一、离子吸附的概念

根据物理化学反应原理，溶质在溶液中呈不均一的分布状态，溶液表面层中的浓度与其内部不同的现象称为吸附作用。凡是使溶液表面层中溶质的浓度大于液体内部浓度的作用称为正吸附，反之则称为负吸附。土壤胶体表面或表面附近的某离子浓度高于或低于扩散层之外的自由溶液中该离子浓度，就视为土壤胶体对该离子发生了吸附作用。

二、阳离子静电吸附

土壤溶液中的阳离子转移到土壤胶体表面为土壤胶体所吸附的过程。

土壤胶体一般带负电荷，通过静电力(库仑力)吸附溶液中的阳离子，在胶体表面形成扩散双电层。土壤胶体表面静电引力产生的阳离子吸附速度、数量和强度决定于胶体表面电位、离子价数和半径等因素。土壤胶体表面负电荷愈多，吸附阳离子数量愈多；电荷密度愈大，阳离子带电荷愈多，离子吸附愈牢。不同价阳离子与土壤胶体表面亲和力：

     M³⁺> M²⁺ > M⁺

同价阳离子，水合半径越小，离子吸附强度越大。

Cs⁺ > Rb⁺ > NH₄⁺> K⁺ > Na⁺ > Li⁺

三、阳离子交换

1、概念

阳离子交换作用(cation exchange) 指土壤溶液中的阳离子与土壤胶体表面吸附的阳离子互换位置。可分为：

a阳离子吸附(cation adsorption) ：土壤溶液中的阳离子转移到土壤胶体表面，为土壤胶体所吸附。

b阳离子解吸(cation desorption) ：土壤胶体表面吸附的阳离子转移到土壤溶液中。

*交换性阳离子(exchangeable cation) ：被土壤胶体表面所吸附，能被土壤溶液中的阳离子所交换的阳离子。交换性阳离子可分为两类：一类是致酸离子，包括氢离子和铝离子；另一类是盐基离子，是除氢铝以外的交换性阳离子。

2、阳离子交换作用的特点

a阳离子交换作用是可逆反应，反应速度很快，溶液中与胶体表面吸附阳离子处于动态平衡；

b阳离子交换遵循以离子价为基础的等价交换原则；

c阳离子交换符合质量作用定律。

d补偿阳离子和陪伴阴离子都对阳离子交换有影响

土壤中常见的几种交换性阳离子的交换能力的顺序为：

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

3、阳离子交换的影响因素

a胶体表面性质：表面电荷数量与电荷密度

b阳离子交换能力，即阳离子与胶体表面之间的亲和力。高价阳离子交换能力大于低价离子，水合半径小的阳离子交换能力大于水合半径大的（H+例外，半径小，水合度低，运动快，交换能力强）

c阳离子的浓度和数量（符合质量作用定律）。实践中可以通过增加有益阳离子浓度的方法调控交换方向，提高肥力和控制污染。

4、阳离子交换量（CEC）及其影响因素

a概念。CEC指一定pH（7）条件下，土壤所能吸附或交换的阳离子的容量，通常以每千克干土所含阳离子的厘摩尔数表示，写为： cmol(+)/kg。土壤CEC实际上是土壤所带负电荷的数量。CEC与土壤胶体的比表面和表面电荷有关。阳离子交换量可作为土壤保肥能力和缓冲能力的指标。

b影响土壤。无机胶体类型：一般黏土矿物CEC 2:1型>1:1型，1:1型>氧化物，2:1型中蒙脱石类>水云母类。有机质含量：有机胶体所带负电荷量较无机胶体大得多，因而有机质含量高的土壤阳离子交换量高，保肥力强。土壤质地：由砂质向黏质变化，阳离子交换量逐渐增大。土壤酸碱性：带可变电荷的土壤胶体，酸碱性是影响其电荷数量的重要因素，进而影响土壤CEC和保肥能力，例如砖红壤pH值由自然条件下的5左右提高到7左右时，其负电荷量约增加70%。

5、盐基饱和度(Base saturation percentage of soil，BS)

盐基离子占交换性阳离子总量(CEC)的百分数。盐基饱和度常作为判断土壤肥力水平的重要指标。高肥力土壤BS ≥80%；中等肥力土壤BS 50%~80%；低肥力土壤BS ＜50%。

我国土壤盐基饱和度大致以北纬33°为界，以北盐基饱和度较高，可高达80%～100%；以南盐基饱和度较低，在20%～30%之间，有的甚至少于10%。盐基饱和度高的土壤，交换性阳离子以Ca²⁺为主，其次是Mg²⁺，分别占80%和15%；还有少部分K⁺和Na⁺。盐基饱和度低的土壤，交换性阳离子以H⁺和Al³⁺为主。

*盐基饱和土壤：土壤胶体上吸附的阳离子绝大部分是盐基离子，呈盐基饱和状态；具有中性或碱性反应。

*盐基不饱和土壤：土壤胶体上吸附的阳离子仅部分是盐基离子，其余为致酸离子，呈盐基不饱和状态；具有酸性反应。

6、交换性阳离子的有效度及其影响因素

交换性阳离子对植物都是有效性的，但有效程度却不一样，主要受下列因素影响。

a离子饱和度 (Degree of ionsaturation)。土壤吸咐某种交换性阳离子的数量，占土壤交换性阳离子总量的百分数。离子饱和度愈高，其有效性愈高。

b互补离子效应(Complementary ioneffect)。对某一指定吸附离子，其他并存的离子都是它的互补离子。互补离子效应是由于各种阳离子被胶体吸附能力不同所致。有的阳离子被土壤胶体吸着的力大，吸着很紧；有的阳离子被胶体吸着的力小，吸着松散。阳离子交换能力决定于阳离子的价数，高价的交换能力大于低价。同价离子的交换能力，则与离子半径和水化程度有关。H⁺例外，半径小，水合度低，运动快，交换能力强。

c粘土矿物类型。高岭石类粘土矿物有外表面而无内表面，阳离子吸着于外表面上，容易解吸，有效性高；蒙脱石类粘土矿物既有强大的外表面，又有内表面，吸着阳离子的有效性低于高岭石；水云母类粘土矿物由于硅层晶穴对阳离子K₊或NH₄⁺产生固定作用，降低其有效性；氧化物类胶体对阳离子产生专性吸收，使阳离子失去有效性。

d土壤pH。改变土壤表面电荷性质。

e阳离子的专性吸附。

7、阳离子的固定

2:1型黏土矿物的晶层之间，具有6个硅氧四面体联成的六角形网孔，孔穴的半径为0.140nm，其大小恰好与K⁺(0.133nm)和NH₄⁺(0.143nm)接近。一旦K⁺和NH₄⁺)进入矿物层间，陷入网孔中，就很难被其他阳离子交换出来，成为固定态阳离子。这种形态的阳离子，其有效性大大降低，但可以避免这些阳离子淋失，起到保存土壤养分的作用。

四、阳离子的专性吸附

1、机理

土壤铁、铝、锰等的氧化物胶体，其表面阳离子不饱和而水合(化)，产生可离解的水合基(—OH₂)或羟基(—OH)，它们与溶液中过渡金属离子(M²⁺、MOH⁺)作用而生成稳定性高的表面络合物，这种吸附称为专性吸附。它不同于胶体对碱金属和碱土金属离子的静电吸附。

过渡金属（ⅠB、ⅡB族等）水合热较大，在水溶液中呈水合离子形态，并较易水解成羟基阳离子：M²⁺＋H₂O→M（H₂O）²⁺→MOH⁺＋H⁺ 。水解阳离子电荷减少，致使其向吸附胶体表面靠近的能障降低，有利于与表面的相互作用。

若过渡金属呈M²⁺离子态被专性吸附，形成单配位基表面络合物（-O-M），反应后释放1个H⁺，并引起1个电荷变化。若呈MOH⁺离子态被吸附，形成双配位基表面络合物（-O-M-OH），反应后释放2个H⁺，但表面电荷不变化。专性吸附在胶体表面正、负、零电荷时均可发生，反应结果使体系pH下降。

    层状硅酸盐黏土矿物边面裸露的Al-OH基和Si-OH基与氧化物表面羟基相似，有一定专性吸附能力。专性吸附的金属离子为非交换态，不参与一般的阳离子交换反应。可被与胶体亲合力更强的金属离子置换或部分置换，或在酸性条件下解吸。

2、影响因素

a土壤pH。pH升高有利于吸附反应的进行。

b土壤胶体类型及结晶程度。非晶质阳离子专性吸附量较高，非晶质的氧化锰＞非晶质氧化铝＞非晶质氧化铁。

3、阳离子专性吸附的意义

a对多种微量重金属离子的富集作用。红壤、黄壤的铁锰结核中，Zn、Co、Ni、Ti、Cu、V等都有富集。其中Zn、Co、Ni与锰含量呈正相关，而Ti、Cu、V、Mo与铁含量呈正相关。这在地球化学探矿上有实用价值。

b控制土壤溶液中重金属离子浓度。通过专性吸附和解吸，控制土壤溶液中Zn、Cu、Co、Mo等微量重金属离子浓度。从而控制其生物有效性和生物毒性。Pb污染的土壤中加入氧化锰，可抑制植物对Pb的吸收，降低毒害。

c净化与污染作用。土壤氧化物胶体对重金属污染离子的专性吸附固定，对水体起一定的净化作用，并对植物从土壤溶液吸收和积累这些金属离子起一定的缓冲和调节作用，但同时给土壤带来潜在的污染危险。