目录

  • 1 绪论
    • 1.1 土壤及其基本特性
    • 1.2 土壤的功能
    • 1.3 土壤科学的发展及研究内容
  • 2 地学基础
    • 2.1 矿物
    • 2.2 岩石
    • 2.3 风化作用
  • 3 土壤矿物质
    • 3.1 土壤矿物质的概念
    • 3.2 土壤矿物质的组成
    • 3.3 黏土(粒)矿物
  • 4 土壤有机质
    • 4.1 土壤有机质的来源、形态和组成
    • 4.2 土壤有机质的转化及其影响因素
    • 4.3 土壤有机质的作用和调节
  • 5 土壤生物
    • 5.1 土壤生物多样性
    • 5.2 土壤生物活性表征
    • 5.3 土壤生物学性质的改良
  • 6 土壤水
    • 6.1 土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定
    • 6.2 土壤水的能态
    • 6.3 土壤水的运动
    • 6.4 田间土壤水分平衡和管理
  • 7 土壤空气
    • 7.1 土壤空气的来源与组成
    • 7.2 土壤空气的运动
    • 7.3 土壤空气的作用及其调节
  • 8 土壤质地、结构和孔性
    • 8.1 土壤质地
    • 8.2 土壤结构
    • 8.3 土壤孔性
  • 9 土壤力学性质与耕性
    • 9.1 土壤力学性质
    • 9.2 土壤耕性与改良
  • 10 土壤热性质
    • 10.1 土壤热量来源
    • 10.2 土壤表面的辐射平衡及影响因素
    • 10.3 土壤的热量平衡
    • 10.4 土壤热性质
    • 10.5 土壤温度
  • 11 土壤胶体与离子交换
    • 11.1 土壤胶体的构造和性质
    • 11.2 土壤胶体对阳离子的吸附与交换
    • 11.3 土壤胶体对阴离子的吸附与交换
    • 11.4 离子交换的意义与改良
  • 12 土壤酸碱性
    • 12.1 土壤酸、碱性的形成
    • 12.2 土壤酸碱缓冲性
    • 12.3 土壤酸碱性的改良
  • 13 土壤氧化还原反应
    • 13.1 土壤氧化还原反应
    • 13.2 土壤氧化还原与土壤肥力及生态环境的关系及其调节措施
  • 14 土壤养分
    • 14.1 土壤中的氮
    • 14.2 土壤中的磷
    • 14.3 土壤中的钾
    • 14.4 土壤中的硫、钙和镁
    • 14.5 土壤中的微量元素
  • 15 土壤与植物营养诊断
    • 15.1 营养诊断的基本原理
    • 15.2 营养诊断的方法和技术
  • 16 肥料与合理施肥
    • 16.1 肥料概述
    • 16.2 化学肥料
    • 16.3 有机肥料
    • 16.4 微生物肥料
    • 16.5 合理施肥
  • 17 土壤形成因素、过程、分类与分布
    • 17.1 成土因素
    • 17.2 成土过程
    • 17.3 土壤发育
    • 17.4 土壤分类
    • 17.5 土壤分布
  • 18 主要土壤类型
    • 18.1 四川主要土壤类型
    • 18.2 园林土壤主要类型
土壤胶体的构造和性质
  • 1
  • 2
  • 3

土壤胶体:土壤中粒径<1µ m<2µ m的矿物质颗粒和腐殖质(分散相)分散在土壤溶液(分散介质)中的形成的分散体系。

一、土壤胶体构造

土壤胶体由胶核、双电层和胶体间溶液构成。

1、胶核

土壤中粒径<1µ m<2µ m的矿物质颗粒和腐殖质

2、土壤胶体的双电层和表面电位Surface potential in soil colloids

a扩散双电层 Diffuse double layer:当静电引力与热扩散相平衡时,土壤带电胶体表面与溶液的界面上形成的由一层固相表面电荷和一层溶液中相反符号离子组成的电荷非均匀分布的空间结构。

两者电荷数相等,符号相反,维持体系的电中性。静电引力使反离子靠近表面,热运动又使其脱离表面而形成具有扩散特征的反离子层,又称扩散层。其中反离子呈不均匀分布。扩散层中反离子的不均匀分布可用Boltzmann方程表示:

CxC0exp(-ZFψx/RT)

Cx—距表面x处反号离子浓度;CO—本体溶液反号离子浓度;Z—反号离子价数; F—Faraday 常数;Ψx—距表面x处的电位;R—气体常数                              T—绝对温度。

双电层中距表面x处的反离子浓度CXx处电位ψx的指数函数,呈曲线降低。                

3、土壤溶液Soil solution

a土壤溶液的成分。包括自由离子、水合离子、络合离子和离子对等无机盐,可溶有机物、有机-金属离子络合物等有机化合物, O2NH3CO2N2H2SCH4气体物质和胶体物质。受生物、气候、母质;耕作、施肥、灌溉;土壤pH等影响

b土壤溶液中离子形态与养分有效性。溶液中自由离子数多,植物有效性则高;溶液中离子对和络离子所占比例大,不利于植物对营养元素的吸收。但对铝、镉等离子,可通过改变pH、离子强度、配位离子种类和浓度等,提高其络离子比例,降低其毒性。

二、土壤胶体的表面类型

1、按表面位置分

a内表面:膨胀性黏土矿物的层间表面和腐殖质分子聚集体内的表面,其表面反应为缓慢渗入过程,如蒙脱石、蛭石等。

b外表面:黏粒的外表面和腐殖质、游离铁铝氧化物等包被的表面,表面反应迅速,如高岭石、水铝英石和铁铝氧化物等。

2、按表面的化学结构特点分

a硅氧烷型表面 Siloxane surface

Si—O—Si

2:1型黏粒的上、下两面,1:1型黏粒1/2面。是非极性的疏水表面。电荷来源为同晶置换(Al3+→Si4+),少部分是边角断键,为永久电荷。

b水合氧化物型表面 Oxy-hydroxide surface

由金属阳离子和氢氧基组成的表面:M-OH  ,如铝醇Al-OH,铁醇Fe-OH,硅烷醇Si-OH等。水铝()片,铁、铝氧化物及硅片边角断键。是极性亲水表面。电荷来源为表面-OH基质子的缔合—OH2+或离解—OH→—O- + H+,为可变电荷。

c有机物表面  Organicmaterial surface

腐殖物质为主的表面,表面羧基(-COOH)、酚羟基(-OH)、氨基(-NH2)等活性基团。离解H+或缔合H+产生表面电荷。

电荷的产生取决于功能团的解离常数和介质的pH, 属可变电荷。

三类胶体表面往往相互交织。

三、土壤胶体表面积与比表面

1、比表面的概念

比表面(Specific surface areas):单位质量(体积)土壤或土壤胶体的总表面积。

2、比表面的影响因素

物体颗粒愈细小,表面积愈大。黏土矿物晶核、有机物成分和无机胶膜等对表面积有重要贡献:黏土矿物的类型不同,表面积大小和表面类型差别很大。膨胀性2:1型黏土矿物总表面积大,以内表面积为主;非膨胀性2:1型和1:1型黏土矿物总表面积小,一般以外表面为主(水化埃洛石例外)。水铝英石比表面较大,内、外表面各一半。铁、铝氧化物的比表面与其晶化程度有关,以外表面为主(砖红壤游离氧化铁表观比表面170m2/g) 。土壤有机质的比表面大,表观比表面可达700 m2/g

3、比表面的测定方法

a仪器(电子显微镜,X射线衍射仪)法。先用指定的仪器(激光衍射法粒度分析仪)测得有代表性的土壤或粘土矿物颗粒的形状和大小,再计算其理论比表面积,又称为计算法。由于土壤胶体组成的非均一性和复杂性,该法难以用于土壤及其胶体比表面积的测定。它主要用于确定结晶良好、组成一定的纯矿物颗粒的比表面积。

b吸附法。用分子大小为已知的指示吸附质在土粒表面形成单分子层吸附,并用单个分子的面积乘以在土粒表面形成单分子层吸附时所需分子的数目,从而得到土壤颗粒的比表面。比表面=单个分子面积×土壤颗粒表面吸附单分子层所需分子数

四、土壤胶体的表面电荷与动电电位

(一)、土壤胶体电荷的种类

1、永久电荷(Permanent charge)

永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换,具有的电荷就不受外界环境(pH、电解质浓度等)影响。如2:1型矿物。

2、可变电荷(Variable charge)

土壤固相表面从介质中吸附离子或向介质中释放离子产生,其电荷类型和数量均决定于介质的酸碱度,又称pH依变电荷。如腐殖质具有很多含氧功能团,这些功能团在介质pH值发生变化时,可解离而带电。羟基、酚羟基解离使腐殖质带负电,氨基质子化使腐殖质带正电荷。1:1型黏土矿物的晶面一面为硅氧烷型表面,另一面则为羟基化表面,后者在介质pH值发生变化时,吸附或释放一个H+,使表面带电。水合氧化物带可变电荷:在某一特定pH条件下,土壤的电荷为零,此pH称为电荷零点,简称ZPC。当介质pHZPC时氧化物带负电;pHZPC时氧化物带正电.

(二)土壤胶体电荷数量

1、概念

一般用每千克物质吸附离子的厘摩尔数表示,常见的是阳离子交换量CEC [cmol(+)/kg]。决定土壤吸附离子的多少。

a阳离子交换量 Cation exchange capacity (CEC):当pH7时土壤净负电荷的数量,单位为 cmol(+)/kg

b阴离子交换量 Anion exchange capacity (AEC):一定条件下土壤的正电荷量,单位为cmol(-)/kg

2、影响土壤电荷数量的因素

a土壤质地。土壤所带电荷数量,80%集中在粒径小于2微米的胶体部分,故黏粒数量愈多的黏质土,带电愈多。

 b胶体类型及组成成分。有机胶体带负电荷量150-11250pxol/kg;无机胶体为5-100 cmol/kg2:1型黏土矿物带负电量大于1:1型黏土矿物;土壤中氧化物类胶体,由于电荷零点较高,因此一般带负电荷很少。甚至带正电荷。

 c土壤胶体组分间的相互作用。土壤中有机胶体和无机胶体往往结合在一起成为有机无机复合体,其复合胶体带电量不是二者分散存在时带电量的加和而是负电荷减少,存在非加和性。磷酸根、硫酸根和硅酸根的吸持使土壤负电荷增加;游离氧化铁对负电荷也有影响。

d土壤pH。土壤正电荷随pH的降低而增加;如果土壤胶体带净正电荷,它就随pH的降低而增加;如果土壤胶体带净负电荷,它就随pH的升高而增加。

3、电荷密度

决定离子吸附的牢固程度,影响土壤中离子移动和扩散,有机无机复合体形成,土壤分散、絮凝和膨胀、收缩等性质

4、电荷符号(+/ -)

土壤的正电荷和负电荷的代数和;大多数土壤带净负电荷。

三、土壤胶体表面电位与胶体的凝聚和分散

1、土壤胶体的动电电位

aGouy双电层模型

bStern双电层模型

cGrahame双电层模型

2、胶体的凝聚和分散

胶体的两种状态:溶胶(胶体微粒均匀分散在水中,呈高度分散状态)和凝胶(胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状)。

胶体的凝聚或分散决定于动电电位的高低:动电电位越高,排斥力愈强,呈溶胶状态;动电电位越低,当吸引力大于排斥力时,呈凝胶状态。土壤胶体由于大多带有负电荷,相互具有负电位,而互相排斥,不易凝聚。

电解质阳离子的凝聚力大小顺序为:

         Fe3+> Al3+ > Ca2+> Mg2+> H+ > NH4+ > K+ > Na+