土壤胶体与土壤吸收性能

第四章

土壤胶体和土壤吸收性能土壤胶体是土壤中最活跃的部分，对土壤肥力有深刻的影响。土壤胶体及其特性土壤的交换吸收性能2021/10/10星期日1第一节、土壤胶体及其特性2021/10/10星期日2一、土壤胶体的概念（一）胶体的概念---一种或数种物质的微小颗粒均匀地分散于另一种物质中，便构成分散体系。均匀分散的颗粒称为分散相颗粒。---分散相颗粒的粒径在1-100nm（毫微米）范围的分散相体系，称为胶体分散体系，其中的分散相颗粒就是胶体颗粒。2021/10/10星期日3土壤胶体一般指土壤粘粒，其粒径在1-2微米之间（1000-2000毫微米）。比一般规定的胶体粒级大10-20倍。严格说来，土壤胶体是一种准胶体。2021/10/10星期日4二、土壤胶体的特性（一）具有巨大的比表面和表面积

---内表面：指膨胀性粘土矿物的晶层表面和腐植质分子聚集体内部的表面。

---外表面：指粘土矿物、氧化物和腐植质分子暴露在外的表面。

2021/10/10星期日5土壤常见粘粒矿物的比表面积（m2/g）胶体成分内表面积外表面积总表面积蒙脱石蛭石水云母高岭石埃洛石水化埃洛石水铝英石700-750400-7500-500400130-40015-1501-5090-1505-4010-4525-30130-400700-850400-80090-1505-4010-45430260-8002021/10/10星期日6（二）土壤胶体的带电性土壤胶体所带的电荷可以分为两类：永久电荷：指由于层状硅酸盐矿物晶格中的同晶替代作用所产生的剩余负电荷。这种负电荷不受介质pH值的影响。可变负电荷：指随介质pH的变化而变化的负电荷。有机胶体、氧化物胶体的电荷属于可变电荷，层状硅酸盐矿物的电荷既有永久电荷，也有可变电荷。2021/10/10星期日7（三）胶体的分散性和凝聚性胶体有两种状态：溶胶状态：胶粒带同种电荷，彼此互相排斥，所以可以稳定地分散在介质中。凝聚状态：胶粒与胶粒之间互相凝聚在一起形成絮状或无定形沉淀。2021/10/10星期日8（四）土壤胶体的吸收代换性带电荷的土壤胶体会吸附土壤溶液中的带相反电荷的离子，以补偿胶体电性的不平衡。一部分被吸附的离子，可以和土壤溶液中的离子进行交换。这种现象就称为土壤胶体的吸收交换性能。2021/10/10星期日9三、土壤胶体的类型及其电荷特征土壤胶体可以分成三大类：无机胶体、有机胶体和有机--无机复合胶体。2021/10/10星期日10（一）土壤无机胶体

无机胶体存在土壤粘粒之中，包括：层状（铝）硅酸盐矿物含水氧化硅胶体；含水氧化铁、铝胶体；水铝英石；2021/10/10星期日111、层状硅酸盐矿物（1）基本结构单位

A、硅氧四面体和铝氧八面体

硅氧四面体由一个硅原子和四个氧原子组成，硅原子位于中央，氧原子占据四个顶点。

铝氧八面体由一个铝原子和八个氧原子组成，铝原子位于中央，氧原子占据八个顶点。2021/10/10星期日12硅氧四面体结构示意图2021/10/10星期日13铝氧八面体结构示意图2021/10/10星期日14B、硅氧片和水铝片硅氧四面体和硅氧四面体之间通过共用氧原子互相联结就形成了硅氧片。每六个硅氧四面体相连就形成一个六边形网孔。铝氧八面体与铝氧八面体通过共用氧原子互相连接就形成了水铝片。硅氧片与铝氧片（水铝片）称为基本晶片。晶片与晶片按一定方式堆叠就形成了粘土矿物的晶层。2021/10/10星期日15硅氧四面体互相联结示意图2021/10/10星期日16硅氧四面体联结成硅氧片,在平面上形成六角形网眼2021/10/10星期日17（2）主要的层状铝硅酸盐矿物高岭石：单位晶层由一层硅氧片和一层铝氧片构成。故称1：1型矿物。晶层之间以氢键连接，联结力强。塑性、粘结性、粘着性、膨胀性很弱。对水和阳离子的吸附力弱，CEC=3-15cmol(+)/kg。主要存在于风化程度较高的土壤中。2021/10/10星期日18硅酸盐矿物的一般结构示意图2021/10/10星期日19高岭石结构示意图2021/10/10星期日20高岭石结构示意图2021/10/10星期日21

蒙脱石：两层硅氧片中间夹一层铝氧片构成蒙脱石晶层。2：1型矿物。晶层之间通过键相连，联结力弱。胀缩性、粘结性、可塑性很强。对水和阳离子的吸附力强，CEC=60-100Cmol(+)/kg。主要存在于风化度低的土壤中。2021/10/10星期日22蛭石与蒙皂石结构示意图2021/10/10星期日23蒙托石结构示意图2021/10/10星期日24

蛭石：2：1型矿物，晶层结构与蒙脱石相似。同晶替代比蒙脱石普遍。阳离子交换量比蒙脱石高，CEC可达150Cmol(+)/kg.膨胀性小于蒙脱石，但高于高岭石。2021/10/10星期日25蛭石结构示意图2021/10/10星期日26

水云母：2：1型矿物，单位晶层与蒙脱石相似。晶层与晶层之间由K+离子联结，联结力比氧键大。水化度、膨胀性、粘结性、可塑性和CEC都低于蒙脱石，但高于高岭石。2021/10/10星期日27云母结构示意图2021/10/10星期日28水云母结构示意图2021/10/10星期日29

绿泥石：单位晶层由一层水云母状晶层和一层水镁片[Mg(OH)2]构成，称2:1:1型或2:2型矿物。晶层与晶层之间通过静电引力联结，故不具有膨胀性。绿泥石的性质与水云母相近。2021/10/10星期日30绿泥石结构示意图2021/10/10星期日31绿泥石结构示意图2021/10/10星期日322、含水氧化硅胶体成分为SiO2.H2O（H2SiO3）.外层硅酸分子会发生解离，从而带负电；土壤溶液越碱，负电荷越多。2021/10/10星期日333、含水氧化铁、铝胶体包括褐铁矿、水赤铁矿、针铁矿、水铝石、三水铝石等晶质或非晶质物质。当土壤溶液的pH低于这些物质的等电点时，它们带正电荷；当土壤溶液的pH高于这些物质的等电点时，它们带负电荷；2021/10/10星期日344、水铝英石非晶质物质；成分是含水的硅铝二三氧化物；两性胶体；主要存在于火山灰发育的土壤中。2021/10/10星期日35（二）土壤有机胶体土壤有机胶体主要指腐植质。腐植质胶体由各种腐植酸的分子团所组成。胶体表面的基团在pH升高时带负电荷，pH降低时带正电荷。有机胶体会被微生物分解。2021/10/10星期日36（三）有机-无机复合胶体由有机胶体与无机胶体互相结合而形成的复合胶体。在土壤中，有机胶体和无机胶很少独立存在，大部分是以有机-无机复合胶体的形式存在的。2021/10/10星期日37第二节、土壤的交换吸附性能2021/10/10星期日38一、土壤阳离子交换吸附作用土壤中带负电荷的胶体所吸附的阳离子，在静电引力、离子本身的热运动或浓度梯度的作用下，可以和土壤溶液或其它胶体表面的阳离子进行交换。这种作用就称为阳离子交换作用。这种能互相交换的阳离子就称为交换性阳离子。2021/10/10星期日39离子从溶液转移到胶体表面的过程，称为离子的吸附过程。吸附的离子从胶体表面转移到溶液去的过程，称为离子的解吸过程。2021/10/10星期日40（一）阳离子交换量在一定的pH值条件下，土壤所含有的交换性阳离子的最大量，就称为土壤的阳离子交换量，简称CEC。测定CEC时通常将土壤pH控制为7，但有的方法也有例外。CEC的表示单位是是每公斤土壤交换性阳离子的厘摩尔数，Cmol(+)/kg.(me/100g)2021/10/10星期日41影响阳离子交换量的主要因素有：（1）质地：质地越细，CEC越高；（2）有机质：有机质含量高，CEC也高；（3）无机胶体种类：蒙脱石>水云母>高岭石>氧化铁、铝（4）土壤酸碱度：pH高，CEC也高。2021/10/10星期日42（二）盐基饱和度

盐基离子:K+,Na+,Ca2+,Mg2+,吸附的NH4+阳离子致酸离子:Al3+,H+土壤中盐基离子占交换性阳离子总量的百分率,称为盐基饱和度.2021/10/10星期日43一般说来，酸性土壤的盐基饱和度较低，而碱性土壤的盐基饱和度较高。肥沃的土壤应该具有较高的盐基饱和度。2021/10/10星期日44二、土壤的阴离子吸收作用（一）阴离子吸收的机制1、静电吸附：土壤带正电荷的胶体表面对阴离子的吸附。以这种机制被吸附的阴离子，具有交换性。如：Cl-，NO3-的吸附2021/10/10星期日452、配位体交换吸附指阴离子取代氧化物表面羟基而被吸附的过程。这种吸附属于专性吸附。能发生这种交换作用的阴离子主要有F-和含氧酸根离子。可以发生在正电、负电或中性胶体表面。2021/10/10星期日463、化学沉淀作用：指阴离子与土壤矿物质形成沉淀的过程。如磷酸根与铁、铝的沉淀。2021/10/10星期日47阴离子的吸收强度取决于土壤的胶体类型和土壤pH。氧化物和1：1型矿物含量越高，pH越低，阴离子吸收越强烈。2021/10/10星期日48（二）阴离子的吸收强度1、被土壤强烈吸收的阴离子：磷酸根、硅酸根和若干有机酸根(C2O42-)。这类阴在土壤中常形成难溶沉淀。2、吸附很弱或产生负吸附的阴离子：所谓负吸附，指阴离子在土壤胶体表面的浓度低于土壤溶液中的浓度的现象。实际上指土壤胶体对阴离子的排斥现象。2021/10/10星期日49土壤对Cl-，NO3-的吸附通常较弱或产生负吸附。2021/10/10星期日503、中间类型的阴离子：指吸收强度介于上述两种的阴离子。如：SO42-，CO32-等。2021/10/10星期日51常见阴离子被土壤吸收的难易顺序：

F->草酸根>柠檬酸根>H2PO4->HCO3->H2BO3->CH3COO->SCN->SO42->Cl->NO3-

硝酸根容易被淋失，而磷酸根容易被固定。这是农业生产上十分需要注意的问题。2021/10/10星期日52第六章土壤养分土壤氮素土壤磷素土壤钾素2021/10/10星期日53高等植物所必需的营养元素，除C，H，O主要来自大气之外，其余元素主要靠土壤供应，包括：大量元素：N，P，K，Ca，Mg，S

微量元素：Fe，Mn，Cu，Zn，Mo，B

所谓土壤养分，就是指这些主要靠土壤提供的植物必需营养元素。2021/10/10星期日54土壤养分的存在形态水溶态：溶解于土壤溶液中的养分，有效性很高，很容易被作物吸收。交换态：被吸附于土壤胶体上的养分离子，有效性高。缓效态：存在于某些矿物中，如固定于矿物中的K，有效性较低。难溶态：存在于土壤矿物中的养分，难溶解，难被利用，基本无效。有机态：主要存在于有机质和微生物中的养分，经过转化以后，才能被吸收。2021/10/10星期日552021/10/10星期日56第一节、土壤氮素一、土壤氮素的形态和含量（一）形态1、有机态2、无机态2021/10/10星期日57有机态氮是土壤氮素的主要形态，约占土壤全氮量的95%以上；按溶解度和水解的难易程度有可以分为三种：（1）水溶性有机态N：〈5%，易水解称为速效N；（2）水解性有机N：50-70%，可以被酸、碱、酶水解成为可溶性或无机态N。（3）非水解性有机N：〉30%，不溶于水，也不能被酸、碱、酶水解。2021/10/10星期日58无机态N一般只占土壤全N的1-2%，最多不超过5-8%。主要是NH4+，NO3-，可以直接被作物吸收利用2021/10/10星期日59（二）含量土壤全N量与土壤有机质有显著的相关性，全N一般占有机质含量的5%左右。除少数土壤外，我国大部分土壤全N含量大都在0.2%以下。2021/10/10星期日60二、土壤氮素的转化三种主要转化过程：--有机N的矿化作用；--脱N作用；--氮素的固定作用。2021/10/10星期日61（一）土壤有机N的矿化作用包括氨基化、氨化和硝化等三个步骤。以蛋白质为例：（1）氨基化作用：蛋白质水解成为肽，最后变为氨基酸的过程。（2）氨化作用：氨基酸进一步分解成为NH3的过程。（3）硝化作用：氨在亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用下，氧化成为硝酸的过程。2021/10/10星期日62（二）土壤的脱N作用指土壤氮素从土壤中损失的过程，包括反硝化作用、硝酸盐的淋失、氨的挥发等过程。2021/10/10星期日631、反硝化作用指土壤中的硝酸盐，在反硝化细菌的作用下，最后还原成为氧化二氮等气体逸失的过程2HNO32HNO2N2ON2

2NO2021/10/10星期日64反硝化作用是土壤氮素损失的主要途径，应设法加以控制。影响反硝化作用的主要土壤条件有：（1）氧的供应：通气性越差，反硝化作用越强烈。（2）土壤反应：强烈影响反硝化作用的速率，最佳：7.5-8（3）温度：最适30-35°C（4）有机质：含量高，反硝化作用强。2021/10/10星期日652、硝酸盐淋失NO3-易溶于水，又难以被土壤胶体吸附，所以容易随渗漏水淋失这是土壤氮素引起地下水硝酸盐污染的主要途径。2021/10/10星期日663、氨的挥发土壤中的NH3，NH4+与土壤中的碱性物质作用形成的NH3的挥发；挥发性铵肥（氨水、碳酸氢铵等）自身分解产生NH3挥发；质地粘重、腐植质含量高、含水量高、石灰和碱性物质含量少的土壤，氨的挥发少。2021/10/10星期日67(三)氮素的固定作用通过矿物的、生物的或化学的作用将土壤氮素固定为暂时不能被植物利用的状态的过程，称为氮素的固定过程。包括微生物对氮素的同化作用、2：1型矿物对NH4+的晶格固定作用、以及土壤某些有机质与亚硝酸反应而产生的化学固定作用。这种作用是暂时的，在适合的条件下，可以重新释放。2021/10/10星期日68三、影响土壤有效N的因素有机质含量和全氮含量质地温度湿度酸度施肥2021/10/10星期日691、有机质含量和全氮含量

2、质地

3、温度

4、湿度

5、酸度

6、施肥2021/10/10星期日701、有机质含量与全氮量有机N是土壤全N的主要来源，有效N随土壤全N和有机质含量的升高而升高；2021/10/10星期日712、质地粘质土壤有机质含量高，但有机质的分解较慢，所产生的有效N也较少。砂质土壤有机含量较低，但有机质的分解较快，所产生的有效N较多。2021/10/10星期日723、温度有机质矿化率随温度的升高而升高。冬季土温低，有机质矿化率较低，土壤有效N较少。春季和初夏，矿化率迅速上升，土壤有效N显著升高。2021/10/10星期日734、湿度湿度太高，有机质嫌气分解；在通气良好而适度适当的情况下，有机质矿化作用较强，产生的有效N较多。湿度太高会引起反硝化作用，导致N的损失。2021/10/10星期日745、酸度在中性或微酸性的土壤中，有机N的矿化最强。酸性土壤施用石灰，能明显增加有机N的矿化。2021/10/10星期日756、施肥施用化肥会促进有机质的分解，有利于有机N的释放，还能提高土壤N的利用率。施用新鲜有机肥料，会促进难分解有机N的矿化。2021/10/10星期日76第二节、土壤磷素一、形态与含量（一）形态1、有机磷2、无机磷2021/10/10星期日771、有机磷土壤有机磷占全磷的比例变异很大，从<10%到80%。有机磷主要包括核酸类、植素类、和磷脂类。有机磷经过水解后可以被植物吸收利用。2021/10/10星期日782、无机磷可以分为三类：---磷酸钙（镁）化合物---磷酸铁（铝）化合物---闭蓄态磷2021/10/10星期日79（1）磷酸钙（镁）化合物（Ca-P）主要存在于石灰性、中性或微酸性的土壤中；这些化合物是（依溶解度大小）：氟磷灰石羟基磷灰石磷酸八钙磷酸三钙磷酸二钙：弱酸溶性，可利用磷酸一钙：水溶性，可利用2021/10/10星期日80（2）磷酸铁、铝化合物

（Fe-P，Al-P）存在于酸性和强酸性的土壤中磷酸铁多于磷酸铝2021/10/10星期日81（3）闭蓄态磷（O-P）被氧化铁胶膜包被的磷酸盐，称为闭蓄态磷。在氧化铁胶膜未去除之前，磷酸盐难以被利用；在淹水还原的条件下，氧化铁胶膜因还原而溶解，其中的磷有效性提高。2021/10/10星期日82闭蓄态磷在红壤中居多，有的可占无机磷的90%以上。南方水稻土中的闭蓄态磷约占无机磷的40-70%。2021/10/10星期日83（二）含量我国土壤全磷含量一般在0.02-0.11%（P）之间。我国土壤全磷含量从南到北逐渐增高，砖红壤的全磷量小于0.004%。全磷含量与磷的有效性之间没有必然联系。全磷含量高，不等于有效磷含量也高。2021/10/10星期日84二、土壤的固磷作用及其机制目前我国一般作物对化学磷肥的利用率不到30%，最重要的原因是因为土壤对磷具有强大的固磷能力。将土壤可溶性或速效磷转变成为不溶或缓效态磷的过程，称为磷的固定作用。土壤对磷的固定作用主要有四种：化学沉淀机制、表面反应机制、闭蓄机制、生物固定机制。2021/10/10星期日851、化学沉淀机制游离磷酸根与Fe2+、Al3+、Ca2+等离子及其氧化物和氢氧化物形成磷酸铁、铝、钙等沉淀的过程。

如：Fe3++H2PO4-+2H2O=2H++Fe(OH)2H2PO42021/10/10星期日862、表面反应机制在酸性条件下，H2PO4-与土壤固相表面的OH发生配位体交换反应而被吸附。但与这种方式而被吸附的磷酸根在碱性条件下仍然是有效的。2021/10/10星期日873、闭蓄机制指土壤磷酸盐被不溶性的铁（铝）质或钙质胶膜包被而失去有效性的过程。胶膜的溶解度低于磷酸盐。2021/10/10星期日884、生物固定机制指土壤中的有效磷被微生物吸收利用，暂时失去有效性的过程。当有机质分解后，磷又可以重新释放出来。2021/10/10星期日89三、影响磷素有效性的因素固磷强度低，有效性高。主要影响因素：pH值有机质Eh值土壤温度土壤矿质胶体性质2021/10/10星期日901、pH在酸性或碱性条件下，磷都遭受强烈的固定。pH6-7之间，土壤磷有效性最高。2021/10/10星期日912、有机质有机质分解产物可以络合铁、铝等金属，使被固定的P溶解出来有机质含量高，土壤磷有效性也高2021/10/10星期日923、土壤Eh淹水种稻，Eh降低，磷的有效性高；但淹水对磷酸钙的溶解度的影响不明显。2021/10/10星期日934、土壤温度温度升高，有机P分解加快，有效P升高2021/10/10星期日945、土壤矿质胶体的性质无定形氧化物>结晶氧化物>1:1型粘土矿物>2:1型粘土矿物2021/10/10星期日95第三节、土壤K素2021/10/10星期日96一、形态和含量（一）含量土壤K的含量比N，P高。我国多数土壤全K含量变