第三章第四节土壤胶体

本章小结
•土粒及分级 •质地及其分类，质地的层次性及成因，质地 的性状及改良 •土壤有机质的概念、转化过程 •土壤有机质的性状、作用及调节 •土壤胶体及分类
•土壤胶体的结构、组成、性质以及电荷的产 生等
不同土壤的胶体组成不同，土壤的比表面积也不同。 一般土壤中有机质含量高，2∶1型粘粒矿物多，则比表面 积较大，如黑土。反之，如果有机质含量低, 1∶1 型粘粒 矿物较多, 则其比表面积就较小, 如红壤、砖红壤。
随着土壤胶体比表面积的增加，其表面能也发生很大 的变化。表面能是指界面上的物质分子(表面分子)所具有 的多余的不饱和能量。土壤的物理吸附作用就是表面能作 用的结果。与比表面成正相关 因此，一般土壤质地愈粘，其物理吸附作用愈强。随 着表面积和表面能的增加，土壤胶体的性质如胀缩性、可 塑性、粘性等明显增强。 土壤的表面积、表面能、物理吸附作用是成正比的
四、土壤胶体的基本性质
1．胶体的表面积和表面能
在固体物质的破碎过程中, 其总表面积和比表面是不断增 加的。所谓比表面是指单位质量的物质的表面积总和，即
比表面＝总面积 / 质量
土壤胶体的表面积很大，加之粘粒矿物的层状结构和腐 殖质的网状多孔结构还有很大的内表面积，可以吸附大量的 养分离子。
各种胶体的比表面积 胶体类型 蒙脱石 伊利石 高岭石 蛭 石 水铝英石 腐殖质 比表面积(m2·-1) g 600～800 50～200 1～40 600～800 70～300 800～900
2、土壤胶体的大小范围
一般胶体上限是0.1μ m, 下限为1nm(<1nm属于溶液范围) 土壤胶体比一般胶体大10倍， <1μ m 。（即为0.001mm 或1um --10nm之间）
二、土壤胶体的种类
分为无机胶体(矿质胶体)、有机胶体和有机-无机复合胶体 1．有机胶体 土壤中的有机物质, 尤其是腐殖质，是土壤中含有的一类 分子量大、结构复杂的高分子化合物，具有明显的胶体性质， 故称之为土壤有机胶体。土壤腐殖质是土壤有机胶体的主体。 土壤有机胶体性质却极为活跃，带有大量的活性功能团， 带有大量的负电荷，阳离子代换量可高达300～500 cmol (M+).kg-1。 2．无机胶体 主要是层状铝硅酸盐矿物和无定形氧化物组成。比有机胶体 高几倍到几十倍。通常用土壤中粘粒(d<0.001mm)的含量来 反映土壤无机胶体的数量。
且有机质少的表土。
e、磁铁矿（Fe3O4）：棕黑色，多存在于母质中,有时 与磁赤铁矿共存。 f、无定形铁（Fe(OH)3）：棕色，胶膜，锈水。
3、氧化铝 硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石
[Al2O3· 2O，Al(OH)3]和粘土矿物 3H
湿热强度风化——脱硅富铝化的指标之一，我国北
纬30度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现。
第四节 土壤胶体
第三节 土壤胶体
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：吸附
性、酸碱性、缓冲性以及土壤结构都有很大的
影响。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。
一、 土壤胶体的概念 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，由分散相和分散介质两种 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。
1:1型层状硅酸盐(高岭石)晶体结构
（2）2:1型：两层硅层中间夹一铝层
2:1型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构
（3）2:1:1型：2:1型基础上增加一铝层
2:1:1型层状硅酸盐（水云母）结构
2、 含水铁、铝氧化物
• 包括褐铁矿、赤铁矿、针铁矿、水铝石、三水铝石 等晶质或非晶质物质。 • 当土壤溶液的pH低于这些物质的等电点时，它们带 正电荷； • 当土壤溶液的pH高于这些物质的等电点时，它们带 负电荷；
总之，土壤胶体的凝聚与分散，直接影响土壤的许多重 要性质，尤其是土壤的结构、通透性和土壤耕性等。
五、土壤胶体组成
（一）矿质胶体
1、 层状硅酸盐粘土矿物
A、硅氧四面体：（SiO44-→Si2O52-→Si4O104- ）
硅氧四面体由一个硅原子和四个氧原子组成，硅原子位于 中央，氧原子占据四个顶点。
硅氧四面体
影响胶体凝聚和分散的因素 （1）胶粒间距离 （2）胶粒静电荷的数量和离子种类
（3）溶液中的离子浓度
分子引力
-胶粒 --
-
静电斥力
- 胶粒 -
-
阳离子
土壤中的电解质浓度是经常变化的，如干湿交替、冻融 作用以及各种农业技术措施包括施肥、灌水、中耕、烤田 等，都可使土壤溶液中的电解质浓度发生变化，从而使胶 体的状态发生变化，或凝聚或分散。 如施用石灰、可显著增加土壤中Ca2+的浓度, 从而促进 土壤胶体凝聚, 形成良好的结构。又如集中施用化肥，显著 提高局部土壤溶液的电解质浓度，也可改变局部土壤胶体 的状态。
基团在pH升高时带负电荷，pH降低时带正电荷。
• 它们不如无机胶体稳定，较易被微生物分解。
（三）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的有机—无机 复合体，其中主要是通过二、三价阳离子或官能团与
带负电荷的粘粒矿物和腐殖质的连接作用。
• 在土壤中，有机胶体和无机胶很少独立存在，大部分
（1）氧化铁 （土壤主要矿质染色剂）
A、氧化铁 a、针铁矿(α-FeOOH)：晶体较大者为黄色，较小 者为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层， 锈纹锈斑，铁结核。 b、赤铁矿(α-Fe2O3)：红色，存在于干燥的氧化
性表土层及胶膜。
c、纤铁矿(γ-FeOOH)：棕橙色，存在于排水不良而富 含有机质土壤。 d、磁赤铁矿(γ-Fe2O3)：暗红棕色，存在于高度风化
高岭石主要是以这种方式产生的电荷，高岭石＞伊
利石＞蒙脱石。
（3）表面分子的解离
粘粒矿物的晶格表面的OH基, 腐殖酸分子的酸
性含氧官能团(如羟基、酚羟基和羧基)和粘粒中的
无定形胶体(如硅酸胶体、氧化铁、铝等)，在介质
的pH发生变化时, 就有不同程度的解离, 从而使胶
粒带电（可变电荷）。如高岭石在pH<5时, 它表面 的OH基就解离出H+,使高岭石胶粒带负电。而二三 氧化物(R2O3)在酸性条件下(pH<5), 则成为带正电 荷的胶体。
这种作用产生于粘粒矿物形成时, 其硅氧片中的 Si4+和水铝片中的Al3+有时可被大小与其相近的电性相 同的其他离子所代换。代换的结果, 使得粘粒矿物晶 层内产生多余的电荷, 由于土壤中多数的同晶代换是 以低价代换高价的阳离子, 故产生的主要是负电荷, 但有时也会产生正电荷。
四面体中的硅可被铝代换
是以有机-无机复合胶体的形式存在的。
还可能进入粘粒矿物的晶层之间。 • 土壤有机质含量愈低，有机—无机复合度愈高，一般 变动范围为50～90％。
• 有机胶体主要以薄膜状紧密覆盖于粘粒矿物的表面上，
六、土壤胶体电荷的产生
1、同晶代换
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。
非活性补偿离子，被吸附得很牢固，它和微粒核决定电位 离子层一个整体，故称为胶粒。当胶体和周围环境起代换作用 时，大都发生在胶粒表面，而不在胶粒内部，故胶粒是起胶体 作用的基本单位。 在双电层的两层电荷之间存在着电位差，电位的高低随着 离胶核表面距离的增加逐渐降低。由决定电位离子层到扩散层 外缘的电位差, 称之为全电位(ζ o), 全电位的大小取决于胶核 表面的电性质(电荷数量和密度)。从胶粒(滑动面)到溶液的电 位差称电动电位(用ζ 表示), 电动电位的大小受扩散层厚度的制 约，而扩散层的厚度在一定浓度条件下，决定于补偿离子的性 质，即受离子价数，离子半径及水化程度等的制约。离子价数 愈高，其水化半径愈小，扩散层愈薄。离子的水化程度越大， 则水化半径也越大，扩散层也越厚。
硅氧四面体的构造
B、铝氧八面体 (AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44- )
铝氧八面体由一个铝原子和六个氧原子组成，铝原子位于中央， 氧原子占据八个顶点。
铝氧八面体
铝氧八面体的构造
C、单位晶片
硅氧四面体 硅氧层 铝氧八面体 水铝层
硅 氧 片
水 铝 片
（1）1:1型：一层硅层与一层铝层重叠而成
胶体微粒构造图
1.微粒核(胶核) 主要由腐殖质、硅酸盐矿物、土壤氧化物、蛋白质分子以 及有机无机复合胶体的分子群组成。
2. 双电层结构
作为胶粒微粒核的物质在溶液中通常是带电荷的, 由 于静电引力的作用,在微粒核的外围形成一个反号电荷的 离子层，这样就构成了双电层。微粒核表面的电荷数量 和密度对外层的反号离子的多少及两层电荷间电位具有 决定作用，故称为决定电位离子层。 外层电荷(离子)对决定电位离子层起补偿作用,使整 个胶体微粒达到电中性, 故称之为补偿离子层, 而这些 来源于溶液中的反号离子就称为补偿离子。
两种存在状态：溶胶、凝胶
溶胶
胶体的凝聚
凝胶
(分散相均匀
地分散在介 质中)
来自百度文库
(分散相相互
凝结聚合在 一起)
胶体的分散
土壤胶体存在状态主要受两种力的作用。一是胶粒之间的静电 斥力，它使胶体分散，二是胶粒之间的分子引力，它使胶粒相 互吸引呈凝聚的趋势。这两种力的大小都与胶粒之间的距离有 关。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，引力可能超过斥力，使胶粒相互团聚。影响胶粒静电斥 力大小的另一主要因素是胶粒净电荷的数量，而静电荷的数量 则受补偿作用的控制。不同阳离子的补偿作用不同。 土壤中常见阳离子按其对胶体凝聚力的大小顺序为： Fe3+ Al3+ （ H+）>Ca2+ Mg2+， H+ NH4+ K+ Na+ 离子凝聚力的大小取决于： 其所带相反电荷的数量和水化半径的大小，溶液中的离子浓度
2、土壤胶体的带电性
永久电荷 土壤胶体的电荷 可变电荷
3．土壤胶体的凝聚和分散
胶体有两种存在状态。一种是分散相均匀地分散在介质中, 称溶胶; 另一种是分散相在外因的作用下, 相互凝结聚合在 一起, 称为凝胶。溶胶和凝胶并不是永久不变的，在一定条 件下，可以相互转化。由溶胶变成凝胶的过程称为胶体的凝 聚；反之，由凝胶转化为溶胶的过程，称为胶体的分散。
花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三水铝石 存在。 无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表面 性质可吸附固定H2PO4-等阴离子，减低其有效性。
（二）土壤有机胶体
• 土壤有机胶体主要指腐殖质，还有少量的木质素、
蛋白质、纤维素等。
• 腐殖质胶体含有多种官能团，属两性胶体，但因等
电点较低，所以在土壤中一般带负电，胶体表面的
在溶液中胶核表面的电荷通过静电引力，将反号离子吸 引在胶核的外围, 而反号离子由于热运动, 总有远离胶核表面 的趋势, 同时反号离子被吸附的力大小与离子的电荷数量成正 比, 与其距离的平方成反比。因此，胶核表面处的反号离子多 而活性低，离胶核表面越远，反号离子越少而活性增大。 根据补偿离子的活性又可把补偿离子层分为两层：靠近 胶核表面的决定电位离子层的补偿离子被吸附得很紧，活性 很小，难以解离，不起交换作用，故称为非活性补偿离子层。 另一层距胶核表面较远，吸附的较松，有较大的活动性， 可以和周围的离子交换，称为扩散层。扩散层中的离子分布 很不均匀。
Si4+
Al3+
八面体中的铝可被铁、镁代换 Fe2+或Mg2+
Al3+
由同晶代换产生的电荷一般不随介质pH的变
化而变化, 属永久电荷, 一般2∶1型的粘粒
矿物如蒙脱石类、伊利石类的同晶代换产生 的永久负电荷较多, 而1∶1型的高岭石类则 较少。
（2）矿物晶格断键
矿物在风化破碎的过程中，由于晶层的断裂 （即Si—O—O—Si断裂后，断面上留下Si—O-、 Si—O-带负电。)而出现未中和的电性而带电。
三、土壤胶体的基本构造
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)两部分。描述胶体微粒的构造，通常用双电层理论。 根据双电层理论，胶体微粒在构造上，可分为微粒核和双电 层两部分。 （一）微粒核
（二）双电层结构
决定电位离子层
补偿离子层和补偿离子
非活性补偿离子层 扩散层
胶粒（基本单元）