土壤学 土壤阳离子交换作用

不同类型土壤胶体的CEC
土壤胶体 腐殖质
蛭石 蒙脱石 伊利石 高岭石
CEC cmol(+)/kg 200
100-150 70-95 10-40 3-15
二、土壤阳离子交换作用
5、影响CEC的因素 (1) 胶体的类型 (2) 胶体数量
二、土壤阳离子交换作用
5、影响CEC的因素 (1) 胶体的类型 (2) 胶体数量 (3) 土壤质地
+
、Ca
2+
、Mg2+、NH4+等
盐基饱和度：交换性盐基离子占阳离子交换量的 百分数。 盐基饱和度＝
交换性盐基[cmol(+)/kg] ______________________ ×100℅ CEC [cmol(+)/kg]
例：CEC=50 cmol(+)/kg 交换性Ca2+,
Mg2+, K+, Na+的含量分别为10，5, 10，5，
cmol（+）/kg，则
10+5+10+5[cmol(+)/kg]
盐基饱和度＝ _________________________ ×100℅ 50 [cmol(+)/kg] ＝ 60％

当土壤胶体上吸附的阳离子全部是盐基离子 时,土壤成盐基饱和状态,称之为盐基饱和的 土壤。

当土壤胶体吸附的阳离子仅部分为盐基离子， 而其余部分则为致酸离子时，该土壤呈盐基 不饱和状态，称之为盐基不饱和土壤。
H+
Ca2+
高岭石
蒙脱石 伊利石
0.34
0.21 0.10
0.38
0.25 0.15
0.25
0.28 0.21
0.008
0.058 0.036
0.080
0.022 0.040
三、土壤的盐基饱和度(BSP)
Base Saturation Percentage 致酸离子：H+ 、Al3+ 盐基离子：K+、Na
土壤 胶粒 土壤 胶粒
Al3+ Ca2+ Na+ Ca2+ + NH4+ + NH4+
交换性Ca2+有效性高
交换性Ca2+有效性低
互补离子与交换性钙的有效性
小麦幼苗 干重(g) 小麦幼苗 吸钙量(mg)
土 壤
交换性阳离子组成 40% 40% 40%
A B C
Ca + Ca + Ca +
60% 60% 60%
二、土壤阳离子交换作用
1、定义
2、阳离子交换作用的特点
3、阳离子交换能力
Fe3+ > Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ > K + > Na
+
问题：低价离子可否代替高价离子？在 什么情况下低价离子可以代替高价离子？
影响阳离子交换能力的因素
（1）电荷的影响
根据库仑定律，阳离子的价数越高，交换 能力也越大。 （2）离子的半径及水化程度 同价的离子，其交换能力的大小是依据其 离子半径及离子的水化程度的不同而不同的。 （3）离子浓度和数量因子
影响阴离子吸附的因素： 溶液浓度 阴离子种类
pH
离子交换对土壤肥力的影响
1. 2.
土壤离子交换对土壤养分状况的影响 影响土壤的酸碱性
3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.
影响土壤的缓冲性
影响土壤的物理性质
土壤的离子换与土壤性质
土壤胶体上钠离子饱和度高，抑制和威胁作物生长。
燕麦和小麦产量与代换性钠数量关系
干物质产量（克/盆） 土壤中代换性阳离子组成 100%Ca 85%Ca+15%Na 70Ca+30%Na 50%Ca+50%Na 30%Ca+70%Na 燕麦 14.9 14.7 15.4 13.2 死亡 小麦 17.6 16.9 17.0 14.5 死亡
第三节 土壤吸收性能和离子交换
一、土壤吸附性能类型 二、土壤阳离子交换作用 1、定义
土壤阳离子交换作用：
土壤胶体表面吸附阳离子与土壤溶液中的
阳离子可相互交换的作用。
对这种能相互交换的阳离子叫做交换性阳 离子。
二、土壤阳离子交换作用
1、定义
2、阳离子交换作用的特点
1）阳离子交换作用是可逆的快速的。
2）是等量电荷交换 。 3）阳离子交换受质量作用定律的支配。
F- > 草酸根 > 柠檬酸根 > H2PO4- > HCO3- > HBO3- > SO42- > Cl - > NO3-
（二）阴离子的非专性吸附
带正电荷的胶粒因静电引力吸附阴离子 于双电层外层（扩散层）作为平衡离子，称为 阴离子的非专性吸附。为交换吸附，被吸附的 阴离子居于双电层的外层，以中和内层的正电 荷。
土壤质地对阳离子交换量的影响
质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳 离子交换量也越大。cmol(+)/kg
质地 CEC 砂土 1~5 砂壤土 7~8 壤土 15~18 粘土 25~30
二、土壤阳离子交换作用
5、影响CEC的因素 (1) (2) (3) (4) 胶体的类型 胶体数量 土壤质地 土壤pH
的缓冲和调节作用。另一方面，专性吸附作用
也给土壤带来了潜在的污染危险。
五、 土壤胶体对阴离子的吸附
带正电的土壤胶体，主要是铁和
铝的氢氧化物和氧化物，可以吸附阴
离子。
土壤胶体带正电荷的方式：
1．通过土壤胶体表面的（Al、Fe）－OH基，附着
一个质子（H+），从而产生正电荷（可变电荷）。
2．腐殖质胶体的－NH2基，在酸性条件下也能带正 电荷。 R-NH2 + H+ + Cl- = R-NH3+ + Cl- = RNH3Cl
盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应，而盐 基不饱和的土壤则呈酸性反应。

盐基饱和度－土壤肥力水平的重要指标之一

盐基饱和度 ≥ 80％ 土壤肥沃 盐基饱和度 50％～ 80％ 中等肥力水平

盐基饱和度 ＜ 50 土壤肥力较低
ESP—exchangeable sodium percentage 指交换 性钠离子占交换性阳离子总量的百分数。 ESR—exchangeable sodium ratio 指溶液中交
H Mg Na
2.80 2.79 2.34
11.15 7.83 4.36
二、土壤阳离子交换作用
6、影响交换性阳离子有效度的因素
（1）交换性阳离子的饱和度
（2）陪补离子效应
（3）粘土矿物类型
（４）由交换性离子变为非交换性离子
的有效度问题
粘土矿物类型与交换性阳离子活度系数关系
矿物类型
Na+
K+
NH4+
NH4+
NH4+
Na+
Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4+
CEC是土壤的一个很重要的化 学性质，直接反应了土壤的保肥 供肥性能和缓冲能力。一般认为 CEC ＞20cmol(+)/kg 保肥力强
20~10cmol(+)/kg
＜10cmol(+)/kg
中等
弱
二、土壤阳离子交换作用
5、影响CEC的因素 (1) 胶体的类型
土壤和沉积物中的锰、铁、铝、硅等氧化物 及其水合物，对多种微量重金属离子起富集作用， 其中以氧化锰和氧化铁的作用更为明显 。
由于专性吸附对微量金属离子具有富集作用 的特性，因此，正日益成为地球化学领域或地 球化学探矿等学科的重要内容。
专性吸附在调控金属元素的生物有效性和生 物毒性方面起着重要作用。有试验表明，在被铅 污染的土壤中加入氧化锰，可以抑制植物对铅的 吸收。 土壤是重金属元素的一个汇，对水体中的重 金属污染起到一定的净化作用，并对这些金属 离子从土壤溶液向植物体内迁移和累积起一定
不同pH值下粘粒矿物的交换量
不同pH值
粘土矿物 2.5-6 蒙脱石 高岭石 95 4 7 100 10 阳离子交换量* cmol(+)/kg 5 6
* pH等于7时的增加值
二、土壤阳离子交换作用
6、影响交换性阳离子有效度的因素
（1）交换性阳离子的饱和度
土壤阳离子饱和度效应
土壤
甲 乙
CEC cmol/kg
11.15
B
C
40%Ca+60%Mg
40%Ca+60%Na
2.79
2.34
7.83
4.36
在土壤胶体上各种交换性盐 基离子之 间的相互影响的作用—互补离子效应（陪伴 离子效应）
互补离子效应 effect of complementary ion
胶体表面可同时吸附多种离子，对某一指定离子来说， 伴存的其它离子即为陪补离子(complementary ion)(与 交换反应的离子共存的其它交换性离子总称）也称为陪 补离子。 一般陪补离子与胶体结合力愈强，则所指定的离子交 换性愈大，此种作用称为陪补离子效应。
指土壤所能吸附和交换的阳离子的容量， 在pH为７情况下，测得每公斤干土所吸附阳离 子的厘摩尔数。（cmol(+)/kg干土)，也叫阳离 子代换量，简称“代换量”
cmol（+）/kg意思是以一价离子进行计算阳离子交换量
土壤交换性阳离子及CEC的测定方法
NH4+ Na+
Ca2+ Mg2+ K+ Na+
当钠的饱和度达到40%以上时，就阻碍了钙和钾正常被 植物吸收。当土壤钠的饱和度达到50%以上时，钾从植物 组织中倒流。
土壤的离子交换与土壤性质
被认为是好的土壤的阳离子组成：
对于绝大多数植物，交换性钙饱和度在60~70%、代换性镁 10~15%、钾3~5%，最好还有少量的代换性氢。
Wilde依据树木生长情况制订了在土壤质量指标体系种植苗木的标准
8 30
交换性钙 cmol/kg
6 10
交换性钙的饱和度 (%)
75 33
二、土壤阳离子交换作用
6、影响交换性阳离子有效度的因素
（1）交换性阳离子的饱和度 （2）陪补离子效应
互补离子与交换性钙的有效性
土壤
交换性 阳离子组成 小麦幼苗 小麦幼苗 干重(g) 吸钙量(mg)
A
40%Ca+60%H
2.80
带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子
蒙脱石 ＞ 伊利石 ＞ 高岭石
（四）阴离子专性吸附
阴离子专性吸附是指阴离子进入粘土矿
物或氧化物表面的金属原子的配位壳中，与 配位壳中的羟基或水合基重新配位，并直接 通过共价键或配位键结合在固体的表面。这 种吸附发生在胶体双电层的内层，也称为配 位体交换吸附。
产生专性吸附的阴离子有F-离子以及磷 酸根、硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根 离子。
离 子 半 径 与 吸 附 力
一价离子 Li+ Na+ K+ NH4+ Rb+
离子的真实半径(nm)
0.078 0.098 0.133 0.143
0.149
离子的水合半径(nm)
1.008 0.790 0.537 0.532 弱
0.509 强
二、土壤阳离子交换作用
4、土壤阳离子交换量：
CEC ( cation exchange capacity)
阴离子吸附的特点
1.阴离子交换吸收作用也服从质量作用定律，但不具 有明显的当量关系。磷酸盐的偏离程度最大。
2.阴离子吸附量随pH变化较大：一般土壤pH升高，吸
附量降低，到一定值时，出现负吸附。吸附作用很弱或进 行负吸附的阴离子：Cl-、NO3-。
3.土壤中氧化铁、氧化铝含量较高时能较明显地吸附
Cl-和NO3-，且吸附量随浓度增高而增加。 被吸附的Cl-、NO3-很容易解吸，因此，很容易被淋 冼流失。这是一些地区土壤中NO3-淋失污染地下水的主要原 因。
换性钠与交换性Ca2+、Mg2+离子浓度之 和的比值。
SAR—sodium adsorption ratio 指溶液中Na+
浓度与Ca2+、Mg2+浓度之和的平方根的 比值。
四、 阳离子专性吸附
1、产生阳离子专性吸附的阳离子：
（1） IB族元素：Cu（29）、Ag（47）、Au （79） （2）IIB族元素：Zn（30）、Cd（48）、Hg （80） （3）过渡金属离子 2、产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质： 铁铝锰等的氧化物及其水化物
（三）阴离子的负吸附
所谓阴离子的负吸附，是指距带负电荷的 胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。
负吸附现象也受土壤特性影响，其它条件 相同，则负吸附现象随着土壤胶体的数量和阳 离子代换量的增加而增加。但随陪伴阳离子价 数的增加而减少，不同的粘粒矿物对负吸附的 影响也不同，他们递减的次序为：
这种情况也可归因于胶体负电荷数量不同 的排斥作用愈强，负吸附作用愈明显。 的缘故。
层状硅酸盐矿物在某些情况下对重金 属离子也可以产生专性吸附作用
反应的结果使体系的pH值下降 ！
阳离子专性吸附
1、产生阳离子专性吸附的阳离子： 2、产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质： 铁铝锰等的氧化物及其水化物 3、影响阳离子专性吸附的主要因素 （1）pH （2）土壤胶体类型 4、阳离子专性吸附的实际意义
（一）土壤吸附的阴离子
土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三类： 1．易被吸附的阴离子 最重要是： H2PO4- HPO42- PO43HsiO3- SiO32ClNO3NO2C2O42-
2．吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子
3．中间类型的离子： SO42CO32-
各种阴离子被土壤吸收的次序如下：