土壤肥料学国家精品课件第六章 土壤胶体与土壤吸收性能

分布广泛，特别在西北干旱地区和高寒地 区，以及风化度浅的土壤。
土壤胶体的类型
三种主要粘土矿物的性质比较
结 晶 类 型 晶 层 间 联 结 力 强 较 强 弱 颗 粒 大 小 大 中 CEC （ cmol(+) 〃kg-1） 粘结 性 可塑 性 弱 中等
粘土 矿物
分子层 排列情况
晶格 距离 (nm)
硅氧片 铝氧片
硅氧片
土壤胶体的类型
蛭石
也是2﹕1型膨胀型粘土矿物，其晶层结构与蒙脱石基本相同， 也是两层硅氧片中夹一层水铝片。 与蒙脱石不同的是，硅氧片中的硅大部分被铝所取代，水铝片 中的铝也有不少被镁取代，因而具有比蒙脱石高得多的净负电 荷，具有很高的吸附阳离子能力，阳离子交换量达150 cmol(+)· -1。 kg 蛭石的膨胀性比蒙脱石要小得多，其晶层间距1.45nm，属有限 膨胀型。它具有一定的内表面，但较蒙脱石小，晶体颗粒介于蒙 脱石和高岭石之间。蛭石在黄棕壤和黄壤中含量较高。
有机胶体与无机胶体的直接结合。
土壤胶体的类型
在生产上的意义
我国劳动人民在长期生产实践中，充分体会到有机无 机复合体的重要，创造了施用有机肥加速土壤有机无 机复合体形成的措施，群众称之为土肥相融。土壤有 机无机复合胶体的形成，有利于土壤结构的形成，改 善土壤理化性质。如复合体中的胡敏酸，比单独存在 时分解显著减慢，并可使土壤中有效磷增加，增强土 壤的缓冲性能等。
其分子结构外形特征为 ＯＨＯＨ ＯＨ .......ＯＨ 顶层 ───────────── 底层 ───────────── Ｏ Ｏ Ｏ ........Ｏ 许多晶片相互重叠形成高岭矿物
土壤胶体的类型
铝氧片 硅氧片
特点：晶层与晶层间距离稳定，连接紧密，内部空隙小， 电荷量少，单位个体小，分散度低。多出现于酸性土壤。
土壤胶体的结构
三、土壤胶体的构造 土壤胶体分散系包括胶体微粒（分散相）和微粒 间溶液（分散介质）两大部分。
胶体微粒在构造上可分为微粒核、决定电位离子 层和补偿离子层三部分。
土壤胶体的结构
微粒核
胶 体 微 粒
决定电位离子层
_ _ _ _ + 非活性补偿离子层
双电层
补偿离子层
+ + + + +
+
特点：
高分子有机化合物，高度亲水性。
带负电，并且电荷数量多于黏土矿物，因此阳离子交换量大。 保肥性强，但不稳定（因受微生物作用而分解）
土壤胶体的类型
（三） 有机无机复合胶体
有机胶体以薄膜状紧密盖覆于粘土矿物表面通过阳离子
与-COOH、-OH等官能团形成复合体。
通过Ca2+而结合。
结合方式
有机胶体与铁铝胶体的结合。
含水氧化硅的解离
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。
（1）粘土矿物晶面上-OH的解离 层状硅酸盐晶层上的-OH基可以解离出H+，带负电。介 质pH越高， H+越易解离。 结 晶 -OH 体 -OH -OH 结 -O晶 体 -O-O-
Al3+
八面体中的铝可被铁、镁代换
Al3+
Fe2+或Mg2+
土壤胶体的类型
(１) 高岭石（１：１型铝硅酸盐矿物）
由一个硅氧片和一个水铝片，通过 共用硅氧顶端 的氧原子连接起来的 片状晶格构造。
每个晶层的一面是OH离子 组（水铝片上的），另一面 是O离子（硅氧片上的）， 因而叠加时晶层间可形成氢 键，使各晶层之间紧密相连 从而形成大颗粒，晶粒多呈 六角形片状。
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。
（2）土壤胶体电荷： 电荷类型：
A:永久电荷: 粘粒矿物晶层内的同晶代换所产生的电荷。
土壤胶体的类型
二、土壤胶体的种类和组成
依据成分和来源，分为：
无机胶体 有机胶体 有机无机复合胶体
土壤胶体的类型
（一） 无机胶体 主要包括：
含水氧化铁
含水氧化铝 含水氧化硅 次生铝硅酸盐类 （即粘土矿物）
土壤胶体的类型
1.含水氧化硅胶体： （游离态无定型）
SiO2.H2O→H2SiO3 带负电
1 cm3物质表面积随分散度变化的情况
立方体边长 （cm） 1 0.1 立方体数 目 1 103 总表面积 6cm2 60cm2 比表面积 （cm2· -3） cm 6 6×10
0.01
0.001 0.0001 0.00001
106
109 1012 1015
600Biblioteka Baidum2
6000cm2 6m2 60m2
6×102
6×103 6×104 6×105
0.000001
0.0000001
1018
1021
600m2
6000m2
6×106
6×107
土壤胶体的结构和性质
各粒径土粒的比面
土粒 （粒径mm） 粗砂粒（1） 中砂粒（0.1） 细砂粒（0.01） 粘粒（0.001） 比表面积 （cm2·-1） g 22.6 226 2,260 22,600 土粒 （粒径mm） 粘粒（0.0005） 500nm 胶粒（0.0001） 100nm 胶粒（0.00005） 50nm 胶粒（0.00001） 10nm 比表面积 （cm2·-1） g 45,200 226,000 452,000 2,260,000
电荷数量：取决于同晶替换的多少。 特点：不受pH的影响。 2：1型矿物带负电的主要原因，但1：1型矿物中此现象发
生较少。
B:可变电荷: 电荷的数量和质量随介质的pH而改变
的电荷。 可变电荷零点(pH0): 土壤的可变正、负电荷数量相等 时的pH，或叫做等电点。
可变电荷产生的机理：
粘粒矿物晶面上－OH基的解离 含水铁、铝氧化物的解离 腐殖质上某些原子团的解离
如高岭石类。
土壤胶体的类型
水
水
土壤胶体的类型
高岭石的性质特点：
晶格内的水铝片和硅氧片很少发生同晶替代，
因此无永久性电荷。但水铝片上的--ＯＨ 在一
定条件下解离出氢离子，使高岭石带负电。 晶片与晶片之间形成氢键而结合牢固，水分 子及其他离子难以进入层间，并且形成较大的 颗粒。因此其吸湿性、粘结性和可塑性较弱， 富含高岭石的土壤保肥性差。
温带干旱的漠境和 半漠境地带： 半干旱草原地区： 暖温带湿润地区： 中亚热带以南地区：
风化程度低，化学风化程度弱，以 形成水化度低的水云母为主，蒙脱 石不多。 蒙脱石迅速增加，结晶良好，以 蒙脱石和水云母为主。 蛭石显著增加，以水云母—蛭石为 主，说明环境有利于进一步脱钾。 高岭石逐渐代替水云母，铁铝氧化物 也迅速增多。
土壤胶体的类型
Al(OH)3+H+→Al(OH)2++H2O （pH<5） +
OH↓ Al(OH)2O-+ H2O （pH>5）
纯净的氢氧化铁的等电点为pH7.1，氢氧化铝等 电点为pH8.1，所以它们在大多数酸性或中性土 壤中都带正电荷。
土壤胶体的类型
3.黏土矿物
（次生层状铝硅酸盐类）
大多是结晶层状构造，由硅氧片（由硅四面体连 接而成）和水铝片（由铝八面体连接而成）迭合 而成。 水铝片层面上氧离子的电价不饱和，可与氢离子 结合成OH群，形成水铝矿，或与硅氧片结合，共 用氧离子，形成铝硅酸盐粘土矿物。 根据其迭合情况的不同，可将粘土矿物分为不同 类型。
H2SiO3→ H++ HSiO3-→H++ SiO32-
注：土壤反应越偏碱性，硅酸的解离 度也越大，所带的负电荷也越多。
土壤胶体的类型
2.含水氧化铁、铝：（两性胶体）
此类胶体包括褐铁矿（2Fe2O3•3H2O）、水赤铁矿
（3Fe2O3•H2O）、针铁矿（Fe2O3•H2O）、水铝矿
（Al2O3•H2O）、三水铝矿（Al2O3•3H2O）等晶质矿物 和氢氧化铁[Fe(OH)3]、氢氧化铝[Al(OH)3]等非晶质矿 物。这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为两 性胶体。
土壤胶体的类型
2:1型矿物(蒙脱石、绿泥石、蛭石等)
• •
土壤胶体的类型
（３）水云母类 （２：１型粘土矿物）
结构与蒙脱石相类似，只是同晶 替代产生的负电荷主要被钾离子 中和,而少量被钙镁离子中和。
特点： a、永久性电荷数量少于蒙脱石。 b、层与层之间由钾离子中和，使得各层 相互紧密结合。形成的颗粒相对比蒙脱 石粗而比高岭石细。其粘结性、可塑、 胀缩性居中。 c、钾离子被固定在硅氧片的六角形网孔 中，当晶层破裂时，可将被固定的钾重 新释放出来，供植物利用。
同晶异质代换作用 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。
如Al3+代Si4+或Fe2+代Al3+等,这样晶体中就产生了剩余负电荷,这种电荷一 旦产生,就不能改变,故称永久电荷。
土壤胶体的结构和性质
四面体中的硅可被铝代换
Si4+
土壤胶体的结构
胶 体 微 粒 的 扩 散 双 电 层 构 造 图 式
土壤胶体的特性
四、土壤胶体的特性 （1）土壤胶体比表面和比表面能
单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积 或比面，单位为cm2·-1或cm2· -3。 g cm
物体分割得愈细小，单体数愈多，总面积愈大， 比面也愈大。
土壤胶体的结构和性质
第六章 土壤胶体和吸收性能
第一节 土壤胶体的构造和性质
内容提要
土壤胶体的种类 土壤胶体的构造
土壤胶体的特性
土壤胶体的概念
一 、土壤胶体的概念
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。
注：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。
扩散层
+
土壤胶体的结构
1、微粒核（胶核）：核心、基本物质。
腐殖质、SiO2 、氧化铝、氧化铁、铝硅酸盐、蛋白质 及有机无机胶体分子群。
2、双电层：
（1）决定电位离子层：是固定在胶核表面，并决定其电 荷和电位 一层离子。它是由胶体表面的分子解离为离子， 或从溶液中吸附某一种离子而构成。 （2）补偿离子层：分布于决定电位离子层的外围，与决 定电位离子层的电荷符号相反，电量相等的离子。
土壤胶体的类型
①硅氧片、硅氧四面体
硅四面体 可以共用氧原子
而形成一层，氧
原子排列成为中 空的六角形，称
硅氧片或硅氧层。
土壤胶体的类型
②铝氧八面体 由六个氧原子 （或氢离子）环 绕着一个中心铝 离子排列而成， 氧原子排列成两 层，铝原子居于
两 层 中心孔 穴 内 ，
称水铝片。
指组成矿物的中心离子被电性 相同、大小相近的离子替代而 晶格构造保持不变的现象。
分为：非活性补偿离子层和扩散层两个亚层
土壤胶体的结构
A.非活性补偿离子层： 补偿离子层的内层，靠近
决定电位离子层，受到的静电引力强，离子被牢牢吸 引，只能随着胶核移动，不易自由解离，不起交换作 用，由此所吸附的养分亦较难为植物吸收利用。
B.扩散层： 在非活性补偿离子层的外面，受到的静
电引力小，活动性大，可与周围环境的离子进行交换。 扩散层中离子的分布不均匀，距胶粒越远，离子数量 越少。
土壤胶体的类型
（2）蒙脱石类（ ２：１型铝硅酸盐矿物）
由两片硅氧片和一片水铝片 结合成的一个晶片（层）单 元，再相互叠加而成的。
每个晶层的两面均由O离子
组（硅氧片上的），因而叠
加时晶层间不能形成氢键， 而是通过“氧桥”联结，这 种联结力弱，晶层易碎裂， 其晶粒比高岭石小。
土壤胶体的类型
特点：
胀缩性大，吸湿性强， 易在两边硅氧片中以Al3+ 代Si4+ ，有时可在硅铝片 中，一般以Mg2+代Al3+→ 带负电→吸附负离子。 如 蒙脱石 ， 这类矿 物多 出现于北方土壤。如东 北、华北的栗钙土、黑 钙土和褐土等。
土壤胶体的类型
（二 ）有机胶体
主要是腐殖质。 少量的木素、蛋白质、纤维素等。
一般每千克腐殖 腐殖质的电荷是由腐殖质含的羧基（-COOH）、羟基（-OH）、 质的代换量在200 +、-COO-、-O-等离子留在胶粒上而使胶粒带负电。 -1 酚羟基解离出H cmol(+)〃kg 左右， 高者可达500～ 1000 cmol(+)〃kg-1
比面 (m2•g -1)
胀 缩 性
高岭石 水云母
1:1 2:1
-OH层与 O层相接
-O层相接 中间有K
0.72 1.00 0.96 ～ 2.14
5～ 20
100 ～ 120 700 ～ 800
5～15 20～40
弱 中 等 强
蒙脱石
2:1
-O层相接
小
80～100
强
土壤胶体的类型
我国土壤粘土矿物的分布