第5章 第一节 土壤胶体 土壤化学性质

① 阴离子吸附类型 a、阴离子吸附受阴离子种类的影响。 易于被土壤吸附的阴离子（磷酸根、H2PO4-、 HPO42-、PO43-，硅酸根HSiO3-、SiO32-），这 些离子也易与阳离子反应产生难溶性化合物；
磷的固定phosphorus fixation：可溶性磷酸根与
土壤胶体上的Fe3+、 Al3+ 离子结合形成 难溶性
久性质。
• 这种电荷不受介质的pH值的影响，主要发生在2：
1型粘粒矿物中，在1：1型矿物中极少。
• b 、可变电荷variable charge： 胶核表面分子或 原子团的解离所产生的电荷，没有永久性质，它
的数量和性质随着介质的pH值而改变。所以称为
可变电荷。电荷的数量和性质随介质pH而改变的 电荷。
• 促使胶体凝聚或分散的原因，主要决定于电动
电位的高低。而电动电位的高低又取决于扩散
层的厚度.
• 凡电荷数量少而水化度大的离子(如Na+)，形 成的扩散层厚，电动电位高。使胶体分散； • 电荷数量多，水化度小的离子(如Ca2+)，形成 的扩散层薄，电动电位降至一定程度时，胶体
即可凝聚。
• 电解质种类对胶体的凝聚作用有影响：一般是一
粘土矿物一般是指含有-OH基的结晶质的硅酸盐次
生矿物。
1.3 粘土矿物的来源：
①由云母等矿物经过风化或成土作用演变而来；
②由矿物的分解产物在一定条件下合成而成;
③在一定条件下由粘土矿物互相之间演化形成，即
由一种演变成另一种粘土矿物。
• 1.4 有机胶体：是由碳、氢、氧、氮、硫、磷等
元素组成的高分子有机化合物，是非晶质的物质。
第五章 土壤化学性质
第一节
第二节
土壤胶体及其性质
土壤酸碱性
第三节
土壤氧化还原反应
第一节
土壤胶体及性质
一、土壤胶体colloid
（一）土壤胶体：土壤中颗粒直径大小在1-100 毫微米在长、宽、高的三个部分至少有一个方向 在此范围的固体颗粒，具有胶体性质的微粒部分。
• 土壤中粒径<1nm或2nm的矿物质颗粒和腐殖
• c 、土壤的pH0值是表征其可变电荷特点的
一个重要指标，它被定义为土壤的可变正、 负电荷数量相等时的pH值，或称为可变电 荷零点、等电点pH ( isoelectric pH ]。
Examples of Isomorphic Substitution
Al3+ for Si4+
Produces a Net Negative Charge
• 其最主要的成分是各种腐殖质（胡敏酸、富里酸、
胡敏素等），还有少量的木质素、蛋白质、纤维
素等。具有强吸水性、亲水性。
• • • •
2、土壤胶体的来源： 有机质 粘土矿物 氧化物
二、 土壤胶体的构造和性质
（一）土壤胶体的构造
1 土壤胶体分散系包括：
胶体微粒colloid droplet（为分散相
阴离子的价数：Cl- 、NO3- < SO42- <PO43- < OHb、胶体组成成分（铁铝氧化物） c、土壤pH值:阴离子的吸附量随pH升高而 下降。 d、外溶液阴离子浓度增加吸附量增多。
3.1 土壤胶体吸附的阳离子分为两类：
一类是盐基离子base ion，包括Ca2+、Mg2+、K+、 Na+、NH4+等； 另一类是致酸离子acid ion，即H+、Al3+。
3.2 盐基饱和度：土壤中交换性盐基离子总
量cmol/kg占阳离子交换量cmol/kg的百分数
称为土壤的盐基饱和度，即： • 盐基饱和度 base saturation ratio= [交换性 盐基总量/阳离子交换量] ×100%
K+
Mg+2 Ca Ca+2 Reserve -
-
Ca+2 - S O I L
H+ Mg+2
Mg+2
Mg+ K+
2
Ca+2
Al+3
Mg+2
K H+
Al+3
H+ K+
Ca+2
Mg+2
Al+3
Active
H+
1.3 阳离子交换作用特点： a.阳离子交换作用是一种可逆反应 b.阳离子交换作用受质量作用定律支配，而 且反应迅速
c.阳离子交换作用中离子与离子交换作用是
等量交换 ， 它是等量电荷对等量电荷的
反应。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1.4 阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体 上另一种阳离子交换出来有能力。各种阳 离子交换能力大小的顺序为： Fe3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+
• 1.5 影响阳离子交换能力的因素有：
（6）专性吸附:是非静电因素引起的土壤对
离子的吸附,它是指离子通过表面交换与晶 体上的阳离子共享1个或2个氧原子,形成共 价键而被土壤吸附的现象.
二、 土壤物理化学吸收性能
土壤物理化学吸收性能即是土壤离子交换作 用。分为土壤阳离子交换作用和阴离子交 换作用
1 土壤阳离子交换作用
土壤阳离子交换过程：
（2）双电层(electric) double layer：是由土壤
胶体表面的负电荷和代换性阳离子的正电荷构 成。 Stern层: 在紧贴着土壤胶体颗粒表面的那一 部分阳离子受电场静电引力作用极度强,与土壤 胶体表面成平行密实排列,牢牢地被吸引着,难 于移动,此层称为Stern层。
Gouy层：在Stern层的外面，阳离子受静电引力 和热运动的影响，胶体（扩散层）周围的阳离 子数量随着离胶体表面距离的增加而减少，由
定形的SiO2(amorphous quartz)、氧化铝 aluminium oxide、氧化铁iron oxide 、铝硅酸 盐晶体aluminosilicate crystal物质、蛋白质分 子protein molecule以及有机无机胶体的分子群
所构成。
• （2）双电层
微粒核表面的一层分子，通常解离成离子，形成 符号相反而电量相等的两层电荷，所以称之为双 电层。双电层由决定电位离子层和补偿离子层组 成。
（4）物理化学吸收性：是指土壤对可溶性物质中
离子态养分的保持能力。这种吸收是以物理吸收
为基础，又呈现出化学反应相似的特性。
（5）生物吸收性：是指土壤中植物根系和微生物
对营养物质的吸收，这种吸收作用的特点是选择 性和创造性，并且具有累积和集中养分的作用。
上述五种吸收性不是孤立的，而是相互联系、相互
影响的，都具有重要的意义。
质（分散相dispersed phase）分散在土壤溶 液（分散介质dispersion medium）中的分 散体系。
（二）、 土壤胶体的类型和来源
1、土壤胶体的类型
土壤胶体通常分为三大类： 无机胶体、有机胶体、和有机无机复合体
含水氧化物
1.1 无机胶体 层状硅酸盐矿物（粘土矿物）
1.2 无机胶体inorganic colloid：其主体是粘土矿物；
• 1.1 吸附adsorption过程：离子从溶液中转移到
胶体上的过程，称为离子的吸附过程；
• 1.2 解吸desorption过程：原来吸附在胶体上的
离子转移到溶液中的过程，称为离子的解吸过程。
Cation Exchange Capacity
Active
Ca+2 Ca+2
Ca+2
Exchangeable Cations Ca+2 H+
全部是致酸离子，即H+、Al3+时，称为 “盐基完全不饱和态’’，此时土壤的pH 值称为“极限pH值”。
三、阴离子anion的交换吸附
土壤在一般情况下是带负电荷，吸附阳离子；但在强酸性条 件下带正电荷吸附阴离子。
阴离子的交换吸附是指土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子
与土壤溶液中的阴离子相互交换的作用。 这种交换作用与阳离子交换作用一样，服从质量作用定律， 但土壤中的阴离子往往与化学固定等交织在一起，很难分开。
价离子<二价离子<三价离子。 • Fe3+>Al3 +>Ca2+>Mg2+>H+> NH4+>K+>Na+ • 电解质浓度对胶体的凝聚也有很大影响:浓度大, 可促使凝胶形成。
（三）土壤胶体电荷
a 、永久电荷permanent charge ：它是由于粘粒
矿物晶层内的同晶替代所产生的电荷。这种电荷 一旦产生后，就不能改变，而成为粘粒矿物的永
Mg2+ for Al3+
Mg
Al
Silicon Tetrahedron
Aluminum Octahedron
产生可变电荷可的主要原因有：
①粘粒矿物晶面上-OH 基的解离 ②含水铁、铝氧化物的解离 ③腐殖质上某些原子团的解离 ④含水氧化硅的解离
⑤粘粒矿物晶层上的断键等。
二 土壤胶体的交换吸附作用
dispersed phase ）和微粒间溶液（为分
散介质dispersion medium ）两大部分。
胶体微粒在构造上可分为微粒核droplet
core、决定电位离子层electric potential ion layer和补偿离子层compensation ion layer三部分组成。
• （1）微粒核droplet core ： 主要由腐殖质、无
壤中。 这种吸收作用取决于土壤的孔隙状况。
（2）物理吸收性：这种吸收性能是指土壤对分子
态物质的保持能力，它表现在某些养分聚集在胶 体表面，其浓度比在溶液中为大，另一些物质则
胶体表面吸附较少而溶液中浓度较大，前者称为
正吸附positive adsorption后者称为负吸附
negative adsorption。
a. 电荷的数量 charge number b. 离子半径ionic radius和离子水化半径ion hydration radius c. 离子浓度ionic concentration
2 土壤阳离子交换量（CEC）
2.1 阳离子交换量cation exchange capacity（或吸收容量）：是指在一定pH 值条件下,每1000g干土所能吸附的全部交 换性阳离子的厘摩尔数（cmol/kg）。
稠密变为稀疏，呈扩散式分布，此层称为
Gouy层。
（二） 土壤胶体的性质
1 土壤胶体比表面和表面能
• 比表面积（比面）specific surface
area是指单位重量或单位体积的总表面
积（cm2/g， cm3/cm3）。
• 由于表面分子与外界的液体或气体介质相接触，
因而在内、外方面受到的是不同分子的吸引力，
3.3 影响交换性阳离子有效度的因素 a. 交换性阳离子的饱和度 离子饱和度：土壤吸附的某离子量占土壤全部阳 离子量的百分数。
b. 陪伴（补）离子效应accompany ion effect
土壤胶体上同时吸附着多种阳离子，对其中某种 离子来说，其余的各种离子都称为它的陪补离 子.
• 4 极限pH值：当土壤胶体上吸附的阳离子
的铁铝磷酸盐，这一过程称为磷的固定。
b、很少或根本不被吸附的阴离子（Cl-、NO3-、
NO2-）
这些离子常常出现负吸附；
c、介于上述两者之间的阴离子（SO42-、CO32-、
HCO3-）
②影响土壤对阴离子吸收的因素
a、阴离子吸附的相对次序：磷酸根≥ 砷酸根≥ 硅
酸根≥ 钼酸根≥ 硫酸根≥ 氯离子=硝酸根
负吸附：是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。
产生这种作用的原因是由于固体颗粒界面上的表面
自由能的作用。 气态物质（水气、CO2、NH3等）和细菌的吸附也 是物理吸附。
（3）化学吸附性：是指易溶性盐在土壤中转变为 难溶性盐而沉淀保存在土壤中的过程。
这种吸收是纯化学作用过程。
土壤吸收性能是指土壤能吸收和保留土壤
溶液中的分子和离子，悬液中的悬浮颗粒、
气体以及微生物的能力。土壤吸收性能亦
称土壤吸收保肥性能。
（一） 土壤吸收性能类型
（1）机械吸收性mechanical absorbability ：
是指土壤对固体物体的机械阻留，如施用有机
肥时，其中大小不等的颗粒，均可被保留在土
2.2 影响土壤阳离子交换量因素：
a、胶体类型
b、胶体数量
c、土壤pH值
Structure of Humic Acid
R-C00- R-C00R-C00R-C00-
R-C00-
Contributes to high CEC 200 cmol(+)/kg
3 土壤的盐基饱和度base saturation ratio
不能相互抵消，所以具有多余的表面能。 • 这种能量产生于物体表面，故称为表面能。 • 胶体数量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附 能力也就愈强。
球状土粒的比面
2 土壤胶体有凝聚和分散作用
凝聚作用:土壤胶体溶液如受到某些因素的影响，使
胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶，这种作用叫做 胶体的凝聚作用；
分散作用:由凝胶分散成溶胶，叫做胶体的分散作用。