土壤阳离子交换作用.ppt

1、第三章 土壤化学性质,第一节 土壤胶体 第二节 土壤吸收保肥性 第三节 土壤酸碱性与缓冲性,第一节 土壤胶体,1.土壤胶体的概念（重点） 2.土壤胶体的种类（重点） 3.土壤胶体的构造（难点、难点） 4.土壤胶体的性质、作用（重点、难点）,一、土壤胶体的概念,一般把土壤中11000nm的细粒均称为土壤胶体或土壤准胶体。,胶体化学中胶体的范围是1100nm（至少在长、宽、高三个方向中有一个方向在这个范围）。,二、 土壤胶体的种类,含 水 氧 化 铁 、 铝,层 状 铝 硅 酸 盐,含 水 氧 化 硅,腐殖质、蛋白质、纤维素等,1：1型,2：1型胀缩性,2：1型非胀缩性,硅氧四面体,层状铝硅酸盐基

2、本构造,硅氧片,铝氧八面体（水铝八面体）,铝氧片 （水铝片）,1:1型矿物,特点：晶层与晶层间距离稳定，连接紧密，内部空隙小，电荷量少，单位个体大，分散度低。多出现于风化强烈的酸性土壤。如高岭石类。,硅氧片,铝氧片,2:1型矿物,特点：胀缩性大，吸湿性强，易在两边硅氧片中以Al3+代Si4+，有时可在硅铝片中，一般以Mg2+代Al3+带负电吸附负离子。 颗粒细小，比表面大。 如蒙脱石，这类矿物多出现于北方土壤。,硅氧片,铝氧片,硅氧片,2.有机胶体,有机胶体主要是腐殖质，还包括少量的木质素、蛋白质、纤维素等。腐殖质胶体含有多种官能团（羧基和酚羟基），属两性胶体，在土壤中一般带负电，对土壤胶体电

3、荷影响较大，因而影响到土壤的保肥与供肥性。但有机胶体的稳定性低于无机胶体，容易被微生物所分解。,3.有机 - 无机（矿质）复合体,在农业土壤上，有机胶体一般很少单独存在，约有50%-90%是与矿质胶体结合，形成有机无机复合体（又称吸收性复合体）。,三、 土壤胶体的构造,四、土壤胶体的性质与作用 （一）土壤胶体具有巨大的比表面积和表面能 （二）胶体带电性 （三）土壤胶体凝聚与分散,（一）土壤胶体的比表面积和表面能,比表面：是指每单位重量（或体积）物体的总表面积。比面积表面积/质量,如高岭石比面积的典型值是1020m2/g，蒙脱石是600800m2/g，有机胶体的比表面可达1000m2/g以上。,

4、由于表面的存在而产生的能量（表面分子的引力或张力），叫做表面能。物质的比面积越大，吸附能力也越强，由于土壤胶体具有巨大的表面积，因而具有巨大的表面能。 。,（二）胶体带有电荷 1、胶体带电的原因 主要有以下三种： （1）同晶代换 （2）晶格断键 （3）表面分子的解离 土壤胶体能解离出H+,而带负电的胶体称为酸胶基或负胶体； 能解离出OH-而带正电的 胶体称为碱胶基或正胶体； 能解离出H+也能解离出OH-的则称为两性胶体。,2土壤胶体电荷的种类 （1）永久电荷 ：主要是同晶代换。 同晶置换：是指铝硅酸盐矿物中硅氧片或水铝片中的配位中心离子，被与其大小相近而电性符号相同的离子所取代，但其晶层结构未

5、变的现象。 （2）可变电荷：主要是胶体表面分子的电离引起的，其次来自矿质胶体晶格的断键。 指胶体随土壤溶液pH值的 变化而发生电荷数量、符号变化的那部分电荷。,（三）土壤胶体凝聚与分散 土壤胶体由两种存在的状态，一种是胶体微粒均匀地分散在介质中形成的一种外观颇似溶液的胶体溶液，称为溶胶。 另一种是在外因作用下，胶体微粒聚合在一起形成的 处于凝聚状态的胶体，称为凝胶。 溶胶转变为凝胶，这一过程称为凝聚；凝胶也可以转变为溶胶，这一过程称为分散。,土壤胶体带负电的为多，加入阳离子有使胶体凝聚的作用。 影响胶体分散与凝聚的因素主要有： 电解质的种类。离子价越大，其凝聚作用越强；同价阳离子中，离子半径大

6、的，水膜厚度小的离子凝聚作用强。 电解质的浓度。浓度越大，其凝聚作用越强。 土壤中常见的阳离子引起胶体凝聚作用大小的顺序为: Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+,胶体可逆凝聚：由等浓度的一价阳离子凝聚形成的凝胶，如反复用水淋洗，凝胶可再分散形成溶胶，这叫做可逆凝聚。 胶体不可逆凝聚：由二价以上的阳离子凝聚形成的凝胶，很难或不能再变成溶胶的凝聚称为不可逆凝聚。,注意区分松散与分散,作业,1.概念：土壤胶体、同晶代换。 2.土壤胶体的种类，说明层状铝硅酸盐中的蒙脱石的性质特点。 3.土壤胶体的构造。 4.土壤胶体的性质。,第二节 土壤的保肥性与供肥性,主要内容 1.土壤的吸收保

7、肥方式（重点） 2.土壤的阳离子交换（重点、难点） 3.土壤阴离子交换（了解） 4.土壤供肥性（重点、难点）,土壤吸收性能：土壤能吸收和保持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。 1 .机械吸收作用 机械吸收作用是指土壤对进入其中的固体物质的机械阻留作用。机械吸收作用对养分的保存只能起部分极其有限的作用。,一、 土壤吸收性能的概念、类型,土壤吸收性能的概念：,土壤吸收性能的类型,（一）概念： 1、 阳离子交换作用：土壤溶液中的阳离子与胶体表面的 阳离子相互交换的作用。 包含两个同时进行的过程： 离子吸附：溶液中的离子被吸附到胶体表面上。 离子解吸：胶体表面的离子脱离胶体

8、进入溶液。,二、土壤阳离子交换作用,（二）阳离子交换作用的基本特征,1、可逆反应 2、等价交换 3、受质量作用定律的支配,1、离子价： M3+ M2+ M+ ; 2、离子半径和离子水化半径，同价离子，离子半径大的、水化半径小的交换能力大， K+ Na+ （离子的运动速度 H+水化很弱只与1个水分子结合，H3O+半径很小，运动速度快，因此交换能力大于二价离子。） 3、离子浓度 交换能力弱的离子在浓度足够大的情况下，可以交换吸附浓度低高价离子。综上所述，阳离子交换能力顺序为： Fe3+ 、Al3+ H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+,（三）影响阳离子交换的因素,（四）阳离子交换量（CEC) C

9、ation Exchange Capacity,土壤CEC大小受下列因素影响： 1、胶体含量 质地粘重CEC大。 2、胶体类型 有机胶体CEC远比矿质胶体大，施有机肥可大幅度提高土壤保肥能力。 3、土壤PH值 影响可变电荷的多少，一般PH值升高，H+解离，可变负电荷逐渐增多，CEC也随之增加。,概念：在一定PH时每1000g干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。,概念：土壤中交换性盐基离子（K+、Na+、NH4+、Ca2+ 、Mg2+等）总量占阳离子交换量的百分数。它与土壤酸碱反应关系密切。,（四）盐基饱和度,盐基饱和度80%的土壤，一般认为是很肥沃的土壤 盐基饱和度为5080%的土壤为中

10、等肥力水平 盐基饱和度低于50%的土壤肥力水平较低，因为阳离子组成单一。,（四）盐基饱和度,阴离子交换作用：土壤中带正电荷的胶体所吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子相互交换的作用。 按被土壤吸附保持的难易程度分为三类： （1）易于被土壤吸附：磷酸根（H2PO4- 、HPO42- 、PO43-）、硅酸根（HSiO3-、SiO32-）和某些有机酸的阴离子（如草酸根）。 （2）吸附作用很弱或进行负吸附的离子：Cl-、NO3- 、NO2-出现负吸附（固体表面浓度低于溶液中浓度）极易随水流失。 （3）中间类型的阴离子：SO42-、CO32-、HCO3-、及某些有机酸（如醋酸根）的阴离子，土壤吸收它们的能力

11、介于以上两类之间。,三、土壤中的阴离子吸附,四、土壤供肥性,（1）根毛直接和土壤胶体接触交换：根在生长过程中释放出的H+直接与土壤胶体上的交换性盐基离子直接交换； （2）通过溶液吸收：交换性阳离子被交换到溶液中，然后被植物吸收。,1、植物对土壤胶体上的交换性阳离子的吸收方式：,（1）交换性阳离子饱和度 概念：指土壤中某种交换性阳离子的数量占CEC的百分数。 离子的饱和度愈高，被交换解吸的机会愈多，有效度愈高,2、影响交换性阳离子有效度的因素：,土壤阳离子交换与离子饱和度,四、土壤供肥性,理解“施肥一大片，不如一条线”。,（2）土壤中的陪补离子效应 在土壤胶体上同时吸附着多种阳离子，对其中某种离

12、子来说，其余的各种阳离子都称为它的陪补离子。,陪补离子不同，对某一指定离子的有效度也不同。 陪补离子与土壤胶体之间的吸附力愈大，与之共存的阳离子愈易解吸，有效性愈高。,四、土壤供肥性,2、影响交换性阳离子有效度的因素：,（3）胶体类型 不同类型的粘粒矿物，由于晶体构造特点不同，吸附阳离子的位置各不相同，释放的难易也不同。 在离子饱和度相同的情况下，蒙脱石吸附的阳离子有效度低于高岭石，原因在于蒙脱石吸附的阳离子大部分在晶层间，高岭石则在表面。,四、土壤供肥性,2、影响交换性阳离子有效度的因素：,（4）阳离子的非交换性吸收 晶格固定：指层状铝硅酸盐粘粒矿物晶层表面的六个硅氧四面体联成的六角型网穴，

13、其半径与K+和NH4+相接近。当粘粒矿物脱水收缩时，晶层表面所吸附的K+和NH4+极易陷入上述网穴中而成为非交换性阳离子，使其有效性降低。,四、土壤供肥性,2、影响交换性阳离子有效度的因素：,作业,1、名词解释：土壤的保肥性能、阳离子交换作用、阳离子交换量、阳离子交换能力、盐基饱和度 2、阳离子交换作用的特点？ 3、影响阳离子交换量的因素？ 4、常见阳离子交换能力顺序？影响阳离子交换能力的因素？ 5、影响交换性阳离子有效度的因素？,土壤酸碱性和缓冲性,主要教学目标： 掌握土壤酸碱性和缓冲性的基本含义。 掌握土壤酸碱性改良的基本方法。 了解土壤酸碱性对植物生长的影响。,土壤酸碱性和缓冲性,本章重

14、点： 主要是土壤酸碱度和缓冲性的基本概念 以及对植物生长的影响。 其次是土壤酸碱性的改良方法。,土壤酸碱性和缓冲性,本章难点： 是土壤为什么具有的缓冲性。 这部分内容与土壤阳离子交换的内容相关。 主要原因就是与土壤胶体及其胶体上吸收的离子的作用。,土壤酸碱性和缓冲性,主要内容 第一节土壤酸碱性 第二节 土壤酸碱性对植物和养分有效性影响 第三节 土壤缓冲性,第一节 土壤酸碱性,1、土壤酸的来源 （1）土壤中H+的来源。 由 CO2引起； 土壤有机体的分解产生有机酸； 硫化细菌和硝化细菌产生的酸； 生理酸性肥料的施用。,1、土壤酸的来源,（2）气候对土壤酸化的影响 在潮湿地带，溶液中的氢离子进入胶

15、体取代盐基离子，积累在土壤胶体表面。 东北地区的酸性土是在寒冷多雨的气候条件下产生的。 北方和西北地区的降雨量少，淋溶作用弱，导致盐基积累，土壤大部分为石灰性、碱性或中性土壤。,1、土壤酸的来源,（3）土壤铝离子的活化 当胶体表面吸附的氢离子达到一定限度时，晶格结构遭破坏，有些铝水八面体解体，铝离子脱离晶格的束缚，成为活性铝离子。被吸附在粘土矿物的表面，成为交换性的阳离子 在较强的酸性条件下释放出来，进入到土壤胶体表面，其数量比氢离子数量大得多。 长江以南的酸性土壤，主要是由于铝离子引起的。,第一节 土壤酸碱性,二、土壤酸度类型 1、活性酸 由土壤溶液中游离的H+引起的酸性，常用pH值表示。

16、土壤中的水分含有各种可溶的有机、无机成分，有离子态、分子态，还有胶体态的。,一、土壤酸度类型及来源,主要根据活性酸划分： pH7.5 我国土壤pH一般在4-9之间。在地理分布上呈现南酸北碱、沿海偏酸，内陆偏碱的规律。,2、潜性酸,土壤胶体上吸附的氢离子或铝离子，进入溶液后显示出酸性。 表示方法： 常用1000克烘干土中氢离子的厘摩尔数表示。,2、潜性酸的类型,（1）代换性酸： 用过量中性盐（氯化钾、氯化钙等）溶液，与土壤胶体发生交换作用，土壤胶体表面的氢离子或铝离子与浸提剂的阳离子所交换所表现出的酸性。,2、潜性酸,（2）水解性酸：用过量强碱弱酸盐（CH3COONa）浸提土壤，胶体上的氢或铝离

17、子释放到溶液中表现的酸性。 CH3COONa水解产生NaOH，pH值可达8.5，Na+可以把绝大部分的代换性的氢离子和铝离子代换下来，形成醋酸。,水解反应,交换性酸和水解性酸的关系,交换性酸是水解性酸的一部分，水解能置换出更多的氢离子。 要改变土壤的酸性程度，就必须中和溶液中和胶体上的全部交换性氢离子和铝离子。 在酸性土壤改良时，可根据水解性酸来计算所要施用的石灰的量。,交换性酸和水解性酸的关系,二、土壤碱度,1、OH离子的来源 土壤弱酸强碱盐的水解，碳酸及重碳酸的钾、钠、钙、镁等盐类。如Na2CO3、NaHCO3、CaCO3等； 其次是土壤胶体上的Na+的代换水解作用。 2、碱度的表示方法

18、土壤碱性的高低用pH值表示； 用Na+的饱和度表示。,三、 土壤酸碱性对植物和养分的影响,（一）、土壤酸碱性对植物的影响 1、大多数植物在pH9.0或2.5的情况下都难以生长。植物可在很宽的范围内正常生长，但有适宜的pH。 喜酸植物：杜鹃属、越桔属、茶花属、杉木、松树、橡胶树、帚石兰； 喜钙植物：紫花苜蓿、草木犀、南天竺、柏属、椴树、榆树等； 喜盐碱植物：柽柳、沙枣、枸杞等。,2、植物病虫害与土壤酸碱性直接相关： 1）地下害虫往往要求一定范围的pH环境条件。如竹蝗喜酸而金龟子喜碱； 2）有些病害只在一定的pH值范围内发作，如悴倒病往往在碱性和中性土壤上发生。,3、土壤活性铝： 是一个重要的生态

19、因子，对自然植被的分布、生长和演替有重大影响； 在强酸性土壤中含铝多，生活在这类土壤上的植物往往耐铝甚至喜铝（帚石兰、茶树）； 但对于一些植物来说，如三叶草、紫花苜蓿，铝是有毒性的，土壤中富铝时生长受抑制； 研究表明铝中毒是人工林地力衰退的一个重要原因。,（二）、土壤酸碱性对养分有效性的影响,1、在正常范围内，植物对土壤酸碱性敏感的原因： 是由于土壤pH值影响土壤溶液中各种离子的浓度，影响各种元素对植物的有效性。,2、土壤酸碱性对营养元素有效性的影响： （1）氮在68时有效性较高，是由于在小于6时，固氮菌活动降低，而大于8时，硝化作用受到抑制； （2）磷在6.57.5时有效性较高，由于在小于6

20、.5时，易形成磷酸铁、磷酸铝，有效性降低，在高于7.5时，则易形成磷酸二氢钙；,无机磷的固定,（3）钾、钙、镁容易流失，因此酸性土壤容易缺乏。在pH高于8.5时，土壤钠离子增加，钙、镁离子被取代形成碳酸盐沉淀，因此钙、镁的有效性在pH6-8时最好； （4）铁、锰、铜、锌、钴五种微量元素在酸性土壤中因可溶而有效性高； 钼酸盐不溶于酸而溶于碱，在酸性土壤中易缺乏硼酸盐在pH5-7.5时有效性较好。,（三）、土壤酸碱性的改良,1、土壤酸性土改良 经常使用石灰。 达到中和活性酸、潜性酸、改良土壤结构的目的。 沿海地区使用含钙的贝壳灰。也可用紫色页岩粉、粉煤灰、草木灰等。 石灰施用量的计算： 生石灰需要

21、量（g/m2 )=阳离子代换量*（1盐基饱和度）*土壤重量*28*1/1000,2、中性和石灰性土壤的人工酸化 露地花卉可用硫磺粉（50g/平方米）或硫酸亚铁（150克/平方米），可降低0.51个pH单位。也可用矾肥水浇制。 3、碱性土壤 施用石膏，还可用磷石膏、硫酸亚铁、硫磺粉、酸性风化煤、有机肥。,四、 土壤的缓冲性,（一）、定义： 在自然条件下，向土壤加入一定量的酸或碱，土壤pH值不因土壤酸碱环境条件的改变而发生剧烈的变化，这说明土壤中具有抵抗酸碱变化的能力，土壤这种特殊的抵抗能力，称为缓冲性。,（二）、意义： 使土壤酸度保持在一定的范围内，避免因施肥、根的呼吸、微生物活动、有机质分解和

22、湿度的变化而pH值强烈变化，为高等植物和微生物提供一个有利的环境条件。 土壤缓冲作用的大小，可以用缓冲量表示。缓冲量是土壤溶液改变一个单位pH值时所需酸碱的摩尔数。,（三）、土壤具有缓冲性的原因：,1、土壤胶体的代换性能 土壤胶体上吸收的盐基离子多，则土壤对酸的缓冲能力强； 当吸附的阳离子主要为氢或铝离子时，对碱的缓冲能力强。 2、土壤中有多种弱酸及其盐类 弱酸种类如：碳酸、重碳酸、硅酸和各种有机酸。,3、铝体系： 4、两性物质的作用 有机质、AA、蛋白质,（四）、影响土壤缓冲性的因素：,1、粘粒矿物类型：含蒙脱石和伊利石多的土壤，起缓冲性能也要大一些； 2、粘粒的含量：粘粒含量增加，缓冲性增

23、强； 3、有机质含量：有机质多少与土壤缓冲性大小成正相关。 一般来说，土壤缓冲性强弱的顺序是腐殖质土大于粘土大于砂土，故增加土壤有机质和粘粒，就可增加土壤的缓冲性。,第七章 土壤酸碱性,一、名词解释： 1、土壤活性酸；2、土壤潜性酸； 3、土壤缓冲性 二、简述酸性土、碱性土的改良。 三、谈谈土壤酸碱性对土壤养分有效性的影响。,3-3土壤的酸碱性与缓冲性,第三章土壤的基本化学性质,主要内容,1.土壤酸碱性产生的原因（宏观）（一般） 2.土壤酸碱性的分级与表示方法（重点） 3.土壤酸性的产生与改良（重点、难点） 4.土壤碱性的产生与改良（重点、难点） 5.土壤缓冲性的产生与作用（重点）,一、土壤酸

24、碱性产生的原因,1.气候因素 水、热条件 2.母质因素 盐基成分含量 3.生物因素 富集作用、分泌物 4.施肥和灌溉的影响 水、肥的酸碱性。,二、土壤酸碱的存在形式和表示方法 （一）土壤pH和酸碱性分级： pH 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 级别 强酸性 酸性 弱酸性 中性 弱碱性 碱性 强碱性 土壤的酸碱度一般用pH值表示。,我国土壤酸碱分布图,（二）土壤酸性 1.土壤酸性的产生原因 （1）交换性H和Al3(致酸离子)的解离与水解。 （2）人为因素：施肥（酸性肥料）、污灌。 （3）酸雨 : pH低于5.6 的降雨（占30%）。,2.土壤酸度 土壤酸度：根据H在土壤中的存在状

25、态而分为两种类型：活性酸度和潜性酸度。 （1）活性酸度 指土壤溶液中游离的H浓度所直接显示的酸度。它是土壤酸度的强度指标，通常用pH值表示。测水浸出液pH值。 （2）潜性酸度 指土壤胶体上吸附着的H和Al3所引起的酸度。它是土壤酸度的容量指标。一般情况下它不直接显示出来，只有当被吸附的 H和Al3被交换到溶液中后才显示，所以称为潜性酸度，通常用1000g烘干土中H的厘摩尔数来表示。,3.过酸土壤改良措施,方法措施：使用石灰（生石灰、熟石灰、石灰石） 用量:根据潜性酸度来确定。,（三）土壤碱性 1.土壤碱性的产生 土壤呈碱性反应主要是因为其中盐基离子含量高。 盐基离子：交换性阳离子中除致酸离子以外的其它阳离子，如Na+,K+,Ca2+,Mg2+等。 Na+含量过高称为碱化土。 Ca2+,Mg2+含量过高称为石灰性土壤。,2.土壤碱化度 土壤碱性的强