第八章 土壤胶体与土壤离子交换.ppt(下载附件 2.01 MB)

要求

[1]掌握土壤胶体的概念及特征；

[2]掌握土壤胶体的类型；土壤阳离子交换作用的概念、特点和影响因素；

[3]掌握阳离子交换量、盐基饱和度等概念及其影响阳离子交换的因素；

[4]了解2:1型粘土矿物和1:1型粘土矿物的物理和化学特性以及与肥力关系；

[5]了解我国土壤粘土胶体的分布规律。

 

第八章    土壤胶体和土壤离子交换

8.1    土壤胶体

土壤具有吸附和交换阳离子、阴离子的能力，这种作用主要取决于土壤胶体以及存在于土壤溶液中的各种离子。土壤中离子交换作用的强弱和交换量的大小，与土壤胶体的种类、数量、结晶构造以及环境条件有密切关系，它对土壤养分的保持、供应及土壤其它性质影响很大。胶体分散系是土壤中最活跃的部分，它是土壤各种理、化性质的基础。

8.1.1.土壤胶体（soil colloid）的的概念:

颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽、高三向中一个方向的长度）在1~100nm范围内的带电的土壤颗粒与土壤水组成的分散系。通常情况下，直径小于2µm（或1µm）的土粒便具有胶体的性质，因而被视为土壤胶体颗粒。

8.1.2．土壤胶体的构造（图1）

8.1.2．1胶核：

是胶粒的基本部分。土壤胶体胶核的成分由二氧化硅、氧化铁、氧化铝、次生铝硅酸盐、腐殖质等的分子团所组成。

扩散层的离子具有较强的交换能力，容易和土壤溶液中的其它相同电荷的离子互相取代。扩散层以内的部分，即从胶核到非活性补偿离子层，称胶粒。连同扩散层的全部构造，则称胶团或胶胞。

注：把土壤胶粒完全理解为图1的球形构造，显然是错误的。现代土壤学的研究说明，只有土壤有机胶粒，或无定形的氢氧化铁、氢氧化铝、含水氧化硅和水铝英石等矿质胶粒可以认为近似圆球形构造。而土壤中大多数矿质胶粒，例如层状硅酸盐类粘土矿物通过X-射线和电子显微镜的研究，已经明确是层状构造图2。

8.1.3．土壤胶体的性质

8.1.3．1土壤胶体具有巨大比表面积(specific surface area)和表面能(surface energy)：

单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积或比面，单位cm2·g-1或cm2·cm-3。物体分割得愈细小，单体数愈多，总面积愈大，比面也愈大（表1）和（表2）。
表1   1cm3物质表面积随分散度变化的情况

立方体边长 （cm）	立方体数目	总表面积	比表面积 （cm2·cm-3）
1	1	6cm2	6
0.1	103	60cm2	6×10
0.01	106	600cm2	6×102
0.001	109	6000cm2	6×103
0.0001	1012	6m2	6×104
0.00001	1015	60m2	6×105
0.000001	1018	600m2	6×106
0.0000001	1021	6000m2	6×107

 

表2  各粒径土粒的比面

土粒 （粒径mm）	比表面积 （cm2·g-1）	土粒 （粒径mm）	比表面积 （cm2·g-1）
粗砂粒（1）	22.6	粘粒（0.0005）500nm	45,200
中砂粒（0.1）	226	胶粒（0.0001）100nm	226,000
细砂粒（0.01）	2,260	胶粒（0.00005）50nm	452,000
粘粒（0.001）	22,600	胶粒（0.00001）10nm	2,260,000

 

 

实际土壤的颗粒形状多种多样，只有砂粒近似球形，但也不是光滑的球体，表面大多凹凸不平。如上所述，大部分粘粒、胶粒和一部分粉砂粒是片层状。因此，实际土壤胶体的表面积和比面都大于单纯的光滑的球体。

由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的表面能。因为物体表面分子与物体内部分子所处的条件不同，颗粒周围吸力不均衡，或不饱和，从而使表面分子产生一定的剩余自由能（称表面能）。表面能是胶体产生物理吸附（如对液体分子或气体分子吸附的原因。

8.1.3．2土壤胶体的带电性：

土壤中所有胶粒都是带电的（胶体的基本条件），这是土壤产生离子吸附和交换、离子扩散、酸碱平衡、氧化还原反应以及胶体的分散与絮凝等现象的根本原因。而这些反应都直接或间接关系到土壤的水、肥、气、热性质，因此，土壤胶体的带电性对土壤肥力性质有重要影响。胶体电荷的来源由以下几种途径：

同晶异质代换作用(isomorphic substitution)：层状铝硅酸盐粘土矿物在形成时，中心离子可以被其它相近或稍大的同性离子代换而产生电荷，但矿物的结晶构造型式不变。

例如四面体中的硅可被铝代换，八面体中的铝可被铁、镁代换，晶体中产生了剩余负电荷，使晶层带负电。由于这种电荷是晶体组成本身产生的，它不随介质pH值的变化而变化，所以称为永久负电荷(permanent negative charge)或内电荷。

晶格破碎边缘的断键  在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有一部分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。例如晶格在硅层或铝层截面上断裂，Si—O—Si，Al—O—Al在断裂后，断面上留下Si—O-、Al—O-，从而带负电。

胶体表面分子的解离或吸收离子而带电荷 

结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着—OH原子团，在一定条件下，当H+解离后，则使胶核带负电，如H2SiO3和层状硅铝酸盐粘土矿物中解离H+后使胶核带负电。当OH-发生解离时，则胶核带正电，如Fe(OH)3或Al(OH)3中的OH-解离后则带正电。这种作用与普通酸碱解离相似，受溶液的pH影响，因此称为可变电荷(variable charge)。

Fe(OH)3或Al(OH)3解离H+而成为带负电的胶体，还是解离OH-而成为带正电的胶体主要取决于溶液的pH值。

腐殖质类有机胶体，其分子上的羧基和酚羟基上的H+解离而带负电，分子上胺基则可吸收H+而带正电荷。

当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的正负电荷相等时，此时胶体悬液的pH值称为等电点(isoelectric point)。在土壤pH5—8的条件下，腐殖质和铝硅酸盐等胶体都带负电，表现为对阳离子的吸附，只有Fe(OH)3和Al(OH)3带正电，吸附阴离子。故土壤胶体在通常情况下以带负电为主。

8.1.3．3土壤胶体的分散(dispersion of soil colloid)和凝聚(gelatination of soil colloid)：

胶体可以有两种状态。一种是溶胶，即溶液状态的胶体，胶粒互相排斥，分散在溶液里；一种是凝胶，即絮状无定形沉淀状态的胶体，胶粒互相凝聚在一起成较大的颗粒。

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。要使胶体凝聚，必须减小动电电位，减小扩散层厚度，以减小排斥力和胶团之间的距离。如电解质可使溶胶发生聚沉，因为加入电解质后，离子浓度增大，部分扩散层中的反离子进入非活性层，使扩散层变薄，动电电位随之降低。当扩散层全部反离子都转入非活性层内，此时的ζ电位下降到零，胶粒呈电中性，很快凝聚沉淀。实验证明动电电位下降到零以前，就开始凝聚。电解质对胶体的凝聚作用受以下因素的影响：

电解质的浓度愈大，愈能有效地中和异电胶体的电性，愈能减小扩散层厚度，使胶粒凝聚。

电解质中异电离子的价数愈高，聚沉能力愈大，三价离子大于二价离子，二价离子大于一价离子；同价离子中，凝聚力大小与本身半径和水化半径有关，凡离子本身半径大或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则小。电解质阳离子对于负电胶体的凝聚力大小顺序如下：

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

阳离子凝聚力的大小，可从含有不同阳离子的电解质促使胶体凝聚时的浓度来证明，表3。

表3   0.5µm粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度

电解质名称	开始凝聚时的浓度（mol·L-1）	电解质名称	开始凝聚时的浓度（mol·L-1）
NaCl	0.0250~0.0125	CaCl2	0.0006~0.00025
NH4Cl	0.0250~0.0125	AlCl3	<0.000042
KCl	0.0250~0.0125	FeCl3	<0.000042
MgCl2	0.0006~0.00025	HCl	0.001~0.0005

注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可逆的。一价阳离子所引起的凝聚作用是可逆的，二价和三价阳离子引起的凝聚作用是不可逆的。因为二价或三价阳离子凝聚力强，它们具有两个以上的价键，可同时粘结在两个胶粒上，使胶粒联系得极紧密，使水分子不易渗入粒间孔隙而分散胶粒。只有在机械力的辅助下，才能破坏其胶结而水化。而一价阳离子，如Na+，不能同时连接两个胶粒，而且水化能力大，一旦遇水即可充满水膜而使胶粒分散开来。阳离子这种凝聚作用的可逆和不可逆，与土壤结构的稳定性有关，钙离子和腐殖质胶结的结构具有水稳性，而钠离子胶结的不具水稳性，就是这个道理。

农业上促进土壤团粒结构形成措施的理论解释：土壤干燥、冻结过程中，水膜消失，也就加大了电解质浓度，减小扩散层厚度，使胶粒互相凝聚而形成结构。生产上晒垡、冻垡等措施也就起了这个作用，所以晒、冻垡有利于土壤形成结构；相反，土壤水分过多，土壤溶液电解质浓度相应减小，扩散层加厚，胶粒互相排斥而成溶胶状。常年泡水的沤水田、烂泥田，土粒分散，缺少结构，通气性差，栽秧后易产生浮秧，就是因为胶粒分散，土壤不沉实。这种情况下，施用石灰（CaO）、石膏（CaSO4），增加Ca2+浓度，对沉实土壤，改良土性，有明显效果。