05第五章土壤胶体与土壤吸收性能.ppt

1、第五章 土壤胶体与土壤吸收性能,诸葛玉平制作,2,第五章 土壤胶体与土壤吸收性能,第一节 土壤胶体的概念与基本性质 一、土壤胶体的概念与作用 二、土壤胶体的基本性质 第二节 土壤的吸收性能 一、土壤吸收性能的类型 二、土壤对阳离子的吸附与交换 三、土壤对阴离子的吸附与交换 要点：土壤胶体的概念、类型、作用，土壤胶体的基本性质，阳离子交换与吸附、阳离子交换量、盐基饱和度的概念，土壤对阳离子、阴离子的吸附作用及其意义。,诸葛玉平制作,3,第一节 土壤胶体的概念与基本性质,土壤胶体的组成和性质：对结构性、吸收性、酸碱性、缓冲性和胀缩性的影响。 与土壤肥力密切相关 土壤胶体的形成过程也能反映了土壤的形

2、成过程 。 土壤表面电荷和表面积是土壤具有肥力、对污染物有一定自净作用和环境容量的基本原因。 一、土壤胶体的概念与作用 二、土壤胶体的基本性质,诸葛玉平制作,4,一、土壤胶体的概念与作用,（一）胶体和土壤胶体的概念 分散系：由一种物质（几种物质）以粒子形式分散到另一种物质里所形成的混合物。 分散质：分散系中分散成粒子的物质。 分散剂：分散系中的粒子分散在其中的物质。 胶体概念：分散质粒子在1nm-100nm之间的分散系叫胶体。 把土壤固相颗粒作为分散相，而把土壤溶液和土壤空气看作分散介质。土壤胶体（soil colloid）是细小土粒分散在土壤溶液和土壤空气中形成的分散系统。直径在11000n

3、m之间的土粒都可归属于土壤胶粒的范围,诸葛玉平制作,5,（二）土壤胶体的种类,1.无机胶体 又称矿质胶体，指土壤矿物中的细分散颗粒，比表面大，并带电荷，具有胶体特性。 主要包括成分较为简单的含水氧化铁、氧化铝、氧化硅等胶体物质和成分较为复杂的次生层状铝硅酸盐类粘土矿物。 通常用土壤中粘粒（d0.001mm）的含量来反映土壤无机胶体的数量。,诸葛玉平制作,6,（1）含水氧化物 ：主要包括水化程度不等的铁、铝、硅的氧化物。 1）含水氧化硅 是一种非晶质的凝胶，其化学式为SiO2nH2O或写成H2SiO3。 2）含水氧化铁胶膜、颗粒、络合物或者被吸附在粘土矿物表面。褐铁矿 2Fe2O33H2O针铁矿

4、Fe2O3H2O多水针铁矿3Fe2O34H2O一水赤铁矿3Fe2O3H2O等。 3）含水氧化铝 主要有水铝石Ai2O3H2O和三水铝石Al2O33H2O等，也是两性胶体，其电性决定于溶液的酸碱性。,诸葛玉平制作,7,（2）粘土矿物胶体 最主要的有高岭石、伊利石、蒙脱石，还有蛭石、绿泥石、水铝英石等，颗粒细小，呈片状，有巨大的表面积。 高岭石 化学式为Al2Si3O5（OH）4或Al2O32SiO22H2O，是矿物强烈风化作用下的产物 伊利石（水化云母） 是云母分解向蛭石和蒙脱石过渡的中间产物。是干旱、半干旱地区土壤中的主要粘土矿物 蒙脱石 是由基性火成岩在微碱性环境下风化而成。,诸葛玉平制作,

5、8,2.有机胶体 土壤中的有机物质，尤其是腐殖质（胡敏酸、富啡酸、胡敏素等），是土壤中含有的一类分子量大、结构复杂的高分子化合物，具有明显的胶体性质，故称之为土壤有机胶体。 土壤腐殖质是土壤有机胶体的主体，此外，还有少量的蛋白质、多肽、氨基酸以及木质素、纤维素等高分子化合物 土壤中还有大量的微生物，它们本身也具有胶体性质，是一种生物胶体,诸葛玉平制作,9,3.有机一无机复合胶体 土壤中有机胶体和无机胶体通过物理、化学或物理化学的作用，相互结合在一起形成有机一无机复合体（organo-mineral complex）。 结合方式：通过Ca2、Mg2、Fe3、Al3或功能团（如羧基、醇基等）将带负

6、电荷的粘粒矿物与腐殖质连接起来；有机胶体主要以薄膜状紧密覆盖于粘粒矿物的表面上，还可能进入粘粒矿物的晶层之间。 通常牢固程度分为水散微团聚体、钠分散微团聚体和钠质机械分散团聚体三组。 一般把土壤的有机无机复合体中含碳量占土壤总碳量的百分数称为有机无机复合度，作为衡量土壤有机无机复合体的数量指标。 土壤的肥沃程度同有机胶体与无机胶体的复合程度有关，有机胶体与无机胶体结合得愈紧密则土壤愈肥沃。,诸葛玉平制作,10,（一）胶体构造,（三）土壤胶体的构造,诸葛玉平制作,11,土壤胶体的构造,+,诸葛玉平制作,12,1.微粒核（胶核） 胶核是胶体微粒的核心物质，主要由腐殖质、无定形的SiO2、Al2O3

7、、Fe2O3、铝硅酸盐矿物、蛋白质分子以及有机无机复合胶体的分子群组成。在表层土壤中，它们以有机无机复合胶体的形式为主，而在下层土壤中则以无机矿物质为主。,诸葛玉平制作,13,2.双电层 胶核表面的一层分子通常解离成离子，形成符号相反而电量相等的两层电荷，同时，由于静电引力的作用，胶核可以吸附周围溶液中反号电荷离子而形成两层离子层，这样就构成了双电层。 胶核表面的电荷数量和密度对外层反号离子的多少及两层电荷间电位具有决定作用，故称之为决定电位离子层。 外层电荷（离子）对决定电位离子层起补偿作用，使整个胶体微粒达到电中性，故称之为补偿离子层，而这些来源于溶液中的反号离子就称为补偿离子。,诸葛玉平

8、制作,14,根据补偿离子的活性又可把补偿离子层分为非活性补偿离子层和扩散层两层：靠近胶核表面的决定电位离子层的补偿离子被吸附得很紧，活性很小，难以解离，不起交换作用，故称为非活性补偿离子。另一层距胶核表面较远，吸附的较松，有较大的活动性，可以和周围的离子交换，称为扩散层。 非活性补偿离子和胶核决定电位离子层是一个整体，故称为胶粒。代换作用大都发生在胶粒表面，故胶粒是起胶体作用的基本单位。 由决定电位离子层到扩散层外缘的电位差，称之为全电位（0），取决于胶核表面的电荷数量和电荷密度 由整个不活动的胶粒的表面到扩散层的外缘的电位，称为电动电位（），是表现双电层特性的重要指标，,诸葛玉平制作,15,

9、电动电位的大小受扩散层厚度的制约，而扩散层的厚度在一定浓度条件下，决定于补偿离子的性质，即受离子价数、离子半径及其水化程度等的制约。离子价数愈高，半径愈大，其水化半径愈小，扩散层愈薄。反之，离子价数愈低，半径愈小，其水化半径也越大，扩散层也越厚。一般而言，扩散层越厚，电动电位越高，胶粒的电性也就显示得越充分。胶粒电性显示的充分与否，直接关系到胶体存在的状态，从而影响土壤的结构性、粘性、耕性和胀缩性等一系列物理性质。,诸葛玉平制作,16,二、土壤胶体的基本性质,（一）表面性质：表面积常用比表面表示 比表面：单位质量或单位体积物体的表面积，cm2/g,，cm2/cm3 ，m2/g。 比表面 半径为

10、r的球形土粒，土壤的密度为2.65cm3g 比表面=42()=(cm2/g) 外表面是指粘粒矿物的外表面以及腐殖质、游离氧化铁、氧化铝的表面。内表面是指层状铝硅酸盐晶层间的表面。,诸葛玉平制作,17,土壤中有机质含量高，2:1型粘粒矿物多，则比表面积较大。反之，如果有机质含量低，1:1型粘粒矿物较多，则其比表面积就较小。 由于土壤胶体有巨大的比表面积，因而产生了巨大的表面能。 比表面积愈大，表面能就越高，物理吸附作用愈强。质地愈粘重，物理吸附作用愈强。随表面积和表面能的增加，土壤胶体的胀缩性、可塑性、粘着性、粘结性等性质明显增强。,诸葛玉平制作,18,二、土壤胶体的基本性质,（二）带电性：可分

11、为永久电荷和可变电荷 1.永久电荷： 同晶置换：指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子取代，晶格构造保持不变的现象。 晶格内发生同晶置换而产生的电荷，也称恒电荷、结构电荷。同晶置换一旦发生，矿物晶体所具有的电荷就不受外界环境（如pH、电解质浓度等）影响 一般2:1型的粘粒矿物如蒙脱石类、伊利石类的同晶代换产生的永久负电荷较多，而1:1型的高岭石类则较少。同晶置换主要产生负电荷，但有时高价阳离子被低价阳离子置换而产生永久正电荷。,诸葛玉平制作,19,2.可变电荷：从介质中吸附离子或向介质中释放质子而产生的电荷，会随介质和电解质浓度的变化而变化的电荷。 表面分子解离 层状硅酸盐矿物晶层表面

12、上的OH、腐殖质胶体上的羧基、酚羟基、醇羟基等基团解离出H而使土壤胶粒带负电。受介质pH影响 一般而言，介质pH高时，基团解离H的能力强，所产生的负电荷就多，随着介质pH下降，基团解离产生H的能力也随之下降，产生的负电荷就少。 当土壤不产生可变电荷时的介质pH称为可变电荷零点（等电点）。 例：三水铝石电荷零点为4.8， pH4.8时， Al2O33H2O2Al(OH)2O2H+带负电； pH4.8时，Al2O33H2O2Al(OH)22OH带正电。,诸葛玉平制作,20,断键 硅酸盐粘土矿物在风化破碎时，会引起晶层断裂，使硅氧片和水铝片的断裂边角上出现电荷，一般以负电荷居多，这是高岭石类矿物产生

13、可变电荷的主要原因。 胶体表面从介质中吸附离子也是胶体带电的原因。 如硅酸盐或铁铝氢氧化物胶体从介质中吸附PO43、OH而使胶体带负电 铁铝氢氧化物在pH小于电荷零点时吸附H而带正电荷。 自然土壤的pH通常在59之间，而土壤胶体的大部分，特别是腐殖酸的等电点远远低于这个范围，因而大部分土壤胶体都带负电荷。 pH5的土壤可能带有较多的正电荷。 土壤胶体整体上带负电荷，使土壤具有保肥性。,诸葛玉平制作,21,3.土壤电荷的数量及影响因素 土壤电荷的单位cmol/kg和电荷库仑数（1cmol=96.5库仑） 土壤质地：土壤电荷80%以上在2um的部分 土壤胶体类型：以有机胶体、腐殖质电荷量最大，腐殖

14、质200500cmol，平均350cmol，无机胶体5100cmol，平均为1080cmol，高岭石515cmol，伊利石2040cmol，蒙脱石为80100cmol，蛭石为100140cmol 有机胶体提供的电荷占总电荷总量的20%左右？主要是因为土壤中无机胶体占的比重较大，而有机胶体占的比重小。 土壤的电荷量在我国有由北向南递减的趋势？ 有机胶体和无机胶体的相斥作用：带负电荷和带正电荷的胶体中和及有机胶膜对无机胶体交换点的掩蔽作用，造成有机无机复合体的负电荷量小于结合前各自负电荷量的总和，称之为负电荷的非加和现象。 pH值：土壤pH值的改变可影响土壤的可变电荷数量,诸葛玉平制作,22,（二

15、）土壤胶体的基本性质,（三）分散性与凝聚性 胶体微粒均匀地分散在水中，称溶胶；胶体微粒相互凝结聚合在一起而呈絮状的凝胶。 由溶胶变成凝胶的过程称为胶体的凝聚；由凝胶转化为溶胶的过程，称为胶体的分散。 胶体处于凝胶状态，可以形成水稳性团粒，对土壤理化性质有良好的作用。当土壤胶体成为溶胶状态时？土壤粘结性、粘着性、可塑性都增大，宜耕期缩短，降低耕作质量。 电解质凝聚能力：三价离子二价一价 Fe3Al3HCa2Mg2NH4KNa 例：农业中常用钙盐作凝聚剂？ 电解质浓度对胶体的分散和凝聚也有很大的影响 溶液中的一价阳离子的浓度高时，照样能使溶胶变成凝胶。例，北方盐渍化土，含钠、钾盐较高，其表层有凝聚

16、很好的假团聚体柱状或团粒结构。盐分降低？,诸葛玉平制作,23,第二节 土壤的吸收性能,土壤的吸收性能土壤能吸收保持分子态、离子态或气态、固态物质的能力和特性。如混浊的水通过土壤会变清，粪水通过土壤后臭味会消失或减弱 土壤吸收性能是土壤的重要特性，它决定了土壤保肥能力、土壤净化能力的强弱，对土壤发育和土壤中养分物质的存在形态和转化，对土壤中污染物质的迁移转化均有着重要的作用。 一、土壤吸收性能的类型 二、土壤对阳离子的吸附与交换 三、土壤对阴离子的吸附与交换,诸葛玉平制作,24,一、土壤吸收性能的类型,1机械吸收作用指具有多孔的土壤对进入土体的固体颗粒的机械截留作用。如粪便残渣，有机残体和磷矿粉

17、等。多耕多耙可增强土壤机械吸收作用 2物理吸收作用 指土壤对分子态的养分（如氨、氨基酸等）吸收保持的性能。 3化学吸收作用 指土壤溶液中一些可溶性养分与土壤中某些物质或在固相的表面上发生沉淀的过程。 例土壤速效磷的固定。生产上尽量避免。特殊意义，吸毒 4生物吸收作用 指土壤中的微生物和植物根系对养分的吸收、保存和积累在生物体中的作用。特点是有选择性和创造性，富集养分。如种植绿肥、施用菌肥、轮作倒茬等。 5离子交换吸收作用 指带有电荷的土壤胶粒能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，这些被吸附的离子又能与土壤溶液中带同号电荷的离子相互交换。又称物理化学吸收或离子交换吸收。,诸葛玉平制作,25,二、土壤

18、对阳离子的吸附与交换,（一）离子吸附与交换的基本概念 离子吸附溶液中的离子被带反号电荷的胶体吸引，靠近胶体表面的现象 解吸被吸附于胶体表面的离子，通过与溶液中另一种或另一类离子互相交换，从胶体表面进入溶液 离子交换作用通过吸附和解吸，引起离子位置相互交换的作用 交换性离子参加交换作用的离子 交换性阳离子进行离子交换作用的阳离子,诸葛玉平制作,26,（二）阳离子吸附与交换的基本特征,1.阳离子交换是一种可逆反应 意义：植物吸收养分，土壤胶体解吸补给 2.阳离子交换是以原子价为依据的等量交换 1mol的Ca可以交换2mol的Na（40克Ca交换46克钠） 3.阳离子交换受质量作用定律的支配 施肥、

19、保肥重要意义？改变胶体阳离子组成,诸葛玉平制作,27,（三）影响阳离子交换能力的因素,阳离子的交换力土壤溶液中阳离子代换胶体上吸附态阳离子的能力 服从于库仑定律： （1）离子价 （2）离子半径和水化程度（水化半径） （3）离子浓度 Fe3Al3HCa2Mg2KNH4Na,诸葛玉平制作,28,离子半径及水化程度与交换力的关系,诸葛玉平制作,29,离子半径及水化程度与交换力的关系,诸葛玉平制作,30,（四）阳离子交换量（CEC）,土壤的阳离子交换量 指pH一定时，每千克土壤吸附的所有交换性阳离子的厘摩尔数，单位为cmolkg土。 理论上：CEC=S比表面表面电荷密度 实际上：全部交换表面的阳离子，

20、再测定吸收量；或分别测定吸附量，再加和。 阳离子可分为两大类：即盐基离子（ca2、Mg2、K、Na、NH4等）和致酸离子（H、Al3）。阳离子的代换量是这两类离子被吸收的总量。,诸葛玉平制作,31,影响CEC的因素,（1）胶体数量 一般是胶体物质越多，阳离子交换量越大；胶体粒子越少交换量越小；土壤质地愈细，矿质胶体数量愈多，交换量也愈高。 不同质地土壤的阳离子交换量,诸葛玉平制作,32,（2）胶体种类 有机胶体交换量最大；矿质胶体中交换量大小是：蒙脱石高岭石。 （3）电荷数量 一般来说，随土壤碱度增加(pH值增高)解离度增高，带电量多，反之，随土壤酸度增加(pH值降低)解离度降低，带电量减少。

21、,诸葛玉平制作,33,我国土壤阳离子交换量，由南向北，由西向东有逐渐增多的趋势。 阳离子代换量是衡量土壤保肥能力的重要指标 CEC值20cmol（+）/kg，保肥能力较强,诸葛玉平制作,34,（五）盐基饱和度,盐基饱和度（base saturation简称BS）：土壤胶体上吸附的盐基离子占全部交换性阳离子的百分数 盐基饱和度交换性盐基离子的总量/阳离子交换量100 一般认为BS80基本上饱和，BS80，不饱和 从我国土壤来看：在北纬33以北的土壤相当于山东、河南、陕西以北的土壤，一般来说都是盐基饱和的土壤，33以南，大部分土壤都是盐基不饱和的，而且越往南，其BS越低，酸性越强。 表示有效性。盐基饱和度越高，养分的有效性越高 反映淋溶作用的强弱，该值越大，淋溶作用越小。,诸葛玉平制作,35,（六）交换性阳离子的有效度,影响因素 1.离子饱和度 某种离子占交换性阳离子总量之比，即为离子饱和度。“本身比例” 离子饱和度越高，有效性也就越高，而与该种交换性离子在胶体上的绝对量没有直接关系,诸葛玉平制作,36,2、互补离子效应 对某一指定离子而言，土壤胶体上其它同时存在的离子是该离子的互补离子，也称陪补离子。（附表） 3、粘粒矿物类型：吸附力弱，有效性高。,诸葛玉平制作,37,三、土壤对阴离子的吸附与交换,非专性吸附：即通常所指的阴离子交换，由带正电荷的胶体吸收