第3章 土壤基本性质

铝氧八面体 octahedra
每个氧原子带 1.5个负电荷
六个氧组成
粘土矿物构造特征 Structure of some silicate minerals
铝氧八面体片 octahedral sheet
氧还有一个 负电荷未得 到平衡， 怎么办？
公用上下l两层氧原子形成片
2、单位晶层
硅片
铝片
Si-O Al-O
第3章 土壤基本性质
本 章 要 点
•掌握几种主要的粘土矿物的性质
•掌握胶体带电原因
•掌握几种主要的土壤胶体类型（粘土矿物、含水氧 化物、腐殖质等）
•掌握土壤氧离子交换量、盐基饱和度的概念及意义
３．１
土壤的吸附性能（土壤胶体）
一、土壤胶体
无机胶体
土壤学中所指的土壤胶体是指土壤
土壤胶体 颗粒直径小于2μm或者小于1μm的土壤
1、粘土矿物胶体
土壤中最主要的粘土矿物有高 岭石、伊利石、蒙脱石，还有蛭石、
绿泥石、水铝英石等。
3种主要类型硅酸盐粘粒性质比较
性质 大小（nm） 形状 外表面 内表面
内聚力，可塑性
蒙脱石 0.01～1.0
粘 粒 类 型 伊利石 高岭石
0.l～2.9 100～120 中等 中等 0.l～5.0 5～20 小 无
3、同晶替代
是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小 相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。
＊同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸
附土壤溶液中带相反电荷的离子,使土壤具有保 肥能力。
土壤中同晶替代的规律：
1、四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八 面体中Al3+被Mg2+替代。 2、同晶替代现象在2:1和2:1:1型的粘土矿 物中较普遍，而1:1型的粘土矿物中则相对 较少。
意义：
可作为评价土壤供肥蓄肥能力的指标 即：保肥性的高低
＊我国土壤的阳离子交换量有：由南向北、由
西向东逐渐增大的趋势。（南北的差异主要是粘 土矿物的组成不同；东西的差异还与西部土壤质 地较经有关）
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其 阳离子交换量也越大。
与土壤溶液中的阳离子相互交换的 过程。
可用下式来表示：
土壤 Mg2＋ ＋10NH4＋ 胶粒 AI3＋
K＋
土壤 10NH4+ ＋Ca2＋、Mg2＋、Al3＋、K＋、 2H＋ 胶粒
离子半径及水化程度与交换力的关系 离子半径（A） 离子
Na＋ NH4＋ K＋ Mg2＋ Ca2＋ H＋
价数
1 1 1 2 2 1
2：1
矿物层间
（因两基面均为Si-O, 相互间无吸引力，故 有较大的胀缩性
蒙脱石的矿物结构
水化云母组（2:1型非膨胀性矿物）
特征： （1）2:1型晶层结构，主要代表伊利石 （2）无膨胀性 在伊利石矿物层间吸附有 （3）同晶替代：主要在Si-O层 钾离子，对相邻两晶层产 （4）胶体特性一般 生了很强的键联效果，使 晶层不易膨胀 其保肥力、吸湿性、可塑性、粘结性都 介于高岭石和蒙脱石之间。
盐基饱和度可用来说明土壤 有效养分 的多少；代表了土壤的供肥能力
硅氧四面体 tetrahedra
粘土矿物构造特征 Structure of some silicate minerals
硅氧四面体片 tetrahedral sheet
公用底角氧原子
硅氧四面体 片底层有六 角形网眼要 记住！谁会被
陷进去？
粘土矿物构造特征 Structure of some silicate minerals
③蒙脱石 是由基性火成岩在微碱性环境
下风化而成的。（北方）
同晶置换（永久电荷）
2．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，带负电原因： 凝胶外层硅酸分子产生解离引起
含水二氧化硅（H2SiO3）
H2SiO3
SiO32－＋2H＋
（2）含水氧化铁
主要有: 褐铁矿 2Fe2O3· 2O 3H 针铁矿Fe2O3·2O H
（2）盐基饱和度(base saturation percentage)BSP
在土壤胶体所吸附的阳离子中，交换性盐基离子 的数量占全部交换性阳离子的百分率，叫 盐基饱和 度***。
交换性盐基总量（毫克 当量 / 100克土） 盐基饱和度 100% 阳离子交换量（毫克当 / 100克土） 量
＊土壤阳离子代换量的大小，基本上代表 了 土壤可能吸收养分的数量 ，也即代表 了 土壤的保肥 能力。
（二）土壤阳离子交换的特征
（1）是一种可逆反应 （2）代换以等当量关系进行 （3）遵循等价交换原则 （4）受质量作用定律制约 （5）阳离子间代换能力不同
2、土壤阳离子交换量(CEC) (cation exchange capacity)概念：
在一定pH值时，每百克土壤所含有全部 交换性阳离子的毫克当量数。（多为pH = 7）
（二）粘土矿物基本类型 与特性
硅氧片和铝氧片如何联结？
硅氧四面体
铝氧八面体
硅氧片
铝氧片 晶层
1:1型粘土矿物 2:1型粘土矿物
晶体颗粒 层状铝硅酸盐矿物
四个类组：
高岭石类 蒙脱石类 水云母类 绿泥石组矿物
高岭石类（1:1型矿物）
包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等 特点：(1）1:1型的晶层结构 （2）膨胀性差 （3）同晶替代极少或没有，保肥力差 （4）胶体特性较弱，主要是晶架上的-OH在一定条件下，H+ 向外解离，使其带负电 （5）六角片状，粘着力和可塑性较弱（与蒙脱石比） 高岭组粘土矿物是 南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在 华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。
高岭石的矿物结构
高岭石
单位晶层
瞧：氢键在这里 （牢固） 内表 面 （无）
外表面
蒙脱石类（2:1型膨胀性矿物
包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。
特征：
（1）晶层结构为2:1型，蒙脱石是其典型代表。 （2）胀缩性大 ，吸湿能力强 胀缩性对土壤肥力的影响 （3）同晶替代现象普遍（主要在Al-O层)， a 若膨胀，土壤内的养 分可出来被作物利用； 保肥力强 b 若收缩，养分不易流 通，可保肥 （4）片状结构，且颗粒微细， 故粘结性、粘着性显著， 不利耕作 蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广
因无胀缩性，结合较近，层间 较小，使其总的接触面变小
伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区 的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。
伊利石的结构示意图
绿泥石组（2:1:1型）
绿泥石为代表，是富含镁、铁及少量铬的硅酸盐粘土矿物 特征： （1）2:1:1型晶层结构
（2）同晶替代较普遍
（3）颗粒较小 主要存在于一些漠境、半漠境地带的某些黄土母质发 育的土壤里。我国土壤中含量较少
不规则片状 不规则片状 六方型晶体 大 很大
比表面（m2/g） 700～800
高
高 80～100
中等
中等 15～40
低
低 3～15
膨胀度 阳离子交换量 （cmol/g）
①高岭石 ：
矿物强烈风化作用下的产物（南方红
壤、砖红壤中）
晶架上的-OH在一定条件下，H+向外解离， 使其带负电
②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 。 同晶置换（永久电荷）
1:1型单位晶层:
由一个硅片和一个铝片构成。
Si-O Al-O Si-O 2:1型单位晶层 由两个硅片夹一个铝片构成。
2:1:1型单位晶层 在2:1单位晶层 的基础上多了一个 八面体片水镁片或 水铝片，这样2:1:1 型单位晶层由两个 硅片、一个铝片和 一个镁片（或铝片 ）构成。
2：1
水镁片或水 铝片
腐殖质 蛭 石 蒙脱石 伊利石 高岭石 倍半氧化物
200 100-150 70-95 10-40 3-15 2-4
3、盐基离子与盐基饱和度
（1）盐基离子与致酸离子***
土壤胶体吸附的阳离子，可以分为两类：
致酸离子 H+、Al3+ 交换性阳离子 盐基离子 除H+、Al3+外的其他的
阳离子，如Ca+2、Mg+2、 K+、NH4+……等
绿泥石粘粒矿物结构示意图
由两层四面体与两层八面体构成2：2型矿物
非硅酸盐粘土矿物 （一）氧化铁 （二）氧化铝
（三）氧化硅
起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝 氧化物。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子 ，如土壤中磷酸根离子的吸附，使磷被固定， 失去其有效性。
二、土壤胶体wenku.baidu.com共同特性****
（1）具有巨大的比表面积和表面能 （2）带电性 （3）分散性和凝聚性 （4）吸附代换性
原子量
23.00 18.01 39.10 24.23 40.08 1.000
未水化
0.93 1.43 1.33 0.78 1.06 －
水化
7.90 5.37 5.32 13.30 10.00 0
交换力 顺序
6 5 4 3 2 1
土壤中常见的离子交换能力排列 顺序是： Fe3＋ ＞Al3＋ ＞H ＋ ＞Ca2＋ ＞Mg2＋ ＞K＋＞NH4＋＞Na2＋
（三）有机无机复合胶体
有机胶体与无机矿质胶体通过表 面分子缩合、阳离子桥接及氢键合等
作用连结在一起的复合体，称有机无
复合胶体。
三、土壤表面电荷和电位
（一）土壤电荷的起因和种类
• 永久电荷 • 可变电荷
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。
带正电或负电：
由土壤溶液的酸碱性 决定（pH)
多水针铁矿3FeO3· 2O 4H
一水赤铁3Fe2O3·2O等。 H
（3）含水氧化铝
主要有水铝石Ai2O3·2O和三水铝 H
石Al2O3· 2O等，也是两性胶体，其 3H 电性决定于溶液的酸碱性。
以Al（OH）3为例说明如下： 在酸性环境中带正电： Al（OH）3＋HCl Al（OH）2＋ ＋Cl－＋H2O 在碱性环境中带负电： Al（OH） 3 ＋NaOH H2O
有机胶体
微粒。
胶体电子 显微图像
有机无机复合胶体
无机胶体
粘土矿物
粘粒矿物的概念 组成粘粒的次生矿物叫粘粒矿物。
主要包括∶ 层状的硅酸盐矿物和氧化物类。 前者是晶型矿物，后者有晶型的，也非晶型的。
粘土矿物分类
层状硅酸盐粘土矿物
（一）构造特征
1、基本结构单位
（1）硅氧四面体
（2）铝氧八面体
粘土矿物构造特征 Structure of some silicate minerals
2、可变电荷(variable charge)*** 随pH的变化而变化的土壤电荷，这种电荷 称 为可变电荷。
土壤胶体带负电的可能原因
（1）同晶置换 （2）晶格破碎、边缘断裂 （3）胶体表面羟基解离 （4）铁铝两性胶体因土壤酸碱性不 同带电
胶体双电层构造
Electrical Double Layer
Al（OH） 2O － ＋Na ＋ ＋
（二）有机胶体
指土壤中腐殖质、多糖等高分子
化合物的细分散状态，具胶体特 性。有机胶体主要是腐殖质。
带负电原因： 腐殖质的羧基和酚羟基的氢解 离所致
腐殖质胶体带电
－COOH ◎
－OH
－COO ＋H ◎
－O－
－
＋
＋H
＋
由于腐殖质分子量大、官能团多， 解离后带电量大，对土壤保肥供肥性有 重要影响。
土壤胶体的比表面积
土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2·-1） g
胶体成分 内表面积 外表面积 总表面积
总之：2：1型粘土矿物和有机质的含量越 700-750 15-150 700-850 蒙脱石 400-750 1-50 400-800 蛭 石 高，土壤的比表面积越大。
水云母 高岭石 埃洛石 水化埃洛石 水铝英石 0-5 0 0 400 130-400 90-150 5-40 10-45 25-30 130-400 90-150 5-40 10-45 430 260-800
决定电位离子：potential determining ion
扩散双电层：diffused double layer
四、土壤胶体的交换作用
土壤胶体的交换作用是指土壤 胶体微粒扩散层中的离子与土壤溶
液中的离子相互交换过程。
分为：阳离子交换作用、阴离子交 换作用两种。
1、土壤的阳离于交换作用
（一）阳离子交换作用的过程 是指胶体表面所吸附的阳离子
质地 CEC
砂土 1~5
砂壤土 7~8
壤土 15~18
粘土 25~30
（2）有机质 OM % CEC
（3）胶体的性质及构造 蒙脱石 ＞ 高岭石
（4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高， 土壤的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量 也增加。
不同类型土壤胶体的阳离子交换量
土壤胶体 CEC[cmol(+).kg-1]