3 土壤基本性质-2

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土壤酸碱性的空间差异
• 气候因素 • 母质因素 • 生物因素 • 施肥和灌溉 • 酸雨及其它
一、气候因素
气候决定了成土过程的淋溶强度。气温高、降雨量大 的条件下，母质和土壤中的盐基成分易于淋失，使土壤逐渐 酸化。干旱气候条件下，降雨量远低于蒸发量，盐基成分积 累于表层土壤，土壤向碱性方向演化。导致我国土壤“南酸 北碱”的总体格局。
胶体的分散性和凝聚性
凝聚的速度和强度与两个因素有关： 电解质浓度； 电解质种类。 一般地，离子的价数越高，离子半径越大，所产生的凝聚 能力越强。常见阳离子凝聚力的排列顺序是： Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ 土壤中土壤胶体处在凝胶状态时，有利于水稳性团粒 的形成，有利于改善土壤结构。
A
B
南京大学地理与海洋科学学院 南京大学地理与海洋科学学院
第二节
土壤胶体
第二节
土壤分散系及其特征
土壤胶体
胶体是一种均匀混合物。其中含有两种 不同状态的物质，一种分散，另一种连 续。分散的一部分是由微小的粒子或液 滴所组成。 分散质粒子直径：5 nm ~ 200 nm。 土壤溶液中除H2O外的其它成分 ： • 自然降水中所带的可溶物：CO2、O2、NO3-、NH3… • 土壤中存在的其它可溶物：K+、Na+、Cl-、PO43-、胡敏 酸、富里酸…… • 土壤分散系
阳离子交换作用: 保持土壤肥力和净化环境的意义 保持土壤肥力的作用:

给土壤溶液补充养分离子 (类似自动售货机的方式) 防止养分淋失
净化环境作用:

“钝化”毒害物质 • 金属类 • 有机污染物
例：阳离子交换作用 在污水处理中应用

过滤渗漏水
阳离子交换量（CEC）
阳离子交换量 (cation exchange capacity): 在一定的pH条件下，土壤所含有的交换 性阳离子的最大量。 单位: 每千克土壤中交换性阳离子的厘摩尔数， cmol(+)/kg.
土壤是由多相态物质 (固相、液相、气相及生命体) 构成的复杂综合体。土壤物质微粒子分布在土壤液态 水之中，构成了土壤分散系。 土壤胶体: 土壤中的固相、液相和气相呈相互分散的胶体 状态。其固相颗粒直径一般小于1μm，土壤胶体常指这 些固相颗粒在土壤溶液中形成的分散系。 • 无机胶体：次生粘土矿物为主 土壤胶体的种类：• 有机胶体：腐殖质、多糖、蛋白质… • 有机—无机复合胶体
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阴离子吸收的机制
1、静电吸附：土壤带正电荷的胶体表面对阴离 子的吸附。 具有交换性。 如：Cl-，NO3-的吸附 2、配位体交换吸附：指阴离子取代氧化物表面 羟基而被吸附的过程。属于专性吸附。 3、化学沉淀作用：指阴离子与土壤矿物质形成 沉淀的过程。 如磷酸根与铁、铝的沉淀。
土壤对阴离子吸附和保持机理比阳离子更为复杂。土 壤中的阴离子被土壤吸附保持的难易程度差别较大： （1）易于被土壤吸附的阴离子 如磷酸根（H2PO4-、HPO42-、PO43-)、硅酸根和某些有 机酸的阴离子（如草酸根）。 （2）吸附作用很弱的离子 如Cl-、NO3- 、NO2-，极易随水流失。 （3）中间类型的阴离子 如 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介于以上两类之间。
土壤胶体的双电层模型
3
阳离子交换作用的特点
（1）阳离子交换作用是可逆反应。
Micelle
Na+ + H+
Micelle Soil Colloid
H+ + Na+
Soil Colloid
（2）交换是等当量进行的。
Micelle
Ca2 + 2H+
Soil solution
Micelle Soil Colloid
土壤胶体的表面能
表面能：由于表面的存在而产生的能量 在物体的表面，由于表面分子的四周不都是相同的 分子，受到的力就不均衡，使表面分子对外表现有剩余 能量。土壤胶体具有巨大的表面积，因而具有巨大的表 面能。 表面能可以做功，能够吸附 其他物质。胶体数量越多，比表 面越大，表面能也越大，吸附能 力也愈强。
由此表可否推断土壤CEC的空间分异规律？
40
Cation exchange capacity, cmol(+)/kg
pH = 8.2 slope = 0.495
30
20
10
0 0
10
Increased cation exchange capacity (CEC) of soil resulting pH = 5.0-5.5 from increased organic slope = 0.263 C concentration at various pH levels. The pH = 4.0-4.5 slope = 0.122 slopes of the regression lines reflect the greater CEC of humus at higher pH levels. 20 30 40 50 60 70 Organic C, g/kg
Soil is highly individualistic
三 土壤基本性质
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 土壤物理性质 土壤胶体 离子吸附与交换 土壤酸碱性 氧化还原反应
土壤的个性
Elements concentrations of samples from the traffic accident and the Sugang Hill, Yangzhou city, China.
二、母质因素
江苏表层土壤pH
母质的组成性质影 响土壤酸碱度。如酸性 岩上发育的土壤容易向 酸性发展，而基性岩则 相反。
Chemical composition of igneous rocks (%)
2
2:1 型粘土矿物中的同晶替代
sheet charges sheet charges
可变电荷：
variable charge
指随介质pH的变化而变化的电荷。 有机胶体、氧化物胶体的电荷属于可变电荷，层状 硅酸盐矿物的电荷既有永久电荷，也有可变电荷。
5+
e.g. 腐殖质上某些原子团的解离 高pH条件下： -COOH → H+ + COO-OH → H+ + -O低pH条件下： -NH2 → -NH3+
1
土壤中的有机-无机复合胶体
由有机胶体与无机胶体互相结合而形成。 土壤中有机胶体和无机胶体很少独立存在，大部分是 以有机-无机复合胶体的形式存在的。 复合胶体的核心部分 是粘土矿物，外面是 被吸附在矿质胶体表 面的有机胶膜。
土壤胶体的特性：

巨大的比表面和表面积 土壤胶体的带电性 胶体的分散性和凝聚性 土壤胶体的吸收代换性
颗粒直径 （mm） 2.00-1.00 1.00-0.50 0.50-0.25 0.25-0.10 0.10-0.05 0.05-0.002 < 0.002 表面积 （cm2/g） 11 23 45 91 227 454 8 000 000
常见粘粒矿物的比表面积（m2/g）
胶体成分 蒙脱石 蛭石 水云母 高岭石 埃洛石 水化埃洛石 水铝英石 内表面积 700-750 400-750 0-5 0 0 400 130-400 外表面积 15-150 1-50 90-150 5-40 10-45 25-30 130-400 总表面积
常见阴离子被土壤吸附的难易顺序
F- > 草酸根 > 柠檬酸根 > H2PO4- > HCO3- > H2BO3> CH3 COO- > SCN- > SO4
2- >
土壤中离子的吸附与解吸
离子从溶液转移到胶体表面的过程，称为离子 的吸附过程。 吸附的离子从胶体表面转移到溶液去的过程， 称为离子的解吸过程。 研究土壤中离子的吸附和解吸过程是评价土壤 肥力和环境净化能力的常用方法。
单位：cmol／100g 土
土 壤 CEC
砂土 1~5
砂壤土 7~8
壤 土 7~18
壤 土 25~30
土壤胶体的阳离子交换能力
Colloid Range Typical at pH7 --- cmol(+)/kg of colloid --Humus Vermiculite Smectite Fine Mica Allophane Kaolinite Al, Fe oxides 100-300 90-200 80-120 15-40 15-40 5-10 2-6 200 150 80 30 30 8 4
土壤胶体的吸收交换性
带电荷的土壤胶体会吸附土壤溶液中的带相反电荷 的离子，以补偿胶体电性的不平衡。 土壤胶体的吸收交换性能：一部分被吸附的离子， 可以和土壤溶液中的离子进行交换。
第三节 土壤的离子吸附与交换
土壤阳离子交换 (cation exchange)
土壤中带负电荷的胶体所吸附的阳离子，在静电引力、 离子本身的热运动或浓度梯度的作用下，可以和土壤 溶液或其它胶体表面的阳离子进行交换。这种作用就 称为阳离子交换作用。 能互相交换的阳离子就称为交换性阳离子。 交换性阳离子： 致酸离子 H+、Al3+ 盐基离子 Ca2+ 、Mg2+、K+、 NH4+、 Na+
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。
土壤胶体所带的电荷可以分为永久电荷和可变电荷。 永久电荷： 指由于层状硅酸盐矿物晶格中的同晶替代作用所产 生的剩余负电荷。 这种负电荷不受介质pH值的影响。
Si–O–Si Al –O–Al
→
Si–OAl –O-
Permanent & Variable Charge
700-850 400-800 90-150 5-40 10-45 430 260-800
内表面：膨胀性粘土矿物晶层表面和腐殖质分子聚集体内部的表面。 外表面：粘土矿物、氧化物和腐殖质分子暴露在外的表面。
土壤胶体的带电性
土壤胶体表面带有电荷是其最重要的化学特性。 胶体带电的主要原因： （1）同晶替代 （2）断键 （3）表面分子的解离 Al(OH)3 + H+ → Al(OH)2+ + H2O Al(OH)3＋OH- → Al(OH)2O-＋H2O
-1
胶体的分散性和凝聚性
一般情况下土壤带负电荷的数量远大于其所带正电荷的 数量，大多数土壤带有净负电荷。 只有少数含Fe、Al氧化物较高的强酸性土壤上才有可能 带净正电荷。 胶体的两种状态： 溶胶状态：胶粒带同种电荷，彼此互相排斥，所以可以 稳定地分散在介质中。 凝聚状态：胶粒与胶粒互相凝聚 在一起形成絮状或无定形沉淀。 胶体凝聚促进土壤结构的形成。
Cl- >
NO3-
硝酸根容易被淋失，而磷酸根容易被固定。这是 农业生产和环境保护中特别需要注意的问题。
第四节
土壤酸碱性
Hale Waihona Puke Baidu
常见的土壤pH值范围
土壤酸性与土壤酸度：
土壤显酸性和土壤溶液中H+的浓度有关，又 和土壤胶体吸附致酸离子有关。 土壤酸度是土壤中氢离子数量的反映。 土壤酸碱度的表示：pH值
Brazil, pH 5 to 5.6 Costa Rica, pH 3.5 to 4.5 Costa Rica, pH 8.2
土壤中的阴离子吸附
土壤吸附阴离子的原因
1、两性胶体带正电荷 酸性 Al(OH)3 + HCl = Al(OH)2+ + Cl- + H2O 碱性 Al(OH)3 + NaOH = Al(OH)2O- + Na+ + H2O 2 、土壤腐殖质中的 —NH2 在酸性条件下吸附 H+ 成为 — NH3+ 而带正电。 3、粘粒矿物表面上的-OH 原子团可与土壤溶液中的阴离子 代换。
H+ H+
+
Ca2+
土壤 胶粒
Ca2+ + 3K+ NH4+
土壤 胶粒
K+ 2+ + K+ + Ca + NH4 K+
Soil Colloid
Soil solution
（3）阳离子交换受质量作用定律的支配。
阳离子交换作用的特点
（1）阳离子交换作用是可逆反应。 （2）交换是等当量进行的。 （3）阳离子交换受质量作 用定律的支配。
CEC的测定
Sum of the cations
4
影响土壤CEC的主要因素
不同质地土壤的阳离子交换量
1、胶体含量 2、胶体类型 3、土壤pH值
质地粘重、有机胶体含量高则CEC大 有机胶体CEC远比矿质胶体大，施有机肥 可提高土壤保肥能力和环境容量。 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。