心的是影响土壤性质的主要性质(1) 胶体表面积和表面能：具有丰富表面积和巨大表面能的1 .比表面(specific surfacesstithereatheofsurfaceareaperunitmassorunitvolume.(单位质量比表面积g的单位容积比表面称为容积比表面，cm2/m32 .影响粒子表面积的因素(1)粒径的大小，(2)粒子形状：同体积粒子表面积最大的是薄片状，最小的是球体(3)矿物类型，粘土矿物的表面特征，胶体电子显微镜图像，土壤中常见的粘土矿物的比表面积(一般土壤中有机质含量高，2:1型粘粒矿物多，比表面积大，像黑土。 相反，有机质含量低时，1:1型粘粒矿物多时，其表面积小，例如红土、砖红土。 粘土矿物的表面特征，三.土壤胶体的基本特性(propertiesofsoilcolloid )，胶体表面能：界面的物质分子(表面分子)具有的多馀的不饱和能。 表面能的大小与表面积成正相关，表面积越大，表面能越高，吸附能力越强。 比表面积的测定方法：1.仪器方法2 .吸附法：用多分子层吸附理论进行，其基本原理为BET方程式，吸附质为氮、甘油、二醇醚等(二)土壤胶体的带电性、土壤胶体带电性为其主要特性。 永久电荷permanentcharge可变电荷pHdependentcharge，土壤胶体电荷包括两种，4 .土壤胶体电荷类型(Surfacechargeonsoilcolloids )取决于土壤电荷的发生机制不受土壤溶液pH变化影响的电荷类型为永久电荷、定电荷或结构电荷。 同晶取代是产生永久电荷的原因。 因为在载体结构内部发生，所以称为内部电荷。 isomorphicsubititionsthereationsthereplacementofonothershimitialliziniallyinstalllationstheringorationsh eitherinthetrahe . exessnogitivechargelowshhnothallcordellocordediverationaddivalencessuhasmg (ii ) orfe (ii ) substitute foral (iii ) intheoctaedrallayer.isomorphicsbstituttonhatdosnotgiverisetochargeeisfe (iii ) sustityingforalinthectahedrallayer.thisisbecau 永久负电荷的数量多少，蒙脱土、蛭石水云母类高岭石，4 .土壤胶体电荷类型(surfacechargesonilcolloids )，(二)可变电荷(pHdependentcharge )日本吉田对土壤溶液的pH变化phdedependentchargecoupleddevice，chondedentgrationcursonthedesoflayersilicates，onvariablechargeemineralssuchasoxidesoffea andorganicmatte.itiscalledppdedepenterchasintcreasingsingfofthehequioussoilenvironmentincases产生可变电荷的原因：主要是胶体表面分子解离。 1 .含水氧化硅分子解离2 .粘土矿物晶面上的羟基解离(1:1型粘土矿物可以用pH5解离)3.腐殖质分子表面解离4 .含水氧化铝表面解离OH-，带正电荷(pH5带正电荷)，一般有理氧化铁在土壤中带正电荷游离氧化铝对正电荷的贡献是次要的，高岭石表面在酸性条件下也接受质子，带正电荷，晶格短键(brokenboud )也产生电荷，4 .土壤胶体的电荷类型(Surfacechargeonsoilcolloids )为土一般土壤的pH在59之间，但大部分土壤胶体，特别是腐植质的等电点远远低于此范围，因此大部分土壤胶体都带有负电荷。 只有两性胶体和少量的同晶的替代物才能产生一定量的正电荷。但是，从整体来看，土壤胶体主要带负电荷。 ph2价的1价(2)离子的半径和水合程度为等价的离子时，根据其离子半径和离子的水合程度，交换能力的大小不同。 强、弱、交换能力、离子半径和水合半径和交换能力、(3)离子浓度和数量因子。 随着原子序数的增加，等价离子的交换能力增加。 土壤中常见的阳离子交换能力的顺序： Na K NH4 Mg2 Ca2 H Al3 Fe3，三.阳离子和交换能力，问题：廉价的离子取代高价的离子吗？ 在什么情况下，廉价的离子会取代高价的离子？ 交换平衡中的离子分配规律，假设阳离子交换平衡体系中含有k、h、Ca2、Al3等离子体，按照Donnan平衡的原则和质量作用的规律，溶液中的阳离子浓度一发生变化，胶体表面上的阳离子组成一发生变化，就会马上破坏离子平衡体系，更新是的，固相表面和液相溶液中各离子的比例变化，该变化受阳离子的价格制约，全系符合系列方程式，该式在离子交换平衡体系中，离子在固相(i-in )和溶液中(o-out )的分配规律比例规律(R.M.Scholfield提交给1947 表示的四.阳离子交换量Cationexchangecapacity )、(一)阳离子交换量的概念(CEC:ph为7的情况下，测定吸附在干燥土上的阳离子的厘米摩尔数。 也称为(cmol()/kg干燥土)阳离子置换量，简称“置换量”注意：1.pH=7，pH值影响土壤电荷总量，为了统一测定标准，各地资料可以相互比较规定。 测定时用缓冲液保证测定的基本条件2 .阳离子交换量是指吸附在土壤胶体上的阳离子总量。 CEC=系交换性阳离子(cmol()/kg干土)3.过去以mg当量/100土表示(me/100干土)4.阳离子交换量实际上是土壤粒子的带电总量，因此，土壤CEC=13.6me/100=13.6cmol/kg、土壤阳离子交换量意味着用一价离子来计算阳离子交换量，(2)影响阳离子交换量的因素，1 .土壤质量：质感和粘重CEC高，2 .胶体类型，(2)影响阳离子交换量的因素，3 .溶液pH、碱性土壤中性酸性，CEC与土壤腐殖质成比例，中国北方的粘质土壤以钇为主，阳离子交换量大，CEC多为20cmol/kg以上，有可能达到50以上。 南方土壤有机胶体少，粘粒以高岭石和含水氧化铁为主，阳离子置换量在20cmol/kg以下。 中国土壤CEC呈从北向南减少的趋势，反映了粘土矿物的地带性分布特征。 (3)阳离子交换量的意义，1 .作为土壤保肥性能的评价指标，阳离子交换量是评价土壤肥力的指标之一。 可以直接反应土壤提供速效养分的量，表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小。 2、作为制定施肥计划的参考，CEC高的土壤、稳肥、耐肥性好，多次使用CEC低的土壤，性干燥、耐肥性差，多一点，碱饱和度概念(bsp ) bsp吸附在土壤胶体上的阳离子5 .碱饱和度BaseSaturation，其中碱离子是指除氢和铝以外的阳离子。 同样，某个交换性阳离子在土壤阳离子总量中所占的比例称为该离子的饱和度。 100%，5 .碱饱和度基本饱和，5 .碱饱和度基本饱和，阳离子交换量和碱饱和度在受土壤pH影响的pH56范围的温湿地区的矿床土壤中，每ph变动0.10，碱饱和度就变动5%。 5 .碱饱和度BaseSaturation，(2)碱饱和度的含义1 .根据碱饱和度将土壤分为碱饱和土壤(不含交换性氢铝离子)和碱不饱和土壤(含交换性氢铝离子)两种。有时以Ca/Mg或K/Na比作为土壤发育的指标。 2 .碱饱和的土壤有中性或碱性反应，如果是钙、镁饱和的土壤，显微碱性、钠饱和度高的土壤是碱性的碱不饱和土壤有酸性反应，因为酸性土壤，交换性铝和镁的毒性碱饱和度从质的角度研究阳离子与土壤的基本性状关系。 3 .碱饱和度也可以作为判断土壤肥力水平的指标。 80 %碱饱和度的土壤被认为是肥沃的土壤，5080%碱饱和度的土壤处于中肥力水平，不足50%碱饱和度的土壤肥力水平低。 因为阳离子变得单一了。 4 .碱饱和度是确定酸性土壤石灰需要量的重要参数。 五、碱饱和度基准，(三)影响土壤碱饱和度的因素，以及我国土壤碱饱和度分布规律中影响土壤碱饱和度的因素，主要取决于湿度和土壤截面碱湿度。 湿润和半干旱地区典型矿床土壤的阳离子交换特征(Brady )，不仅阳离子交换量，而且阳离子组成也有很大差异，5 .碱饱和度BaseSaturation，中国土壤的