3 土壤基本性质-2

胶体的分散性和凝聚性
凝聚的速度和强度与两个因素有关： 电解质浓度； 电解质种类。 一般地，离子的价数越高，离子半径越大，所产生的凝聚 能力越强。常见阳离子凝聚力的排列顺序是： Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ 土壤中土壤胶体处在凝胶状态时，有利于水稳性团粒 的形成，有利于改善土壤结构。
Soil is highly individualistic
三 土壤基本性质
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 土壤物理性质 土壤胶体 离子吸附与交换 土壤酸碱性 氧化还原反应
土壤的个性
Elements concentrations of samples from the traffic accident and the Sugang Hill, Yangzhou city, China.
阳离子交换作用: 保持土壤肥力和净化环境的意义 保持土壤肥力的作用:

给土壤溶液补充养分离子 (类似自动售货机的方式) 防止养分淋失
净化环境作用:

“钝化”毒害物质 • 金属类 • 有机污染物
例：阳离子交换作用 在污水处理中应用

过滤渗漏水
阳离子交换量（CEC）
阳离子交换量 (cation exchange capacity): 在一定的pH条件下，土壤所含有的交换 性阳离子的最大量。 单位: 每千克土壤中交换性阳离子的厘摩尔数， cmol(+)/kg.
A
B
南京大学地理与海洋科学学院 南京大学地理与海洋科学学院
第二节
土壤胶体
第二节
土壤分散系及其特征
土壤胶体
胶体是一种均匀混合物。其中含有两种 不同状态的物质，一种分散，另一种连 续。分散的一部分是由微小的粒子或液 滴所组成。 分散质粒子直径：5 nm ~ 200 nm。 土壤溶液中除H2O外的其它成分 ： • 自然降水中所带的可溶物：CO2、O2、NO3-、NH3… • 土壤中存在的其它可溶物：K+、Na+、Cl-、PO43-、胡敏 酸、富里酸…… • 土壤分散系
单位：cmol／100g 土
土 壤 CEC
砂土 1~5
砂壤土 7~8
壤 土 7~18
壤 土 25~30
土壤胶体的阳离子交换能力
Colloid Range Typical at pH7 --- cmol(+)/kg of colloid --Humus Vermiculite Smectite Fine Mica Allophane Kaolinite Al, Fe oxides 100-300 90-200 80-120 15-40 15-40 5-10 2-6 200 150 80 30 30 8 4
由此表可否推断土壤CEC的空间分异规律？
40
Cation exchange capacity, cmol(+)/kg
pH = 8.2 slope = 0.495
30
20
10
0 0
10
Increased cation exchange capacity (CEC) of soil resulting pH = 5.0-5.5 from increased organic slope = 0.263 C concentration at various pH levels. The pH = 4.0-4.5 slope = 0.122 slopes of the regression lines reflect the greater CEC of humus at higher pH levels. 20 30 40 50 60 70 Organic C, g/kg
5
阴离子吸收的机制
1、静电吸附：土壤带正电荷的胶体表面对阴离 子的吸附。 具有交换性。 如：Cl-，NO3-的吸附 2、配位体交换吸附：指阴离子取代氧化物表面 羟基而被吸附的过程。属于专性吸附。 3、化学沉淀作用：指阴离子与土壤矿物质形成 沉淀的过程。 如磷酸根与铁、铝的沉淀。
土壤对阴离子吸附和保持机理比阳离子更为复杂。土 壤中的阴离子被土壤吸附保持的难易程度差别较大： （1）易于被土壤吸附的阴离子 如磷酸根（H2PO4-、HPO42-、PO43-)、硅酸根和某些有 机酸的阴离子（如草酸根）。 （2）吸附作用很弱的离子 如Cl-、NO3- 、NO2-，极易随水流失。 （3）中间类型的阴离子 如 SO42-、CO32-、HCO3-、及某些有机酸（如醋酸根） 的阴离子，土壤吸收它们的能力介于以上两类之间。
700-850 400-800 90-150 5-40 10-45 430 260-800
内表面：膨胀性粘土矿物晶层表面和腐殖质分子聚集体内部的表面。 外表面：粘土矿物、氧化物和腐殖质分子暴露在外的表面。
土壤胶体的带电性
土壤胶体表面带有电荷是其最重要的化学特性。 胶体带电的主要原因： （1）同晶替代 （2）断键 （3）表面分子的解离 Al(OH)3 + H+ → Al(OH)2+ + H2O Al(OH)3＋OH- → Al(OH)2O-＋H2O
颗粒直径 （mm） 2.00-1.00 1.00-0.50 0.50-0.25 0.25-0.10 0.10-0.05 0.05-0.002 < 0.002 表面积 （cm2/g） 11 23 45 91 227 454 8 000 000
常见粘粒矿物的比表面积（m2/g）
胶体成分 蒙脱石 蛭石 水云母 高岭石 埃洛石 水化埃洛石 水铝英石 内表面积 700-750 400-750 0-5 0 0 400 130-400 外表面积 15-150 1-50 90-150 5-40 10-45 25-30 130-400 总表面积
常见阴离子被土壤吸附的难易顺序
F- > 草酸根 > 柠檬酸根 > H2PO4- > HCO3- > H2BO3> CH3 COO- > SCN- > SO4
2- >
土壤中离子的吸附与解吸
离子从溶液转移到胶体表面的过程，称为离子 的吸附过程。 吸附的离子从胶体表面转移到溶液去的过程， 称为离子的解吸过程。 研究土壤中离子的吸附和解吸过程是评价土壤 肥力和环境净化能力的常用方法。
-1
胶体的分散性和凝聚性
一般情况下土壤带负电荷的数量远大于其所带正电荷的 数量，大多数土壤带有净负电荷。 只有少数含Fe、Al氧胶体的两种状态： 溶胶状态：胶粒带同种电荷，彼此互相排斥，所以可以 稳定地分散在介质中。 凝聚状态：胶粒与胶粒互相凝聚 在一起形成絮状或无定形沉淀。 胶体凝聚促进土壤结构的形成。
CEC的测定
Sum of the cations
4
影响土壤CEC的主要因素
不同质地土壤的阳离子交换量
1、胶体含量 2、胶体类型 3、土壤pH值
质地粘重、有机胶体含量高则CEC大 有机胶体CEC远比矿质胶体大，施有机肥 可提高土壤保肥能力和环境容量。 影响可变电荷的多少，一般pH值升高， H+解离，可变负电荷逐渐增多，CEC也 随之增加。
土壤胶体的吸收交换性
带电荷的土壤胶体会吸附土壤溶液中的带相反电荷 的离子，以补偿胶体电性的不平衡。 土壤胶体的吸收交换性能：一部分被吸附的离子， 可以和土壤溶液中的离子进行交换。
第三节 土壤的离子吸附与交换
土壤阳离子交换 (cation exchange)
土壤中带负电荷的胶体所吸附的阳离子，在静电引力、 离子本身的热运动或浓度梯度的作用下，可以和土壤 溶液或其它胶体表面的阳离子进行交换。这种作用就 称为阳离子交换作用。 能互相交换的阳离子就称为交换性阳离子。 交换性阳离子： 致酸离子 H+、Al3+ 盐基离子 Ca2+ 、Mg2+、K+、 NH4+、 Na+
Cl- >
NO3-
硝酸根容易被淋失，而磷酸根容易被固定。这是 农业生产和环境保护中特别需要注意的问题。
第四节
土壤酸碱性
常见的土壤pH值范围
土壤酸性与土壤酸度：
土壤显酸性和土壤溶液中H+的浓度有关，又 和土壤胶体吸附致酸离子有关。 土壤酸度是土壤中氢离子数量的反映。 土壤酸碱度的表示：pH值
组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近 的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。
土壤胶体所带的电荷可以分为永久电荷和可变电荷。 永久电荷： 指由于层状硅酸盐矿物晶格中的同晶替代作用所产 生的剩余负电荷。 这种负电荷不受介质pH值的影响。
Si–O–Si Al –O–Al
→
Si–OAl –O-
Permanent & Variable Charge
土壤胶体的双电层模型
3
阳离子交换作用的特点
（1）阳离子交换作用是可逆反应。
Micelle
Na+ + H+
Micelle Soil Colloid
H+ + Na+
Soil Colloid
（2）交换是等当量进行的。
Micelle
Ca2 + 2H+
Soil solution
Micelle Soil Colloid
2
2:1 型粘土矿物中的同晶替代
sheet charges sheet charges
可变电荷：
variable charge
指随介质pH的变化而变化的电荷。 有机胶体、氧化物胶体的电荷属于可变电荷，层状 硅酸盐矿物的电荷既有永久电荷，也有可变电荷。
5+
e.g. 腐殖质上某些原子团的解离 高pH条件下： -COOH → H+ + COO-OH → H+ + -O低pH条件下： -NH2 → -NH3+