第八章 土壤胶体和土壤离子交换
第八章 土壤胶体与土壤离子交换-胶体性质
土壤胶体的结构和性质
4. 土壤胶体的吸附性和交换能力
由于胶体的巨大表面能，使其对周围分 子或离子有很强的吸附力，同样胶体的电 性使其扩散层的离子与土壤溶液中的离子 有交换能力。
比表面积 （cm2·g-1）
45,200
226,000
452,000
2,260,000
很显然,土粒越细比表面越大,土壤中颗粒的形状多种多样. 只有砂粒近 似球形,但其表面大多不平,大部分粘粒多为片状,棒状,针状, 实际上胶 体的表面积比光滑的球体大得多。
由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的表面能。
立方体数 目 1 103 106 109 1012 1015 1018 1021
总表面积
6cm2 60cm2 600cm2 6000cm2 6m2 60m2 600m2 6000m2
比表面积 （cm2·cm-3）
6 6×10 6×102 6×103 6×104 6×105 6×106 6×107
土壤胶体的结构和性质
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。
H2SiO3
HSiO3- +H+
SiO32-+H+ （带正电）
土壤胶体的结构和性质
土壤胶体与离子交换作用
盐 基 饱 和 度 （ % ） =
× 1 0 0 %
阳 离 子 交 换 量 （ c m o l / k g ± ）
它与土壤酸碱反应关系密切
当土壤胶体吸附的阳离子全部或大部分为盐基离子时， 则土壤呈盐基饱和状态，这一土壤称为盐基饱和土壤。 （呈中性或碱性反应） 当土壤胶体所吸附的阳离子仅部分地为盐基离子，而其余 一部分为H+和Al3+时, 则这一土壤胶体呈盐基不饱和状态, 称为盐基不饱和土壤。（呈酸性反应）
3.土壤总电荷
土壤总电荷等于永久电荷与可变电荷的 总和。
一般土壤的pH在5~9之间，大部分土壤胶 体都带负电荷。只有两性胶体和少量的同晶 替代可能产生一定量正电荷。
但是，整体上来看，土壤胶体以带负电荷 为主。当pH<5时则可能带较多正电荷。
土壤中80%以上的土壤电荷集中于粘粒上
（三）土壤胶体存在可改变的状态―凝聚 与分散
（二）土壤胶体的带电性 土壤胶体带电性是其主要的特性。
土壤胶体的电荷
永久电荷 可变电荷
1.永久电荷：不受土壤溶液pH值变化而影响的 电荷类型称为永久电荷，也叫恒电荷或结构电 荷。
同晶替代是产生永久电荷的原因。
2.可变电荷 ： 随着土壤溶液pH变化而变 化的电荷叫可变电荷。
可变电荷产生的原因：主要是胶体表面分 子解离。 （1）含水氧化硅分子解离 （2）粘土矿物晶面上羟基解离（1:1型粘 土矿物在pH<5时可以解离） （3）腐殖质分子表面解离 （4）含水氧化铁铝表面解离出OH-，带正 电荷（在pH<5时带正电荷）
溶液中的阳离子。 2.解吸：这些被吸附的阳离子在一定条件下可以
和土壤溶液中的阳离子互相交换，从胶体表面进入 溶液。
3.阳离子交换作用：通过吸附和解吸，引起离 子位置相互交换的作用。
土壤学教案-第八章.土壤胶体和土壤离子交换(下)
土壤学课程教案课程编号： _______________________ 章节名称及内容：土壤胶体和土壤离子交换（下）所在课程顺序号：第14个教案授课学时与时长： 1.75学时授课教师：王聪课程类型：学类核心巡一、教学目标1、熟练掌握阳离子交换量和盐基饱，深刻理解离子交换在土壤肥力上的意义二、教学内容1、土壤吸附能力三、教学重点1、阳离子交换量、盐基饱和度、土壤养分离子有效性的影响因素四、教学难点1、影响土壤养分离子有效性的因素五、教学方法课堂讲授、多媒体辅助和板书相结合。
六、教学过程开始课堂讲授前播放一段相关的视频或则提出与本次课程相关的几个问题进行提问并讲解上次课堂留下的问题和作业，然后开始进行课堂讲授，讲授过程穿插问题提问，本次课程结束时布置作业或则留下几个问题进行下次课堂的提问主要内容8.2土壤吸附能力8.2土壤吸附能力8.2.1土壤吸附的概念1概念：土壤的吸附性能：土壤颗粒表面具有能够吸附阴阳离子、气体、液体等物质的能力。
土壤吸附性能是土壤的重要特性，由于具有吸附性能，使土壤起到“库”的作用，避免了土壤养分的淋失，从而达到保蓄养分的能力，这对于植物营养、±壤肥力以及污染土壤的自净能力等方面起极其重要的作用O8.2.2土壤吸附的类型交换性吸附：土壤胶粒带有电荷借静电引力从溶液中吸附带异号电荷的离子或极性分子。
土壤固相从溶液中吸附离子的同时，也伴随着固相表面上交换离子的解吸。
（最主要的吸附类型）专性吸附：非静电因素引起的土壤对离子的吸附作用。
它是指离子通过表面交换与晶体的阳离子共用1个或2个氧原子，形成共价键而被土壤吸附的现象。
负吸附：指土粒表面的离子或分子浓度低于整体溶液中该离子或分子的浓度的现象。
8. 2.3土壤阳离子交换与吸附作用1.概述土壤阳离子交换作用：指土壤胶体表面所吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子相互交换的作用。
交换性阳离子：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。
第8章 土壤阳离子交换量分析.ppt.Convertor
第八章土壤阳离子交换性能的分析P152第一节概述土壤中阳离子交换作用，早在19世纪50年代已为土壤科学家所认识。
当土壤用一种盐溶液（例如醋酸铵）淋洗时，土壤具有吸附溶液中阳离子（例如铵离子）的能力，同时释放出等量的其它阳离子如Ca 2+、Mg2+、K+、Na+等交换性阳离子。
在交换中还可能有少量的金属微量元素和铝。
Fe3+ (Fe2+)一般不作为交换性阳离子，因为它们的盐类容易水解生成难溶性的氢氧化物或氧化物。
土壤吸附阳离子的能力用吸附的阳离子总量表示，称为阳离子交换量[cation exchange capacity，简作（Q）]，其数值以厘摩尔每千克（cmol·kg-1）表示。
土壤交换性能的分析包括土壤阳离子交换量的测定、交换性阳离子组成分析和盐基饱和度、石灰、石膏需要量的计算。
土壤交换性能是土壤胶体的属性。
土壤胶体有无机胶体和有机胶体。
土壤有机胶体腐殖质阳离子交换量200～400cmol·kg -1。
无机胶体包括各种类型的粘土矿物，其中2:1型的粘土矿物如蒙脱石的交换量为60～100cmol·kg-1，1:1型的粘土矿物如高岭石的交换量为10～15cmol·kg-1。
因此，不同土壤由于粘土矿物和腐殖质的性质和数量不同，阳离子交换量差异很大。
例如东北的黑钙土的交换量为30～50cmol·kg-1，而华南的土壤阳离子交换量均小于10cmol·kg-1：这是因为黑钙土的腐殖质含量高，粘土矿物以2:1型为主；而红壤的腐殖质含量低，粘土矿物又以1:1型为主。
阳离子交换量的测定受多种因素影响。
例如交换剂的性质、盐溶液的浓度和pH等，必须严格掌握操作技术才能获得可靠的结果。
作为指示阳离子常用的有NH4+、Na+、Ba 2+，亦有选用H+作为指示阳离子。
各种离子的置换能力为：Al 3+ > Ba2+> Ca 2+> Mg 2+> NH4+> K+> Na+。
土壤胶体的离子交换作用
土壤胶体的离子交换作用离子交换作用包括阳离子交换吸附作用和阴离子交换吸附作用。
一、土壤阳离子交换吸附作用的概念1.土壤胶体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳离子或不同胶粒上的阳离子相互交换的作用，称为阳离子交换吸附作用。
2.当土壤溶液中阳离子吸附在胶体上时，表示阳离子养分的暂时保蓄，即保肥过程；当胶体上的阳离子解离至土壤溶液中时，表示养分的释放，即供肥过程。
二、土壤阳离子交换吸附作用的特点1. 可逆反应：在自然状况下，很难把土壤胶体上某一阳离子完全彻底地代换到溶液中去。
同时，土壤胶体上吸附的阳离子也必然是多种多样的，不可能为单一种离子所组成。
在湿润地区的一般酸性土壤中，吸附的阳离子有Al3+、H+、Ca2+、Mg2+、K+等；在干旱地区的中性或碱性土壤中，主要的吸附性阳离子是Ca2+，其次有Mg2+、K+、Na+等。
2. 等量交换：以等量电荷关系进行，如一个Ca2+可交换两个Na+；一个二价的钙离子可以交换两个一价的氢离子。
3. 速度受交换点位置和温度的影响：①位置：如果溶液中的离子能直接与胶粒表面代换性离子接触，交换速度就快；如离子要扩散到胶粒内层才进行交换，则交换时间就较长，有的需要几昼夜才能达成平衡。
高岭石类矿物交换作用主要发生在胶粒表面边缘上，所以速率很快；蒙脱石类矿物的离子交换大部分发生在胶粒晶层之间，其速率取决于层间间距或膨胀程度；水云母类的交换作用发生在狭窄的晶层间，所以交换速率较慢。
（高岭石〉蒙脱石〉水云母）②温度：高温可加快离子交换反应的速率，因为温度升高，离子的热运动变得更为剧烈，致使单位时间内碰撞固相表面的次数增多。
三、影响阳离子交换作用的因素1.阳离子的交换能力：（指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换下来的能力。
）主要决定于阳离子被胶粒吸附的力量（或称阳离子与胶体的结合强度），它实质上是阳离子与胶体之间的静电能。
a.离子电荷价：M3+> M2+> M+（M表示阳离子）b.离子的半径及水化程度：同价离子，离子半径大水化半径小，交换能力越强。
土壤 阳离子交换性能的分析
一、交换方法：
1、多次淋洗或离心交换法： • 根据化学平衡移动规律，用交换剂多次淋 洗（或离心）土壤，使交换完全。此法交 换程度完全，但费时。 2、一次平衡交换法（快速测定法）： • 土样加入交换剂，振荡后过滤，此法交换 不完全，但简便、快速，可满足一般分析 的要求。
二、交换剂的选择
1、影响CEC测定的因素： 交换剂性质 不同交换剂阳离子交换土壤阳离子的能力不同： Al3+＞Ba2+＞Mg2+＞H+＞NH4+＞K+＞Na+ 交换剂盐浓度： 越高，交换能力越强 交换剂pH值 (1) CEC由土壤胶体表面净负电荷总量决定，无机、有机 胶体官能团产生的正负电荷和数量常因溶液pH改变而改变。 (2)酸性土壤中，一部分负电荷可能为带正电荷的铁、铝 氧化物所掩蔽，一旦溶液pH升高，铁、铝氧化物沉淀而增 强土壤胶体负电荷。
因此，测量土壤CEC时交换剂常具有一定的pH缓冲性能。
2、交换剂的选择
（1）酸性和中性土壤： 一般用pH 7.0的1 mol/L NH4OAc作交换剂。 优点： a、土壤中NH4+含量很少，不干扰测定； b、NH4+易除去，在淋洗多余的NH4+时，不易引起土壤分散； c、交换到土壤上的NH4+，测定方法多（蒸馏、比色等），简 便。 注意： 含蛭石多的土壤能固定NH4+，使测值偏低，所以不能用 NH4OAc法，可改用其它交换剂，如Na+、Ba2+的盐溶液。 NH4OAc交换剂不适合于石灰性土壤，因为它对石灰质溶 解性大（如对CaCO3、MgCO3）。
H+
Al3+
H+
Soil Clay
Al3+ Ca2+ 2+ 2+ Mg Mg Ca2+ Soil Solution NH4+ NH4+ K+ + + + K Na Na
第八章 土壤胶体和土壤离子交换
土壤胶体的结构和性质
层状硅酸盐晶层上的-OH基可以解离出 H+，带负电:
结 -OH 晶 -OH 体
-OH
结 晶 体
-OH
-OH -OH +3H+
土壤胶体的结构和性质
土壤胶体为什么 一般带负电?
在土壤pH5-8的条件下，大多数土壤胶体的等电点低于这个 范围，因此，对于土壤胶体来讲，pH5-8相当于在碱性环境 下，此时，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。 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)。
电解质阳离子的凝聚力大小顺序为：
Fe3+> Al3+ > Ca2+> Mg2+ > H+ > NH4+ > K+ > Na+
土壤胶体的结构和性质
0.5 µm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 NH4Cl
土壤胶体的结构和性质
在生产上的意义
凝聚作用强，利于胶体互相凝聚形成结构（团粒结构）。
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。
土壤胶体的离子交换作用
土壤胶体的离子交换作用离子交换作用包括阳离子交换吸附作用和阴离子交换吸附作用。
一、土壤阳离子交换吸附作用的概念1.土壤胶体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳离子或不同胶粒上的阳离子相互交换的作用，称为阳离子交换吸附作用。
2.当土壤溶液中阳离子吸附在胶体上时，表示阳离子养分的暂时保蓄，即保肥过程；当胶体上的阳离子解离至土壤溶液中时，表示养分的释放，即供肥过程。
二、土壤阳离子交换吸附作用的特点1. 可逆反应：在自然状况下，很难把土壤胶体上某一阳离子完全彻底地代换到溶液中去。
同时，土壤胶体上吸附的阳离子也必然是多种多样的，不可能为单一种离子所组成。
在湿润地区的一般酸性土壤中，吸附的阳离子有Al3+、H+、Ca2+、Mg2+、K+等；在干旱地区的中性或碱性土壤中，主要的吸附性阳离子是Ca2+，其次有Mg2+、K+、Na+等。
2. 等量交换：以等量电荷关系进行，如一个Ca2+可交换两个Na+；一个二价的钙离子可以交换两个一价的氢离子。
3. 速度受交换点位置和温度的影响：①位置：如果溶液中的离子能直接与胶粒表面代换性离子接触，交换速度就快；如离子要扩散到胶粒内层才进行交换，则交换时间就较长，有的需要几昼夜才能达成平衡。
高岭石类矿物交换作用主要发生在胶粒表面边缘上，所以速率很快；蒙脱石类矿物的离子交换大部分发生在胶粒晶层之间，其速率取决于层间间距或膨胀程度；水云母类的交换作用发生在狭窄的晶层间，所以交换速率较慢。
（高岭石〉蒙脱石〉水云母）②温度：高温可加快离子交换反应的速率，因为温度升高，离子的热运动变得更为剧烈，致使单位时间内碰撞固相表面的次数增多。
三、影响阳离子交换作用的因素1.阳离子的交换能力：（指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换下来的能力。
）主要决定于阳离子被胶粒吸附的力量（或称阳离子与胶体的结合强度），它实质上是阳离子与胶体之间的静电能。
a.离子电荷价：M3+> M2+> M+（M表示阳离子）b.离子的半径及水化程度：同价离子，离子半径大水化半径小，交换能力越强。
第八章__土壤胶体化学和表面反应
氮气、水蒸气、甘油、乙二醇乙醚(EGME)
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
三、土壤表面电荷和电位
Electric Charge and potential in soil particle surface
电荷数量：决定土壤吸附离子的多少
土 电荷密度：决定离子吸附的牢固程度 壤 电 影响土壤中离子移动和扩散，有机—无机复合 荷 体形成，土壤分散、絮凝和膨胀、收缩等性质
可变电荷 Variable or pH-dependent charge
来源: 土壤固相表面从介质中吸附离子或向介质中释
放离子。
Dissociation of exposed hydroxyl groups.
Alkaline medium: -M-OH + OHAcid medium: -M-OH + H+ -M-O- + H2O -M-OH2+
水合氧化物型表面
Oxy-hydroxide surface
M—OH
无定形的氧化铁、 铝等胶体表面
有机物表面 Organic material 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。
R—COOH· 2O H
净电荷：土壤的正电荷和负电荷的代数和； 大多数土壤带净负电荷。
土壤电荷种类和来源
Type and origin of charge in soils
永久电荷 Permanent charge
来源: 粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代 特点：不受介质pH值和电解质浓度的影响
第八章土壤胶体和土壤离子交换森林土壤课件-精品文档
键，膨胀系数一般小于5％.高岭石层间距约为0.72nm。
（3）电荷数量少阳离子交换量只有3-15Cmoles(+)Kg-1。
（4）胶体特性较弱 较粗（0.2-2m），颗粒的总表面积相 对较小，为10－20×103m2kg-1 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。
3、胶团间溶液
即土壤胶体分散系中的分散介质， 也即是土壤溶液。
土粒
土壤溶液
第二节 土壤胶体的性质
一、巨大的比表面积和表面能
比表面积： 单位质量或物体的总表面积称
为比表面积或比面，物体愈小比面愈大。
土粒直径(mm) 10 1 总表面积(cm2) 3.14 31.42 比面(cm2/cm3) 6 60
土壤胶体的双电层模型
可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团 的解离：
A. 含水氧化硅的解离
B. 粘粒矿物的晶面上的OH和H的解离
C. 腐殖质上某些官能团的解离
D. 含水氧化和水铝石表面的分子中OH的 解离； pH< 3.2
从上述四种情况来看，土壤胶体所带的 电荷数量和性质与介质的pH值有密切关系。
3．分散和凝聚作用 由溶胶联结凝聚成凝胶的作用， 叫做胶体的凝聚作用。
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＋
凝胶分散成溶胶的作用，叫做胶体
的分散作用。 胶体的凝聚作用，有些是可逆的，
＋4 ＋3
铝
（2）粘土矿物类型 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。
第八章 土壤胶体和土壤离子交换
I win
Mr. Green had a job in a computer company. His boss paid him every Friday. When he got home that day, his wife would make him give her all his money, and then she would give him back only enough to buy his lunch in the office every day. One day Mr. Green came home very excited. He said to his wife, who was listening to the radio, "You'll never know what happened to me today. I won one hundred thousand on the lottery!" "That's great!" said his wife happily. But she thought for a minute and said coldly, "Wait a moment! How could you have the money to buy the ticket?"
H+ K+
Ca+2 H+
Mg+2
第八章土壤胶体及其对离子的吸附交换作用案例
第八章土壤胶体及其对离子的吸附交换作用案例土壤胶体是土壤中非常重要的组分，对土壤的肥力、水分保持能力以及离子的吸附与交换起着重要作用。
本文将通过几个案例来说明土壤胶体的性质以及其对离子的吸附交换作用。
案例一：土壤胶体的类型及性质土壤胶体是土壤中40% ~ 60% 的固相组分，主要由胶体颗粒组成。
根据颗粒的粒径大小，土壤胶体可以被分为黏粒、胶粒和微胶粒。
黏粒的粒径最大，一般大于0.02 mm；胶粒的粒径介于0.02 mm ~ 0.001 mm 之间；微胶粒的粒径最小，一般小于0.001 mm。
土壤胶体具有很强的吸附能力和交换能力。
由于其表面上带有电荷，可以吸附并固定住许多阳离子和有机物质。
此外，土壤胶体还能与溶液中的离子进行交换，释放出其中的离子并吸附其他离子。
这种吸附交换作用对土壤肥力和养分的供应起着至关重要的作用。
案例二：土壤胶体对阳离子的吸附作用土壤胶体对阳离子的吸附作用是通过电荷相互作用和化学吸附来实现的。
土壤胶体表面带有负电荷，而阳离子带有正电荷，因此它们之间会发生吸引作用。
吸附机制包括静电吸附、配位吸附和离子交换吸附等。
以钙离子（Ca2+）为例，由于钙离子具有较高的电荷密度和较大的水合半径，可以与土壤胶体表面的负电荷进行静电吸附。
此外，钙离子还可以与胶体表面上的氧化物进行配位吸附，形成较稳定的络合物。
这些吸附作用使得土壤胶体能够有效地保持土壤中的钙元素，并在需要时释放出来。
案例三：土壤胶体对阴离子的吸附交换作用土壤胶体对阴离子的吸附交换作用主要是通过离子交换机制实现的。
由于土壤胶体表面带有负电荷，可以吸附和交换一些带有正电荷的离子，如氢离子（H+）、铝离子（Al3+）以及其他多价离子。
以磷酸盐离子（PO43-）为例，磷酸盐离子在土壤中很容易被吸附并固定在土壤胶体上。
一方面，磷酸盐离子可以与土壤胶体表面的氧化铝和氧化铁形成较稳定的络合物，进行配位吸附。
另一方面，磷酸盐离子还可以与土壤胶体表面的负电荷进行离子交换，取代其中的其他阴离子。
第8章-土壤元素的生物地球化学循环
✓这些磷酸盐在土壤溶液中大多以H2PO4-、
HPO42-、PO43-离子形态存在。
39
各种磷酸根离子的pH分布图 40
2.吸附态磷
➢ 吸附态磷是指那些通过库仑力、分子引力、化学键 能等各种作用力被土壤固相表面吸附的磷酸根阴离 子。土壤固相表面对磷酸根的吸附以专性吸附即配 位体交换较为重要。
✓ 有机态氮矿化释放的氨在土壤中转化为铵（NH4+） 离子，部分被带负电荷的土壤粘粒和有机胶体吸附，
部分被植物直接吸收。
✓ 土壤中大部分铵离子通过微生物的作用氧化成亚硝 酸盐和硝酸盐。
✓ 第一步：先把铵离子转化成亚硝态氮，称为亚硝化 作用，反应式为：
2NH 4
3O2
亚硝化微生物 (以Nitrosomonas为主)
氮素供应足时，可增强叶绿素的形成，光合作 用加强，叶色浓绿。
在作物生产中，作物对氮的需要量较大，土壤 供氮不足是引起农产品产量下降和品质降低的 重要因素。
7
8
水稻缺氮，植株矮小，僵化。自下而上叶片 黄化，无光泽。
9
10
硝酸盐淋失（Nitrate Leaching) 氮素肥料施用过剩会造成江湖水体富营养化、 地下水硝态氮积累及毒害等。
➢第一阶段：复杂的含氮化合物如蛋白质、核 酸、氨基糖等，在细菌、真菌、放线菌等微 生物酶的系列作用下，逐级分解而形成简单 的氨基化合物，称为氨基化阶段（氨基化作 用）。
➢第二阶段：在微生物作用下，各种简单的氨 基化合物分解成氨，称为氨化阶段（氨化作 用）,氨化作用在好气、嫌气条件下均可进 行。
第八章土壤第1节土壤的组成与性质(1)
硝酸细菌氧化成亚硝酸；第二阶段，亚硝酸被硝化细菌氧化成
硝酸。
（2）腐殖质化过程
土壤的有机物质在微生物的作用下转变
为比原物质组成结构极为复杂、更为稳定的
暗色的腐殖质的过程。 影响土壤有机质转化的因素有哪些？
2、腐殖质的类型和性质
土壤腐殖质是土壤特异有机质，也是土壤有机 质的主要组分，约占有机质总量的 85-90 ％。它是 一种结构复杂、抗分解性强的棕色或暗棕色无定形 胶体物，是土壤微生物利用植物残体及其分解产物 重新合成的高分子化合物。
（1）腐殖质的类型 土壤腐殖
质可为：
胡敏酸、 富里酸、 胡敏素、 棕腐酸。
土壤腐殖质组分及其分离过程图式
（2）腐殖质的性质
带电性：两性胶体，以带负电为主
腐殖质 分子结
构核心
—COOH —OH —NH2 —COOH
腐殖质 分子结
构核心
—COO— O—NH3+ —COO-
+ H+
可与Fe、Al、Ca、Zn等高价金属离子络合。
土壤矿物质脱盐基，脱硅，富铁铝化的程度，可表明 其分解迁移的强度。土壤学中采用土体中某些化学元 素被淋溶的程度来表示风化强度。 硅铁铝率：即土壤或黏粒中SiO2/R2O3摩尔数比率。该
值小，表明脱硅富铝化过程强。
以 AI2O3 为标准是因其为土壤中最为稳定的化合物。
（3）中国次生矿物分布的地带性表现
土粒分级标准
2、土壤质地的概念 自然土壤的矿物是由大小不同的土粒组成的， 各个粒级在土壤中所占的质量百分数，称为土壤质
地。
3、土壤质地类型
土壤质地分类及划分标准世界各国不一，当今
国际土壤学界常用的是美国土壤质地分类标准。 砂土、壤土、黏土。
第八章 土壤胶体及其对离子的吸附交换作用
第八章土壤胶体及其对离子的吸附交换作用【教学目标】●土壤胶体1、掌握土壤胶体的含义、类型和基本构造。
2、重点了解土壤胶体的性质及其在土壤物理、化学和生物学过程中的重要作用。
3、了解土壤的保肥供肥性与土壤胶体组成的关系，为什么说土壤腐殖质含量高的其保肥性强？●土壤离子交换作用1、解土壤产生吸收（吸附）性的根本原因、吸收类型及其产生的机理。
2、重点掌握阳离子交换作用产生的机理以及对土壤性状产生的影响。
土壤胶体是土壤中最细小、最活跃的部分，土壤胶体的组成和性质对土壤的理化性质，如土壤的吸附性、酸碱性、缓冲性以及土壤结构都有很大的影响。
土壤肥力的高低与土壤胶体的组成、数量和性质密切相关，土壤胶体是土壤肥力性状赖以表现的物质基础中最精华的部分；同时，土壤胶体的形成过程也是土壤形成过程的反映，由于土壤形成条件的不同，土壤的胶体类型、含量和性质均有较大的差异。
所以，要了解土壤的形成过程和土壤肥力的实质，必须弄清土壤胶体的性质。
本章将着重讨论对土壤肥力影响较大的土壤胶体的组成、结构、性质及其相关的离子交换性的一般规律。
8.1 土壤胶体8.1.1 土壤胶体的概念8．1. 1. 1 土壤胶体是一种分散系统任何胶体系统都是一种分散系统，而分散系统通常由两种物质所组成，一种物质的分子呈连续分布状态，称为分散介质；另一种物质的分子是不连续的，称为分散相，分散相均匀地分散在分散介质中，构成胶体分散系统。
在自然界中这种分散系统是很多的，如烟是微细的碳粒分散在空气里，云雾是小水滴分散在大气里，豆浆是大豆蛋白分子分散在水里等。
土壤本身就是一个复杂的多元分散系统。
在一般情况下，是把土壤固相颗粒作为分散相，而把土壤溶液和土壤空气看做分散介质。
8．1. 1. 2 土壤胶体的大小范围一般胶体是指作为分散相的那些细小颗粒，其大小的上限是0.1 μm, 下限为 1nm(<1 nm属于溶液范围)。
但是胶体大小的界限也不是绝对的，而主要应根据表现出的胶体性质而定，如光学、电学性质等。
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粘土矿物的晶格crystal lattice表面的-OH基， 腐殖酸的官能团functional group，含水氧化 物等，在介质的pH值发生变化时，会发生不同 程度的解离（可以解离出H+或OH-），从而使 胶体带电：解离出H+时带负电，解离出OH-时 带正电。 H2O + HSiO3H2O + SiO32-
土壤中常见阳离子对胶体的凝聚力的大小顺序 为：Fe3+>Al3+> H+ > Ca2+>Mg2+> K+≥ NH4+>Na+
第二节 土壤阳离子交换作用
一 阳离子吸附与交换作用cation exchange 二 阳离子交换量和盐基饱和度CEC and degree of base saturation 三 影响交换性阳离子有效度的因素 吸附性能：土壤溶液中的分子或离子在土壤固相 （颗粒）表面富集的现象。土壤吸附性能影响土壤 形成、水分状态、土壤肥力及土壤自净能力
第8章 土壤胶体和土壤离子交换
第一节 土壤胶体colloid的构造和性质 第二节 土壤阳离子交换cation exchange 第三节 土壤中阴离子的交换与固定exchange and fixation of anion(自学） 第四节 离子交换 -固定对土壤肥力的影响
第一节 土壤胶体的构造与性质
离子交换作用
Cation Exchange Capacity
Ca+2
Ca+2 Ca+2 Exchangeable Cations
K+
Mg+2 Ca +2 Ca Reserve -
-
Ca+2 - H+ Mg+2
H+
Ca+2
Mg+2
Mg+ K+
2
Ca+2
S O I L
Al+3
Mg+2
K H+
Al+3
阳离子交换能力是指一种阳离子将胶粒上另一种阳离子交换出来 的能力。 影响交换能力的因素包括： 1 电荷价数 离子半径及水化程度 离子浓度
1 电荷价数
高价离子交换能力大于低价离子。 也就是说，胶粒上吸附的阳离子，其价数愈低则愈容易被解吸 H+是特例，因其是单纯的质子，电场强度大，半径又极小，活 动能力强。
土壤胶体带电，主要有几种机理
1 同晶异质代换作用（同晶替代） isomorphous substitution/replacement：
粘土矿物形成时，其硅氧片中的Si4+有时可被大小 相近、电性相同的其他离子（如Al3+）所代换，而 水铝片中的Al3+则可被Mg2+，Fe2+等代换，代换的结 果是使胶体产生负电荷。 由这种方式形成的负电荷,蒙脱石多,水云母次之, 高岭石最少.
一 二 三 四 五 六
土壤胶体概念 土壤胶体的种类 土壤胶体的构造 土壤胶体的性质 粘土矿物的基本构造与类型（自学） 其他胶体（自学）
一 土壤胶体概念
根据分散系dispersion system中颗粒的大小，分散 系可分为溶液solution，胶体colloid（胶体分散相 直径在1-100nm）和悬液suspending liquid。
2）腐殖质含量
腐殖质分子量大，功能团多，具有很大的吸收表面，带大量负电 荷，它的阳离子交换量远比无机胶体大，一般为100-400cmol（+） /kg。 所以含腐殖质丰富的土壤，阳离子交换量大。
3）无机胶体种类 华南地区红壤的低交换量（一般只有3-5cmol（+）/kg）和它们 粘重的质地是极不相称的。 这主要是因为，土壤阳离子交换量的高低还和胶体种类有关。 等量胶体，若种类不同，其交换量差别极大。 如广东的砖红壤laterite,latosol的细粘粒主要是由高岭土和 三水铝石组成，其交换量只有5.2cmol（+）/kg，而内蒙的暗 栗钙土chestnut soil的细粘粒主要由蒙脱石和蛭石等组成， 其交换量高达91.0cmol（+）/kg。
1-40
600-800 800-900
2 土壤胶体带有大量的正负电荷
土壤胶体上的电荷可以是正电，也可以是负电，但 一般表现为负电荷。 根据稳定性，土壤胶体上的电荷可分为
永久电荷permanent charge ：不受pH值变化的影响 可变电荷changeable charge：受pH值变化的影响
2 补偿离子层（双电层外层）
补偿离子层
在补偿离子层中：
距离决定电位离子层近的，受静电引力大，离子活 动性小，称非活性补偿离子层； 距离决定电位离子层较远的，受静电引力较小，离 子活动性较大，呈扩散式分布，称扩散层。 一般认为，扩散层的离子才具有交换能力。
通常所说的胶体带电是指不包括扩散层部分的 胶粒（包括胶核决定电位离子层和非活性补偿 离子层）带电。
土壤胶体如粘粒、腐殖质分子等相当细小，表 面积很大，并由于层状结构（粘土）或网状 reticulation多孔结构（腐殖质），使胶体还 有很大内表面积。 表面能是表面分子具有的多余的不饱和能量， 具有物理吸附作用。
各种胶体颗粒的比表面积
胶体 类型 蒙脱石 伊利石 高岭石 蛭石 腐殖质
比表面 600-800 50-200 积(m2/g)
1 0.133 0.537 7
阳离子
NH4
K
Mg Ca H Al Fe
1
2 2 1 3 3
0.143
0.078 0.106 —— 0.045 0.064
0.532
1.330 1.000 —— —— ——
6
5 4 3 2 1
二 阳离子交换量和盐基饱和度 （一）阳离子交换量 阳离子交换量:在一定pH值下，单位质量土壤所能吸附的全部交换 性阳离子的容量(cmol（+）/kg)。 上面说到的“一定pH值”，一般是pH值为7，对石灰性土一般采用 pH8.5。 土壤阳离子交换量大小，基本上代表了该土壤保存养分的能力。阳 离子交换量大的土壤，保存速效养分的能力大，反之则小。 土壤阳离子交换量可以作为评价土壤保肥能力的指标。 一般认为，在20cmol（+）/kg以上为保肥力强的土壤，10-20中等， 小于10 cmol（+）/kg为弱。 2 影响阳离子交换量的因子 1）质地 土壤中具有吸附能力的土粒主要是粘粒、腐殖质和小部分细粉粒。 质地越粘重、含粘粒越多的土壤，阳离子交换量越大。如北方的土 壤，沙土和沙壤土的阳离子交换量一般小于7cmol（+）/kg，壤土 为7-20cmol（+）/kg，粘土可达20-30甚至更高。
H+ K+
Ca+2 H+
Mg+2
Al+3
（二）阳离子交换作用的特征
1 可逆反应
2 等当量交换
离子既可被吸附，也可被解吸。 土壤溶液的组成或浓度发生变化，原有的平衡会被 打破，一段时间后达到新的平衡。
各种阳离子之间的交换，是以离子的价数为根据的等当量交换， 而不是等离子个数或等质量交换。#43;可以交换一个 Al3+，等等。 （三）影响阳离子交换能力的因素
Examples of Isomorphic Substitution
Al3+ for Si4+
Produces a Net Negative Charge
Mg2+ for Al3+
Mg
Al
Silicon Tetrahedron
Aluminum Octahedron
2 表面分子的解离disassociation ：
R-COO- + H+ R-O- + H+
（4） 粘土矿物的晶面上OH基中的H+的解离
OH OH OH
OO- + 3H+ O-
高岭石组粘粒矿物的晶体表面含OH较多,所 以这一机制对高岭石类胶体电荷的产生特别 重要。
3 土壤胶体具有凝聚或分散特性
土壤胶体主要受胶粒之间的静电斥力 repulsion/repulsive force和胶粒之间的分 子引力molecular attraction的作用。斥力使 胶体分散，引力使胶体凝聚。在胶粒电荷和胶 粒大小一定的情况下，随着胶粒间距离的减小， 引力可超过斥力，从而使胶体相互团聚。
2 双电层
双电层结构
1 决定电位离子层（双电层内层）
胶核表面分子与胶核内部分子处于不同状态下，使 胶核表面产生一层带电的离子层，因为它们决定胶 体的电荷符号和电位大小，因而称为决定电位离子 层。粘土矿物和腐殖质胶体的决定电位离子层一般 带负电，含水氧化物胶体一般带正电。 胶体表面的决定电位离子层产生的静电引力 electrostatic attraction ，吸附土壤溶液中带 相反电荷的离子，形成补偿离子层。
⑴含水氧化硅(SiO2· 2O或H2SiO3)的解离 H
H2SiO3 + OHHSiO3- + OH-
（2）含水氧化铁和水铝英石表面分子中OH-的解离
Fe2(OH)3 Al(OH)3
强酸性
Fe(OH)2+ + OHAl(OH)2+ + OH-
强酸性
⑶腐殖质上某些原子团的解离
R-COOH R-OH