第三章 土壤的离子交换

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粘土矿物经过研磨后，能增加负电荷。各 种粘土矿物晶格的边缘上或面角上，都可发生 断碎，使四面体上Si—O键，或八面体上Al-O 键断裂，造成“Si—”、“Al—”、“O—”断 键，产生可变电荷。
(三) 零点电荷（Zero point charge, ZPC）
如果在某个pH值时，粘土矿物表面上既 不带正电荷，也不带负电荷，其表面电荷等于 零，此时的pH值称为零点电荷。
第三章 土壤的离子交换
土壤的离子交换现象，是重要的土壤电 化学性质之一，一般用交换容量大小和离子 吸附力的强弱两个指标来衡量。
这两个指标，同土壤胶体的种类、数 量、构造以及介质中的离子种类，浓度和Biblioteka BaidupH值等环境条件有关，因而十分复杂，不
研究土壤的离子交换，有两方面的重要意义： 1、可以阐明土壤类型的发生学特征，做为土壤
土壤胶体带电荷的种类及数量，直接关系 到吸附离子的种类和数量，因此，首先必须了 解土壤胶体电荷性质及其变动的原因 。
一、土壤电荷的种类和来源 土壤的电荷主要集中在土壤胶体上。 土壤胶体可分为3类。
第一类 无机胶体，如铝硅酸盐粘土矿物， 金属氧化物和硅酸等；
第二类 有机胶体，即腐殖质颗粒； 第三类 有机无机复合胶体，是胶体存在的
3、土壤pH 土壤pH值的高低，主要影响可变电荷的数量，
从而影响总电荷量。
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在土壤中，有机胶体和无机胶体很难长期 单独存在，总要形成复合体，这种复合对胶体 电荷来讲，是非加和性的，即形成复合体的负 电荷，小于结合前各自电荷的总和。
原因：
(1) 带负电荷的有机胶体与带正电荷的铁铝氧 化物的复合作用，消耗了一部分负电荷。
土壤胶体的表面积，可分为外表面积和内 表面积。内表面积指膨胀性粘粒矿物晶层之间 的表面积。
表 3-1土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2·g-1）
胶体种类
内表面积
外表面积 总表面积
蒙脱石 蛭石 水云母 高岭石 埃洛石 水化埃洛石 水铝英石
700-750 400-750
0-5 0 0 400 130-400
15-150 1-50 90-150 5-40 10-45 25-30 130-400
700-850 400-800 90-150
5-40 10-45 430 260-800
表示电荷密度的方法
1、每平方厘米的毫摩尔数：mmol·cm-2 2、每平方厘米的微库仑：微库仑cm-2 3、每平方厘米的静电单位：静电单位cm-2 4、每个交换点占有的面积：nm2
主要形式。
(一) 永久电荷 (Permanent charge)
铝硅酸盐粘土矿物的基本结构单位，是硅 氧四面体和铝氧八面体。硅氧四面体中的硅和 铝氧八面体中的铝，都可被离子半径相近而离 子价不同的其他离子所代替，从而使粘土矿物 的晶格中出现剩余电荷。
由同晶异质代替作用而产生的电荷，称为永 久电荷。
三、土壤胶体的构造
胶核 胶体微粒
双电层
胶粒
决定电位离子层（内） 非活性离子层
补偿离子层（外） 扩散层
（一）微粒核（胶粒） 由无机胶体和有机胶体等分子群组成。
（二）决定电位离子层 是固定在微粒核表面的一层离子，由微
粒核表面分子解离，或从溶液中吸附的离子 构成，使微粒核带电。
（三）补偿离子层 由于微粒核表面带电，它能从土壤溶液中
大。大于2微米的粉砂或砂粒，其电荷较少。
(一) 土壤电荷的数量，以单位重量土壤所带电
1、土壤质地 一般说来，土壤质地越细，其电荷数量愈
大。大于2微米的粉砂或砂粒，其电荷较少。
2、 有机胶体 200～500 m·e/100g 无机胶体 平均10～80 m·e/100g 高岭石 5～15 m·e/100g 伊利石 20～40 m·e/100g 蒙脱石 60～120 m·e/100g
吸附与决定电位离子层电荷符号相反，数量相 等的离子，形成补偿离子层。
补偿离子层可分为非活性层和扩散层。其 中扩散层中的离子活性大，可与土壤溶液中的 离子互相交换。
第二节 土壤的阳离子交换
吸附过程：离子从土壤溶液中转移到胶体上，称 为离子的吸附过程；
永久电荷不受介质pH的影响，因而电荷量比 较恒定。
(二) 可变电荷 (pH-dependent charge ， variable charge ） 土壤可变电荷，是数量随介质pH值升降而改
1、胶核表面分子的解离 如腐殖质具有羧基、酚羟基和羟基，这些功
能团若存在于腐殖质胶粒的表面，可产生解离， 使胶粒上负电荷增加。
分类的根据； 2、了解土壤的肥力特性，指导土壤管理和对农
作物施肥。
第一节 土壤胶体的带电性
土壤胶体： 是指那些粒径大小在0.001—0.1微米的固体
颗粒。 当粒径小到这个范围时，呈现胶体性质。
关于土壤胶体的范围，有不同的观点，5微 米、2微米、1微米、0.5微米也被当作上限。
土壤能够进行离子交换，根本原因是土壤 胶粒具有带电性。土壤胶粒一般是带负电荷, 有 的带正电荷，有的因环境不同，即可带正电荷， 又可带负电荷。
四面体边面上同Si连接的—OH基，可在碱 性条件下，解离出H+，使胶核上负电荷增加：
≡Si-OH + OH- → ≡Si-O- + H2O
铝八面体上-OH解离，释放出H+，使胶核 =Al-OH → =Al-O-+H+
产生正电荷：
Fe(OH)3
→
Fe(OH)
+ 2
+
OH-
Al(OH)3 → Al(OH)2+ + OH-
(2) 有机胶体被多价阳离子凝聚在无机胶体表 面。
(二) 土壤电荷的密度
土壤电荷的密度，是指单位面积上的电 荷数量。
根据这个定义，凡是影响电荷数量的因 素，以及影响土壤表面积的因素，都能影响 土壤的电荷密度。
土壤的电荷密度具有不均匀性，不仅在不 同种类的胶体表面电荷密度不同，而且同一胶 体颗粒的不同部位上，电荷密度也不相同。
二、土壤电荷的数量和密度
土壤电荷的数量决定吸附离子的数量。单 位重量土壤的负电荷愈多，对阳离子的吸附量 越大。
土壤电荷的密度则决定离子吸附强度，电 荷密度越大，吸附力越强。
土壤对离子的吸附数量和吸附强度，对 保存和供给植物速效养分都有重要影响。
(一) 土壤电荷的数量，以单位重量土壤所带电
1、土壤质地 一般说来，土壤质地越细，其电荷数量愈