第六章 土壤胶体与离子交换

1、 主 要 内 容 第一节第一节 土壤胶体土壤胶体 第二节第二节 土壤的吸收性能（离子交换作用）土壤的吸收性能（离子交换作用） 第三节第三节 土壤酸碱性（土壤反应）土壤酸碱性（土壤反应） 土壤是由固体土粒，土壤溶液和土壤空土壤是由固体土粒，土壤溶液和土壤空 气组成的气组成的“多元分散体系多元分散体系”。一般情况下，。一般情况下， 土粒是分散相，土壤溶液和空气是分散介质，土粒是分散相，土壤溶液和空气是分散介质， 组成土壤胶体分散体系。土壤胶体是土壤中组成土壤胶体分散体系。土壤胶体是土壤中 最活跃的部分，对土壤理化性质和肥力水平最活跃的部分，对土壤理化性质和肥力水平 具有明显的影响，对土壤保肥、供肥

2、能力的具有明显的影响，对土壤保肥、供肥能力的 强弱起着决定性作用。强弱起着决定性作用。 第一节第一节 土壤胶体土壤胶体 一、土壤胶体的概念一、土壤胶体的概念 （一）胶体（一）胶体(colloid) 化学中指的胶体是：凡是粒径在化学中指的胶体是：凡是粒径在1100nm范范 围年的微粒分散在介质中所构成的分散体系均围年的微粒分散在介质中所构成的分散体系均 称为胶体。称为胶体。 而粒径小于而粒径小于1nm 的构成真溶液的构成真溶液(solution)， 大于大于100nm则构成悬浊液则构成悬浊液(suspension). 胶体有一些独特的性质如：胶体有一些独特的性质如： 丁达耳现象（丁达耳现象（Ty

3、ndall）、布朗运动（）、布朗运动（Brown）、电泳）、电泳 (electrophoresis)、吸附解吸、吸附解吸(sorption and desorption)、分散、分散 (dispersion)与凝聚与凝聚(coacervation)等。等。 在土壤学中，通常小于在土壤学中，通常小于1000nm 的土壤的土壤 颗粒都具有胶体的性质，远大于颗粒都具有胶体的性质，远大于100nm。 主要是土壤黏土矿物常为棒状、纤维状、主要是土壤黏土矿物常为棒状、纤维状、 板状或片状等，只要其三个轴有一个尺度板状或片状等，只要其三个轴有一个尺度 在在1100nm 范围，其就有胶体的性质。范围，其就有胶

4、体的性质。 二、土壤胶体的类型 土壤胶体按其土壤胶体按其成分和来源分为成分和来源分为: 无机胶体（无机胶体（mineral colloids）：）： 包括包括 层状铝硅酸盐粘土矿物（层状铝硅酸盐粘土矿物（phyllosilicates） 含水氧化物类矿物（含水氧化物类矿物（hydrous oxides）(含水氧化硅胶体含水氧化硅胶体 和含水氧化铁、氧化铝胶体）和含水氧化铁、氧化铝胶体） 有机胶体（有机胶体（organic colloids） 有机无机复合胶体（有机无机复合胶体（organo-mineral complex colloids ） （一）无机胶体（一）无机胶体（mineral co

5、lloids） 1、层状铝硅酸盐类粘土矿物、层状铝硅酸盐类粘土矿物 phyllosilicates, layer alumino-silicate clay minerals 由硅氧四面体形成的由硅氧四面体形成的硅氧片硅氧片和由铝氧八面体组成的和由铝氧八面体组成的水水 铝片铝片，以一定的比例相互叠加而形成的矿物类型。，以一定的比例相互叠加而形成的矿物类型。 （1）基本结晶单位（）基本结晶单位（basic crystalline unit） 硅氧四面体与硅氧片（硅氧四面体与硅氧片（tatrahedron and silica sheet） 铝氧八面体与水铝片铝氧八面体与水铝片(octahedro

6、n and aluminiun sheet) 硅氧片硅氧片 硅氧片是由硅四面体连接而成。硅氧片是由硅四面体连接而成。 一个硅氧四面体是由一个硅氧四面体是由四个氧原子四个氧原子和和一硅原子一硅原子所组成。所组成。 其排列方式是以其排列方式是以3个氧原子构成三角形为底，硅原子位个氧原子构成三角形为底，硅原子位 于底部于底部3个氧原子之上的中心低凹处，第四个氧则位于个氧原子之上的中心低凹处，第四个氧则位于 硅原子的顶部，恰恰把硅原子盖在氧的下面，如果连接硅原子的顶部，恰恰把硅原子盖在氧的下面，如果连接 相邻的相邻的3个氧原子的中心，则可构成个氧原子的中心，则可构成4个三角形的面，硅个三角形的面，硅

7、位于位于4个面的中心。个面的中心。 硅氧四面体和硅氧片 tatrahedron and silica sheet 二者能相互构成的原因二者能相互构成的原因： （1）硅原子带正电（）硅原子带正电（Si4+），而氧带负电），而氧带负电(O2-)，相，相 互吸引；互吸引； （2）与原子大小有关，氧半径）与原子大小有关，氧半径0.14 nm，四个氧堆，四个氧堆 积成四面体时，其形成的空隙半径为积成四面体时，其形成的空隙半径为0.032 nm，硅，硅 原子的半径为原子的半径为0.039 nm，所以能嵌入四面体中而不，所以能嵌入四面体中而不 破坏结构。破坏结构。 每个四面体键价不平衡（每个四面体键价不平衡

8、（SiO44-），许多硅四面体），许多硅四面体 可以共用氧原子而形成一层，氧原子排列成为中间可以共用氧原子而形成一层，氧原子排列成为中间 有空的有空的六角形六角形，称为，称为硅氧片或硅氧层硅氧片或硅氧层。 铝氧片铝氧片 铝氧片由铝八面体连接而成。铝氧片由铝八面体连接而成。 铝八面体为铝八面体为6个氧原子个氧原子围绕围绕一个铝原子一个铝原子构成铝八构成铝八 面体，面体，6个氧排列成两层，但上层氧的位置与下层个氧排列成两层，但上层氧的位置与下层 氧氧交错排列交错排列，6个氧所构成的八面体空隙为个氧所构成的八面体空隙为0.058 nm，与铝原子的半径，与铝原子的半径0.057 nm相近，故铝原子嵌入

9、相近，故铝原子嵌入 6个氧原子形成的空隙中，从而构成铝氧八面体个氧原子形成的空隙中，从而构成铝氧八面体 （AlO6）9-。 铝氧八面体和水铝片 octahedron and aluminiun sheet (3)单位晶体单位晶体 四面体（四面体（SiO4)4-、八面体（、八面体（AlO6）9-都不是化合物，都不是化合物， 在它们形成硅酸盐粘土矿物之前，四面体与八面体在它们形成硅酸盐粘土矿物之前，四面体与八面体 分别聚合，结果为水平方面上四面体通过共用底部分别聚合，结果为水平方面上四面体通过共用底部 氧的方式在平面两维方面上无限延伸，排列成近似氧的方式在平面两维方面上无限延伸，排列成近似 六边形

10、蜂窝状的四面体，即硅氧片，六边形蜂窝状的四面体，即硅氧片，硅氧片顶端的硅氧片顶端的 氧仍然带电荷氧仍然带电荷。硅氧片：硅氧片：n(Si4O10)4- 八面体在水平方向上相邻八面体通过共用两个氧的八面体在水平方向上相邻八面体通过共用两个氧的 方式，在平面两维方面上无限延伸，排列成八面体方式，在平面两维方面上无限延伸，排列成八面体 片（铝氧片）。片（铝氧片）。铝氧片：铝氧片：n(Al4O12)12- (4)(4)单位晶层（晶架结构）单位晶层（晶架结构） 由于硅氧片和铝氧片都带负电荷，不稳定，必由于硅氧片和铝氧片都带负电荷，不稳定，必 须通过重叠化合才能形成稳定的化合物，经过须通过重叠化合才能形成稳

11、定的化合物，经过 重叠形成层状硅酸盐的单位晶体，两种晶片的重叠形成层状硅酸盐的单位晶体，两种晶片的 配合比例不一样，配合比例不一样，构成构成1:1型，型，2:1型，型，2:1:1型型 和和2:1型晶层。型晶层。 1：1型晶格与型晶格与2：1型晶格型晶格 由一层硅氧片和一层水铝片相互叠加所构由一层硅氧片和一层水铝片相互叠加所构 成的晶格（成的晶格（lattice）。）。 由两层硅氧片和一层水铝片相互叠加所构由两层硅氧片和一层水铝片相互叠加所构 成的晶格。成的晶格。 硅片硅片 铝片铝片 1：1 type lattice 2：1 type lattice （5）同晶置换作用）同晶置换作用(isomo

12、rphic substitution) 定义：定义：在粘土矿物形成的过程中，晶格中的中心离子在粘土矿物形成的过程中，晶格中的中心离子 被大小相近、电性相同的其它离子所代替，而晶架结被大小相近、电性相同的其它离子所代替，而晶架结 构并不发生变化的这种现象。构并不发生变化的这种现象。 在四面体中发生在四面体中发生 Al 3+ 代替代替 Si 4+ 在八面体中常发生在八面体中常发生Fe 2+ Fe 3+ Mg 2+ 代替代替 Al 3+ 结果：晶架结构不变化，产生电荷。主要是低价正离子置换高结果：晶架结构不变化，产生电荷。主要是低价正离子置换高 价离子形成永久负电荷，从而使土壤具有保肥能力。价离子形

13、成永久负电荷，从而使土壤具有保肥能力。 同晶代换的条件：同晶代换的条件： 替代与被替代的离子的大小要相近，替代与被替代的离子的大小要相近，保证晶形不改保证晶形不改 变，如变，如Fe3+半径为半径为0.064 nm，而，而Al3+为为0.057 nm 相近，相近， 替换后不会改变晶形。替换后不会改变晶形。 替代与被替代的离子的电性须相同，替代与被替代的离子的电性须相同，电价可以同价电价可以同价 或不等价，或不等价， 如果同价，则晶形不变，而且晶体内部仍保持电性如果同价，则晶形不变，而且晶体内部仍保持电性 中和。中和。 如果不同价，互换的结果，使晶体带电或正或负。如果不同价，互换的结果，使晶体带电

14、或正或负。 如果被低价阳离子替换，则带负电荷，反之带正电。如果被低价阳离子替换，则带负电荷，反之带正电。 一般现象：晶体中的中心离子被低价离子代替，如一般现象：晶体中的中心离子被低价离子代替，如 Si4+被被Al3+或或Al3+被被Mg2+替换，所以土壤粘土矿物一替换，所以土壤粘土矿物一 般以带负电荷为主。般以带负电荷为主。 同晶替代的结果是晶格中净的负电荷的产生。同晶替代的结果是晶格中净的负电荷的产生。 这种电荷一旦产生就不受环境条件如这种电荷一旦产生就不受环境条件如pH的影响，的影响， 所以称为所以称为永久电荷永久电荷（permanent charge）, 占占 北方土壤电荷的绝大部分。北

15、方土壤电荷的绝大部分。 可变电荷可变电荷（variable charge）：电荷的数量）：电荷的数量 和性质随土壤体系和性质随土壤体系pH的变化而变化，这种电荷的变化而变化，这种电荷 称为可变电荷称为可变电荷。 内表面、外表面和比表面积内表面、外表面和比表面积 Inner surface, outer surface and specific surface area(SSA) 粘土矿物的种类和一般特征：粘土矿物的种类和一般特征： 1、高岭石、高岭石 （1）晶架结构：）晶架结构：1:1型型 （2）非胀缩性，）非胀缩性，5，原因：，原因：Si片顶端全是氧原子，片顶端全是氧原子， 而而Al片中有片

16、中有OH-，则氢氧间形成较强的氢键，使相则氢氧间形成较强的氢键，使相 邻晶层产生较强的氢键。邻晶层产生较强的氢键。 （3）电荷量：）电荷量：较少，因为同晶代换弱，阳离子代换量较少，因为同晶代换弱，阳离子代换量 315cmol/1000g土；土； （4）胶体性质弱：）胶体性质弱：可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性 相对较差。相对较差。 （5）SiO2/R2O3（硅铝铁率）（硅铝铁率）（分子比率）一般为（分子比率）一般为2 高岭石的晶架结构 Crystal structure of Kaolinate 2、蒙脱石、蒙脱石 （1）晶架结构：）晶架结构：2:1型；型； （2）

17、胀缩性：）胀缩性：100，如砂浆黑土；，如砂浆黑土； 原因：原因：Si片全是片全是O2-，通过氧桥则作用力弱，容易胀缩；通过氧桥则作用力弱，容易胀缩； （3）电荷量大，）电荷量大，阳离子交换量阳离子交换量80-120cmol/kg土；土； （4）胶体性质强；）胶体性质强； （5）SiO2/R2O3：4； 3、水云母、水云母 （1）晶架结构：）晶架结构：2:1型；型； （2）非胀缩性，）非胀缩性，原因：硅片为六角网状，而网原因：硅片为六角网状，而网 孔的大小与孔的大小与K 相同，则 相同，则K 陷于网孔中，使 陷于网孔中，使 两层间联系起来，从而增强了连接力，使晶两层间联系起来，从而增强了连接力

18、，使晶 层不易胀缩；层不易胀缩； （3）电荷量较多，）电荷量较多，2040cmol/kg土；土； （4）胶体性质比较强；）胶体性质比较强； （5）SiO2/R2O3：3-4。 2、氧化物类矿物、氧化物类矿物 Various kinds of oxides 主要有铁、铝、锰、硅等的含水氧化物组成。主要有铁、铝、锰、硅等的含水氧化物组成。 （1）结晶质氧化物（）结晶质氧化物（crystalline hydroxides） 长程有序的氧化物长程有序的氧化物 long range ordered oxides（LRO） 三水铝石（三水铝石（gibbsite) 针铁矿针铁矿(goethite) 赤铁矿赤

19、铁矿(hematite) （2）非晶质氧化物或无定型氧化物）非晶质氧化物或无定型氧化物 (noncrystalline hydroxides or amorphous oxides) 短程有序短程有序 的氧化物的氧化物 short range ordered oxide（SRO） 含水氧化物胶体含水氧化物胶体 特点：特点： （1）在南方土壤中含量丰富，北方土壤中很少；）在南方土壤中含量丰富，北方土壤中很少； （2）有晶质和非晶质之分：晶质矿物活性小，比表）有晶质和非晶质之分：晶质矿物活性小，比表 面小，而非晶质则相反；面小，而非晶质则相反； （3）带可变电荷：是土壤和水环境吸附固定含氧酸）带可

20、变电荷：是土壤和水环境吸附固定含氧酸 根阴离子（如根阴离子（如H2PO4-，H2MnO4-等）及重金属微等）及重金属微 量元素的主要载体。量元素的主要载体。 不同水化程度的无定型氧化物，常呈凝胶（不同水化程度的无定型氧化物，常呈凝胶（gel）状，无一）状，无一 定形状和结晶构造，包被于土壤颗粒表面形成胶膜。具很大的定形状和结晶构造，包被于土壤颗粒表面形成胶膜。具很大的 比表面积（比表面积（SSA）和很强的反应活性，带有可变电荷，对土壤）和很强的反应活性，带有可变电荷，对土壤 和水体中重金属几含氧酸根阴离子及有机污染物的吸附固定及和水体中重金属几含氧酸根阴离子及有机污染物的吸附固定及 生物有效性

21、有重要的影响。生物有效性有重要的影响。 Al2O3.nH2O SiO2.nH2O Fe2O3. nH2O Fe(OH) 3. nH2O SiO2. nH2O.Al2O3. nH2O (水铝英石水铝英石, allophane) 水铝英石为火山灰上发育的土壤中富含的呈无定型凝胶状水铝英石为火山灰上发育的土壤中富含的呈无定型凝胶状 胶结物，胶结物，CEC,2050cmol/kg. AEC,530 cmol/kg. （二）有机胶体（二）有机胶体 1、主要成分：、主要成分：各种腐殖质，少量木质素，蛋白质，各种腐殖质，少量木质素，蛋白质， 纤维素等；纤维素等； 2、特点：、特点： （1）与无机胶体有共性，

22、如颗粒极小，具巨大的比）与无机胶体有共性，如颗粒极小，具巨大的比 面和带电；面和带电； （2）由）由C、H、O、N、S、P等组成的高分子有机化等组成的高分子有机化 合物；合物； （3）无定形物质；）无定形物质； （4）高度的亲水性，可以从大气中吸收水分子；）高度的亲水性，可以从大气中吸收水分子； （5）不稳定性，易受微生物的作用而分解。）不稳定性，易受微生物的作用而分解。 （三）有机无机复合体（三）有机无机复合体 1、有机胶体一般很少，绝大部分与无机胶体紧密结合、有机胶体一般很少，绝大部分与无机胶体紧密结合 而形成有机无机复合体，即结合性复合体。而形成有机无机复合体，即结合性复合体。 2、结合

23、力：、结合力：通过二、三价阳离子（台通过二、三价阳离子（台Ca、Mg、Fe、 Al）或功能团（台羧基、醇羟基等）将带负电荷的）或功能团（台羧基、醇羟基等）将带负电荷的 粘粒矿物和腐殖质连接起来。粘粒矿物和腐殖质连接起来。 3、有机胶体主要以薄膜状覆盖于粘粒矿物表面，还可、有机胶体主要以薄膜状覆盖于粘粒矿物表面，还可 进入粘粒矿物晶层间，进入粘粒矿物晶层间，这样可形成良好的团粒结构，这样可形成良好的团粒结构， 改善土壤保肥性能和多种理化性质。改善土壤保肥性能和多种理化性质。 有机胶体有机胶体是土壤中有机分子与矿质胶体复是土壤中有机分子与矿质胶体复 合后产生的胶体。合后产生的胶体。 三、土壤胶体的

24、构造 胶体微粒（分散相）胶体微粒（分散相） 土壤胶体分散系土壤胶体分散系 微粒间溶液（分散介质）微粒间溶液（分散介质） 微粒核微粒核 决定电位离子层（双电层内层）决定电位离子层（双电层内层） 胶体微粒胶体微粒 非活性补偿离子层非活性补偿离子层 双电层双电层 补偿离子（双电层外层）补偿离子（双电层外层） 扩散层扩散层 （二）胶体的构造 Structure of soil colloid （一）微粒核（一）微粒核 微粒核是核心和基本物质微粒核是核心和基本物质 1、组成：、组成：主要由腐殖质，无定形性的主要由腐殖质，无定形性的SiO2、 Al2O3、氧化铁，铝硅酸盐晶体物质，蛋白、氧化铁，铝硅酸盐晶

25、体物质，蛋白 质分子以及有机无机胶体的分子群构成。质分子以及有机无机胶体的分子群构成。 2、表层土壤：、表层土壤：有机无机复合体的形式为主有机无机复合体的形式为主 下层土壤：无机矿物质为主。下层土壤：无机矿物质为主。 （二）双电层（二）双电层 1、定义：、定义：胶体微粒核上的功能团常发生解离而带电，这样溶液胶体微粒核上的功能团常发生解离而带电，这样溶液 中带相反电荷的离子，一方面受胶体表面上电荷的吸引，趋中带相反电荷的离子，一方面受胶体表面上电荷的吸引，趋 向于排列在紧靠胶粒表面，但另一方面，由于热运动，这些向于排列在紧靠胶粒表面，但另一方面，由于热运动，这些 离子又会向远离胶体表面的方向扩散

26、，当静电引力与热扩散离子又会向远离胶体表面的方向扩散，当静电引力与热扩散 平衡时，在带电胶体表面与溶液界面上，形成由一层固相表平衡时，在带电胶体表面与溶液界面上，形成由一层固相表 面电荷和一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布面电荷和一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布 的空间结构称为双电层。的空间结构称为双电层。可分两层：决定电位离子层和补偿可分两层：决定电位离子层和补偿 离子层。离子层。 2 2、决定电位离子层、决定电位离子层 固定在核表面决定其电荷和电位的一层离子。固定在核表面决定其电荷和电位的一层离子。 一般来讲，铝硅酸盐和有机胶体带负电，铁胶体带一般来讲，铝硅酸盐和有机

27、胶体带负电，铁胶体带 正电，而铝胶体是两性的，视环境的正电，而铝胶体是两性的，视环境的pH值而定。值而定。 胶体带电胶体带电就是指该层离子所带的电荷，有正有负，就是指该层离子所带的电荷，有正有负， 带负电的土壤胶体在数量上占优势，所以土壤的净电带负电的土壤胶体在数量上占优势，所以土壤的净电 荷多为净负电荷。荷多为净负电荷。 3 3、补偿离子层、补偿离子层 （1）定义：）定义：指一些电荷的符号与决定电位离子层相反而电量相等指一些电荷的符号与决定电位离子层相反而电量相等 的离子，分布在决定电位离子层的外围。的离子，分布在决定电位离子层的外围。 （2）其吸附力与电荷量成正比，与距离平方成反比，又可分

28、两个其吸附力与电荷量成正比，与距离平方成反比，又可分两个 亚层：亚层： 非活性补偿离子：非活性补偿离子：靠近核表面的决定电位离子层，吸附紧，难靠近核表面的决定电位离子层，吸附紧，难 以解离，无活性，不起交换作用，和微粒核与决定电位离子层以解离，无活性，不起交换作用，和微粒核与决定电位离子层 成为一个整体，常称成为一个整体，常称胶粒胶粒 扩散层：扩散层：分布在非活性补偿离子层以外，被吸附得较松，有较分布在非活性补偿离子层以外，被吸附得较松，有较 大活性，可以和周围环境的离子进行交换，即土壤离子交换作大活性，可以和周围环境的离子进行交换，即土壤离子交换作 用。用。 四、土壤胶体的特性与肥力间的关系

29、四、土壤胶体的特性与肥力间的关系 （一）巨大的表面积和表面能（一）巨大的表面积和表面能(Vast SSA and surface potential) 比表面（比面）指单位重量或单位体积物体的总表面积（比表面（比面）指单位重量或单位体积物体的总表面积（cm2/g， cm2/cm3)。 物体内部的分子受各方向的力是均衡的，而表面上的分子受各物体内部的分子受各方向的力是均衡的，而表面上的分子受各 方向的力是不同的，产生剩余力场，使表面具有很大的方向的力是不同的，产生剩余力场，使表面具有很大的表面能表面能 （surface piotential）。土壤颗粒越小，比表面越大，表面能越。土壤颗粒越小，比

30、表面越大，表面能越 高，吸附能力越强。土壤胶体物质是土壤中最细小的物质，因高，吸附能力越强。土壤胶体物质是土壤中最细小的物质，因 此，有很强的吸附能力，成为养分物质的库（此，有很强的吸附能力，成为养分物质的库（sink）. 正是由于土壤胶体这种巨大的表面积和表面能，能吸附多种土正是由于土壤胶体这种巨大的表面积和表面能，能吸附多种土 壤的养分或其它离子，使其具有保肥、供肥性能。壤的养分或其它离子，使其具有保肥、供肥性能。 (二二)土壤胶体的带电性（土壤胶体的带电性（electrification） 1、永久电荷：、永久电荷：由于同晶替换而在粘粒矿物晶层内部产由于同晶替换而在粘粒矿物晶层内部产 生

31、的电荷，一旦产生即为该矿物永久所有，因此称永生的电荷，一旦产生即为该矿物永久所有，因此称永 久电荷。久电荷。 永久电荷的数量决定于同晶替代的多少，与永久电荷的数量决定于同晶替代的多少，与pH值无值无 关，其中关，其中2:1型粘粒矿物多，而型粘粒矿物多，而1:1型少。型少。 被土壤永久性负电荷所吸附的阳离子是可交换的。被土壤永久性负电荷所吸附的阳离子是可交换的。 带永久电荷和可变电荷，是土壤能够保蓄养分的根本带永久电荷和可变电荷，是土壤能够保蓄养分的根本 原因。原因。 土壤胶体的带电性（特别是带负电性），使土壤胶土壤胶体的带电性（特别是带负电性），使土壤胶 体吸附阳离子等矿质营养。体吸附阳离子等

32、矿质营养。 2、可变电荷：、可变电荷：电荷的数量和性质随介质电荷的数量和性质随介质pH的改的改 变而改变的电荷。变而改变的电荷。 3、电荷零点（、电荷零点（pH0） (point of zero charge) ：土土 壤的可变正负电荷数量相等时的壤的可变正负电荷数量相等时的pH值，或称值，或称 可变电荷零点、等电点。可变电荷零点、等电点。 4、可变电荷产生的原因、可变电荷产生的原因：胶核表面分子或原子团的解离，如：胶核表面分子或原子团的解离，如： A、粘粒矿物晶面上粘粒矿物晶面上-OH基的解离基的解离 pHpH0时，带负电；时，带负电；pHpH0时，带正电。时，带正电。 B、含水铁、铝氧化物

33、的解离，如含水铁、铝氧化物的解离，如Al2O33H2O的的pH0为为4.8 pH4.8, Al2O33H2O Al(OH)2O-+2H+ 负电负电 C、腐殖质上原子团的解离：腐殖质上原子团的解离： pH较高时，较高时，COOH，- -OH解离出解离出H+，负电；，负电； pH低时，低时，-NH2可吸附可吸附H+ 正电。正电。 D、含水氧化硅的解离，含水氧化硅的解离， SiO2H2O的的pH0=2 pH2时，解离带负电，反之带正电。时，解离带负电，反之带正电。 E、粘粒矿物晶电层上的断键。粘粒矿物晶电层上的断键。 （三）胶体的分散与凝聚（三）胶体的分散与凝聚（Dispersion and coa

34、cervation of soil colloids） 1 、分散与凝聚、分散与凝聚 分散：分散：胶体中胶粒间由于带相同电荷而产生排斥，使胶粒均匀分布再土壤胶体中胶粒间由于带相同电荷而产生排斥，使胶粒均匀分布再土壤 溶液中，呈溶胶状态。溶液中，呈溶胶状态。 凝聚：凝聚：当溶胶中加入电解质，解离出电荷并与土壤胶体电荷中和，降低胶当溶胶中加入电解质，解离出电荷并与土壤胶体电荷中和，降低胶 体电性，胶粒间吸引力大于排斥力，导致胶粒相互凝聚而沉降。是分散的体电性，胶粒间吸引力大于排斥力，导致胶粒相互凝聚而沉降。是分散的 逆过程。逆过程。 胶体凝聚和分散的原因：胶体凝聚和分散的原因： 分散：分散：胶体中

35、胶粒间由于带相同电荷而产生排斥，胶体中胶粒间由于带相同电荷而产生排斥， 使胶粒均匀分布在土壤溶液中，呈溶胶状态使胶粒均匀分布在土壤溶液中，呈溶胶状态 凝聚：凝聚：当溶胶中加入电解质，解离出电荷并与土壤当溶胶中加入电解质，解离出电荷并与土壤 胶体电荷中和，降低胶体电性，胶粒间吸引力大胶体电荷中和，降低胶体电性，胶粒间吸引力大 于排斥力，导致胶粒间相互凝聚而沉降，是分散于排斥力，导致胶粒间相互凝聚而沉降，是分散 的逆过程。的逆过程。 促使胶体凝聚或分散的原因，主要决定于电动电位促使胶体凝聚或分散的原因，主要决定于电动电位 的高低。的高低。 2 、影响因素、影响因素 电解质溶液中离子的价态（电解质溶

36、液中离子的价态（valence） 凝聚能力上看，高价大于低价，凝聚能力上看，高价大于低价， 如如Al 3+ Ca2+ K+ 等价离子中，水化弱的离子比水化强是离子更易使胶体凝聚等价离子中，水化弱的离子比水化强是离子更易使胶体凝聚。 Li+ Na+ K+ NH 4+ Rb+ 一价离子的种类一价离子的种类Li+Na K NH4+Rb+ 离子的水化半径（离子的水化半径（nm）1.0080.790.5370.5320.509 离子的真实半径（离子的真实半径（nm）0.0780.0980.1330.430.149 离子在胶体上的吸着力离子在胶体上的吸着力小小 大大 离子对其它离子的代换力离子对其它离子的

37、代换力小小 大大 电解质溶液的浓度（电解质溶液的浓度（concentration of electrolyte solution） 盐析现象（盐析现象（salting -out) 提高电解质溶液的浓度可以促进胶体的凝聚。提高电解质溶液的浓度可以促进胶体的凝聚。 应用实例：应用实例： A 混水的沉净混水的沉净 B 土壤机械分析土壤机械分析 C 盐碱土的物理性盐碱土的物理性 D 有机改土有机改土 E 晒旱地，晒旱地， 烤田，冻垡等农艺技术烤田，冻垡等农艺技术 F 北方石灰性土壤钙丰富，结构好北方石灰性土壤钙丰富，结构好 第二节第二节 土壤的吸收性能（离子交换作用）土壤的吸收性能（离子交换作用） I

38、on exchange reactions in soils 离子交换：土壤胶体上吸附的离子与土壤溶液中的离子交换：土壤胶体上吸附的离子与土壤溶液中的 离子发生相互交换的过程。离子发生相互交换的过程。 阳离子交换反应（阳离子交换反应（cation exchange） 阴离子交换反应阴离子交换反应(anion exchange) 离子的吸附离子的吸附(ion adsorption or sorption) 离子的解吸离子的解吸 (ion desorption) 交换性离子：能够发上离子交换作用的离子。交换性离子：能够发上离子交换作用的离子。 土壤的吸收性能土壤的吸收性能 1、定义：、定义：指土壤

39、吸收和保留土壤溶液中的分子和离指土壤吸收和保留土壤溶液中的分子和离 子、悬液中的悬浮颗粒，气体以及微生物的能力。子、悬液中的悬浮颗粒，气体以及微生物的能力。 2、对土壤肥力和性质的意义、对土壤肥力和性质的意义 （1）与土壤的保肥供肥能力关系密切）与土壤的保肥供肥能力关系密切 （2）影响土壤的酸碱度和缓冲能力等化学性质；）影响土壤的酸碱度和缓冲能力等化学性质； （3）土壤结构性、物理机械性、水热状况等都直接）土壤结构性、物理机械性、水热状况等都直接 或间接与吸收性能有关。或间接与吸收性能有关。 一、土壤吸收性能类型一、土壤吸收性能类型 （一）机械吸收性：（一）机械吸收性： 1、定义：、定义：指土

40、壤对物体的机械阻留。指土壤对物体的机械阻留。 2、影响因素：、影响因素：与土壤质地，结构，松紧度有关。如孔与土壤质地，结构，松紧度有关。如孔 隙过粗，阻留物少，过细造成下渗困难隙过粗，阻留物少，过细造成下渗困难 （二）物理吸收性：（二）物理吸收性： 1、定义：、定义：指土壤对分子态物质的保持能力；指土壤对分子态物质的保持能力； 2、表现现象：、表现现象： 正吸附：养分聚集在胶体表面，其浓度比溶液中大；正吸附：养分聚集在胶体表面，其浓度比溶液中大； 负吸附：胶体表面吸附少，而溶液中浓度大；负吸附：胶体表面吸附少，而溶液中浓度大； 3、作用：、作用：肥料中的有机分子吸附而保留在土壤中。肥料中的有机

41、分子吸附而保留在土壤中。 （三）化学吸附（三）化学吸附 1、定义：、定义：易溶性盐在土壤中转变为难溶性盐而沉淀保存在土壤的过程纯易溶性盐在土壤中转变为难溶性盐而沉淀保存在土壤的过程纯 化学作用为基础。如可溶性磷酸盐固定生成难溶性磷酸铁等。化学作用为基础。如可溶性磷酸盐固定生成难溶性磷酸铁等。 2、作用：、作用：可溶性养分保存下来，减少流失，但降低了对植物的有效性，但有可溶性养分保存下来，减少流失，但降低了对植物的有效性，但有 时有益：时有益：Fe2+H2SFeS，减少毒害。，减少毒害。 （四）物理化学吸收性（四）物理化学吸收性 1、定义：、定义：指土壤中可溶性离子态养分被土壤带电胶体吸收，并与

42、土壤溶液中指土壤中可溶性离子态养分被土壤带电胶体吸收，并与土壤溶液中 的同号电荷离子交换达到动态平衡。以物理吸附为基础，又呈现出化学的同号电荷离子交换达到动态平衡。以物理吸附为基础，又呈现出化学 反应相似的特性，称物理化学吸收或离子交换作用。反应相似的特性，称物理化学吸收或离子交换作用。 2、意义：、意义：有利于土壤的保肥性能。有利于土壤的保肥性能。 （五）生物吸收性：（五）生物吸收性： 1、定义：、定义：指土壤中植物根系和微生物对营养物质的吸收。指土壤中植物根系和微生物对营养物质的吸收。 2、特点：、特点：有选择性和创造性，并具有累积和集中养分的作用，如只有生物吸有选择性和创造性，并具有累积

43、和集中养分的作用，如只有生物吸 收性能吸收硝酸盐。收性能吸收硝酸盐。 二、物理化学吸收性能离子作用二、物理化学吸收性能离子作用 土壤胶体上吸附的离子与土壤溶液中离相互土壤胶体上吸附的离子与土壤溶液中离相互 交换的过程，可分为两类：交换的过程，可分为两类： 阳离子交换作用阳离子交换作用 阴离子交换作用阴离子交换作用 （一）、土壤中的阳离子交换作用（一）、土壤中的阳离子交换作用 1、定义：、定义：土壤胶体上吸附的阳离子与土壤溶液中的土壤胶体上吸附的阳离子与土壤溶液中的 阳离子相互交换的过程。阳离子相互交换的过程。 Ca2+2KCl 2K+ + CaCl2 离子的吸附过程：离子从溶液中转移到胶体上离

44、子的吸附过程：离子从溶液中转移到胶体上 离子的解吸过程：吸附在胶体上的离子转移到溶液离子的解吸过程：吸附在胶体上的离子转移到溶液 中的过程中的过程 2、阳离子交换的特点、阳离子交换的特点 （1）可逆过程（）可逆过程（reversible） 吸附到胶体表面上的离子与溶液达成平衡后，如果溶液的吸附到胶体表面上的离子与溶液达成平衡后，如果溶液的 组成或浓度改变，则胶体上的交换离子就要与溶液中的离子组成或浓度改变，则胶体上的交换离子就要与溶液中的离子 可逆向交换，建立新的平衡。可逆向交换，建立新的平衡。 （2）反应迅速：）反应迅速： 只需几秒钟的时间，原因：只需几秒钟的时间，原因： 反应在胶体表面进行

45、，参加反应离子的数量有限；反应在胶体表面进行，参加反应离子的数量有限； 巨大表面能。巨大表面能。 （3）等当量交换）等当量交换(equivalent exchange) 等量电荷等量电荷对等量电荷的反应对等量电荷的反应 3、阳离子交换能力、阳离子交换能力 （1）定义：）定义：指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换出来的指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换出来的 能力，各种阳离子交换能力大小顺序：能力，各种阳离子交换能力大小顺序： Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+ (2)影响因素：影响因素： 离子的价态离子的价态(valence of cation)：高价离子大于低价离子：高

46、价离子大于低价离子 离子半径和水化程度离子半径和水化程度(ion radium and hydration)：对等价：对等价 离子，离子，离子半径愈大离子半径愈大，水化弱的代换能力强，水化弱的代换能力强 离子的浓度离子的浓度(Concentration)：离子浓度提高时，代换能力：离子浓度提高时，代换能力 提高。提高。 4、阳离子代换量、阳离子代换量(CEC， cation exchange capacity) (1)定义：定义：在一定在一定pH下，每下，每1000g干土所能吸附的全部交换性干土所能吸附的全部交换性 阳离子的厘摩尔数（阳离子的厘摩尔数（cmol/kg = me/1000g），可

47、作为土壤保肥），可作为土壤保肥 力的指标。力的指标。 (2) 实际意义：实际意义： 反映土壤保肥供肥能力的高低。反映土壤保肥供肥能力的高低。 CEC 20 1020 壤质土（壤质土（5-15）砂质土（砂质土（3-5） 土壤土壤pH（影响可变电荷数量和符号）影响可变电荷数量和符号） pH升高，升高，CEC升高。升高。 5、盐基饱和度（、盐基饱和度（ base saturation， BS%） (1) 概念：土壤中交换性阳离子分两类概念：土壤中交换性阳离子分两类 盐基离子：钙、镁、钾、钠、铵等离子盐基离子：钙、镁、钾、钠、铵等离子 致酸离子：氢、铝离子致酸离子：氢、铝离子 则土壤盐基饱和度为交换性

48、盐基离子总量则土壤盐基饱和度为交换性盐基离子总量cmol/kg占阳离子交换量占阳离子交换量 cmol/kg的百分数的百分数 盐基离子总量盐基离子总量 BS% = 100 CEC 盐基不饱和度盐基不饱和度%= 1 - BS% （2）盐基饱和土壤：）盐基饱和土壤：被盐基离子饱和的土壤，中性或碱性。被盐基离子饱和的土壤，中性或碱性。 盐基不饱和土壤：盐基不饱和土壤：含有较多氢、铝离子的土壤。含有较多氢、铝离子的土壤。 （3）意义）意义 盐基饱和度与土壤的酸碱性关系密切，基本上决定着土壤的盐基饱和度与土壤的酸碱性关系密切，基本上决定着土壤的 酸碱性，酸碱性，一般而言，盐基饱和度大的土壤中呈中性或碱性；

49、一般而言，盐基饱和度大的土壤中呈中性或碱性； 饱和度小的土壤呈酸性。饱和度小的土壤呈酸性。 反映土壤养分状况反映土壤养分状况：一般说：一般说BS 越高，土壤养分越丰富越高，土壤养分越丰富。 一般北方土壤为饱和的，而南方土壤多为不饱和土壤。具体盐一般北方土壤为饱和的，而南方土壤多为不饱和土壤。具体盐 基饱和度自西北、华北往东南和华南逐渐减小的趋势，这与基饱和度自西北、华北往东南和华南逐渐减小的趋势，这与 土壤酸碱性的分布基本上一致。土壤酸碱性的分布基本上一致。 6、交换性阳离子养分的有效性、交换性阳离子养分的有效性(Availability of exchangeable cations) （1

50、） 离子饱和度离子饱和度 (ion saturation) 离子饱和度：离子饱和度：指某种离子的数量与阳离子代换量（指某种离子的数量与阳离子代换量（CEC）的百）的百 分比值。分比值。 了解某种离子的有效性，了解某种离子的有效性，不仅要看其绝对数量，而且更重要不仅要看其绝对数量，而且更重要 的是其饱和度，即相对数量多少。的是其饱和度，即相对数量多少。 离子饱和度越高，该离子与胶体的结合能越低，被代换到土离子饱和度越高，该离子与胶体的结合能越低，被代换到土 壤溶液中的机会越高，该离子的有效性越高。壤溶液中的机会越高，该离子的有效性越高。 例：例： 土壤土壤 交换性交换性(cmol/kg) CEC

51、(cmol/kg) 钙饱和度钙饱和度(%) 有效性有效性 甲甲 8 10 80 高高 乙乙 8 24 30 低低 离子饱和度效应的实际意义离子饱和度效应的实际意义 集中施肥集中施肥(centralized fertilization)，“穴施、条施、点施穴施、条施、点施”。 化肥施用化肥施用“施肥一大片，不如施肥一条线；施肥一条线，施肥一大片，不如施肥一条线；施肥一条线， 不如施肥一个蛋不如施肥一个蛋”。 指导砂、粘不同质地土壤的肥料运筹指导砂、粘不同质地土壤的肥料运筹。 砂质土砂质土：肥效快而猛。一般少量多次，少食多餐，基、追：肥效快而猛。一般少量多次，少食多餐，基、追 并用；前后并重，注意

52、防止脱肥。并用；前后并重，注意防止脱肥。“少施一把草，多施少施一把草，多施 一片倒。一片倒。” 粘质土：粘质土：肥效慢而稳。一般少次多施，多食少餐，前重后肥效慢而稳。一般少次多施，多食少餐，前重后 轻。注意防止贪青晚熟。轻。注意防止贪青晚熟。 （2）陪补离子效应（）陪补离子效应（complementary ion effect） 土壤胶体上同时吸附有多种交换性阳离子，对某种离子来土壤胶体上同时吸附有多种交换性阳离子，对某种离子来 说，其它离子都是它的陪补离子。说，其它离子都是它的陪补离子。一般说，某种离子的陪补离一般说，某种离子的陪补离 子与土壤胶体间的吸附力越强，即代换能力越强，则其越能提子

53、与土壤胶体间的吸附力越强，即代换能力越强，则其越能提 高该种离子的有效度，反之，则越能抑制该离子的有效性。高该种离子的有效度，反之，则越能抑制该离子的有效性。 抑制顺序：抑制顺序：Na+K+Mg2+ Ca2+H+Al3+ (3) 粘土矿物类型与交换性阳离子的有效性（阳离子的非交换性粘土矿物类型与交换性阳离子的有效性（阳离子的非交换性 吸收）吸收） 各类粘土矿物的结晶构造不同，负电性不同，对阳离子吸各类粘土矿物的结晶构造不同，负电性不同，对阳离子吸 附的牢固程度也不同。附的牢固程度也不同。 在一定的饱和度范围内，在一定的饱和度范围内，蒙脱石蒙脱石由于具有巨大的内表面、由于具有巨大的内表面、 表面

54、能和负电荷，吸附的许多离子是在层间，因而对阳离子养表面能和负电荷，吸附的许多离子是在层间，因而对阳离子养 分的吸附力强，有效性差。分的吸附力强，有效性差。 而而高岭石高岭石负电性弱，并且吸附的离子是在晶层外表面，因负电性弱，并且吸附的离子是在晶层外表面，因 而吸附离子的有效性较高。而吸附离子的有效性较高。 二、土壤对阴离子的吸附二、土壤对阴离子的吸附 1、交换性吸附：、交换性吸附：带正电荷胶体吸附阴离子，与阳离子交换反应相带正电荷胶体吸附阴离子，与阳离子交换反应相 似似, 主要是主要是 硝酸根硝酸根 和和氯离子氯离子发生这种电性吸附。其它阴离子发生发生这种电性吸附。其它阴离子发生 的吸附反应很

55、复杂。的吸附反应很复杂。 2、阴离子吸附类型、阴离子吸附类型 （1）易于被土壤吸附的阴离子）易于被土壤吸附的阴离子，如磷酸根，如磷酸根(H2PO4-、HPO42-)、硅、硅 酸根（酸根（HSiO3-)等；等； （2）很少或根本不被吸附的阴离子，）很少或根本不被吸附的阴离子，如如Cl-、NO3-、NO2-极易随极易随 水流失；水流失； （3）介于上述两者之间的阴离子，）介于上述两者之间的阴离子，如如SO42-、CO32-、HCO32-等等 3、影响土壤对阴离子吸收的因素、影响土壤对阴离子吸收的因素 （1）阴离子的价数：）阴离子的价数：价数愈大，吸收力愈强价数愈大，吸收力愈强 （2）胶体组成成分：

56、）胶体组成成分：随其中铁、铝氧化物增多随其中铁、铝氧化物增多, 土壤吸收能力增大；土壤吸收能力增大； （3）土壤）土壤pH值：值：酸性愈强土壤胶体吸收阴离子酸性愈强土壤胶体吸收阴离子 能力愈强。能力愈强。 第三节第三节 土壤酸碱性（土壤反应）土壤酸碱性（土壤反应） SOIL REACTIONS 土壤反应的概念土壤反应的概念 国际土壤学中，国际土壤学中，土壤反应主要是指土壤的酸碱性土壤反应主要是指土壤的酸碱性。 土壤反应：土壤反应：指土壤溶液的反应呈酸性、中性或碱性的程度。指土壤溶液的反应呈酸性、中性或碱性的程度。 土壤反应取决于土壤中氢离子和羟基的活度比例。通常可土壤反应取决于土壤中氢离子和羟

57、基的活度比例。通常可 用土壤酸度和土壤碱度两种指标来反映土壤反应。用土壤酸度和土壤碱度两种指标来反映土壤反应。 一、土壤酸度（一、土壤酸度（soil acidity） 1、相关因素、相关因素 （1）H+浓度浓度 （2）土壤胶体上吸附的致酸离子）土壤胶体上吸附的致酸离子H+或或Al3+ 2、土壤酸的来源、土壤酸的来源 胶体上吸附的胶体上吸附的H+或或Al3+ CO2溶于水中所形成的碳酸溶于水中所形成的碳酸 有机质分解产生的有机酸有机质分解产生的有机酸 氧化作用产生无机酸氧化作用产生无机酸 施肥加入的酸性物质施肥加入的酸性物质 植物根系分泌各种小分子有机酸、质子等。植物根系分泌各种小分子有机酸、质子等。 二、土壤酸度及其类型二、土壤酸度及其类型 (一）活性酸度（一）活性酸度（active acidity） 1、定义：、定义：土壤溶液土壤溶液中氢离子的活度直接反映的酸度。中氢离子的活度直接反映的酸度。 常用常用pH来表示：是土壤酸碱性的来表示：是土壤酸碱性的强度指标强度指标。 可根据可根据pH值将土壤酸碱性分为