《土壤胶体》PPT课件.ppt

第五章 土壤胶体和土壤吸收性能,第一节 土壤胶体,一、土壤的各种胶体,土壤胶体是土壤中最活跃的部分，它们的质和量对土壤理化性质和肥力水平具有明显的影响和作用。 土壤胶体一般可分为无机胶体、有机胶体、有机无机复合胶体。下面我们介绍这三类胶体。,（一）无机胶体,无机胶体：无机胶体在数量上远比有机胶体要多，主要是土壤粘粒，它包括氧化硅类、三氧化物类和层状铝硅酸盐等各种类型，又称粘土矿物，多为结晶态。 1.粘粒矿物的结晶单位 （1）硅氧四面体和硅氧片 （2）铝氧八面体和铝氧片,硅氧片、硅氧四面体,硅四面体可以共用氧原子而形成一层，氧原子排列成为中空的六角形，称硅氧片或硅氧层。,铝氧八面体,中心铝离子排列而成，氧原子排列成两层，铝原子居于两层中心孔穴内。,由六个氧原子（或氢离子）环绕着一个,2.各类粘粒矿物的构造和性质,（1）二氧化硅的构造和性质 游离硅酸：是各种硅酸盐经过化学风化过程的最后产物，为无定型物。 次生石英：晶体构造，粘结力弱，成分与游离硅酸一样，两类矿物均带负电。 （2）三氧化物的构造和性质 例如：褐铁矿 赤铁矿 针铁矿 水铝矿和三水铝石 它们均为结晶矿物 两性胶体 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；,（3）结晶硅酸盐的构造和性质,这类矿物是原生矿物晶风化作用分解后，在一定的盐基物质参与下重新合成为nR2o3mSio2H2o的凝胶体，进而逐渐演变成结晶的铝酸盐，最后趋于稳定。它们是无机胶体中最重要的组成部分，影响着许多土壤的物理化学性质，对土壤的形成合肥里都有巨大作用。,。,a高岭石类矿物：主要包括高岭石、珍珠陶土、迪岩石及埃落石等 特点：1.晶层是由一片硅片，一片铝片重叠组成的。 2.当晶层重叠时，水分子和氧分离子很难进入晶层之间。 3.晶层内的硅氧片和铝氧片中没有或极少同晶代替，故吸附氧离子的能力远不如蒙脱石类矿物。 4.外形大多为明显的六角形薄片，比面小，仅5-20/g，而且只有外表面，粘结性 粘着性 可塑性均很弱。,b蒙脱石类包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、和皂石等 特点：1.晶层是有二片硅氧片间夹一片铝氧片组合而成，为2:1矿物Sio2/R2o3 其分子比率为4。 2.吸湿能力强 3.晶层内普遍存在大量的同晶代替 4.蒙脱石类矿物颗粒层界面不规则的絮状薄片，而且特别细微。,c 水云母类 包括水白云母、水黑云母、伊利石 特点：1.其晶层构造同蒙脱石类，亦为2:1性矿物。 2.具有键联的效果 3.晶层内普遍存在同晶代替代现象 4.颗粒为不规则的片状，大小居中 d 蛭石,硅铝铁率,土壤黏粒中SiO2/(Al2o3+Fe2O3)的分子数比的比率 以Saf值表示。 意义：推论粘粒矿物的类型，从而说明土壤的保肥能力。若将土体和母岩相对照，可以说明土壤过程的特征。对照剖面上下层的Sio2/R2o3分子比值可以说明剖面中物质淋溶和聚集状况。可作为母质风化度的指标来判断母质风化度的深浅。,（二)有机胶体 有机胶体主要指的是土壤中的腐殖质。 与有机胶体的共性：腐殖质颗粒很细小，具有巨大的比表面积。 特点：1.它是由C、H、O、N、S、P组成的有机化合物，是无定形的物质 2.腐殖质是亲水胶体，具有高度的亲水性 3.腐殖质组成中有很多的功能团，比如RCOOH、RCH2OH等这些功能团解离后能带有大量的负电荷，腐殖质所带负电荷的数量比粘土矿物要大得多，所以保存阳离子的能力也比粘土矿物要大得多。 另外腐殖质功能团中RNH2的质子化，还能使腐殖质带正电荷。 4.带有大量的负电荷 5.有机胶体易受微生物的作用而分解，不如无机胶体稳定,（三）有机无机复合胶体,在土壤中有机胶体一般很少单独存在，绝大部分与无机胶体紧密结合在一起形成有机无机复合胶体，有机胶体与无机胶体的连接方式是多种多样的，但主要是通过二价、三价等多价阳离子（Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等）作为桥梁把腐殖质与粘土矿物连在一起，或者通过腐殖质表面的功能团比如COOH、OH以氢键的方式与粘土矿物连在一起。,二、土壤胶体的表面积和电性,（一）土壤胶体的表面积 比表面：指单位重量或单位体积物体的总表面积（cm2/g，cm2/cm3）。 2:1型黏土矿物,腐殖质具有巨大的比表面,比表面能（吸附能力产生的主要原因） 物体内部分子处在周围分子之间，在各个方向上受到吸引力相等而相互抵消，表面分子则不同，由于它们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，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。,（二）土壤胶体的电性,土壤胶体电荷： 可分为永久电荷和可变电荷两种。 永久电荷（内电荷）：粘粒矿物晶层内的同晶代换所产生的电荷。 电荷数量取决于同晶替的多少。 特点：不受pH的影响。 2：1型矿物带负电的主要原因。,可变电荷,定义:电荷的数量和质量随介质的pH而改变的电荷。 可变电荷零点(pH0): 土壤的可变正、负电荷数量相等时的pH 来源：胶核表面分子（或原子团）的解离 1、黏土矿物晶面上-OH的解离 2、含水铁、铝氧化物的解离（Al2O3.3H2O) 3、腐殖质上某些官能团的解离（COOH） 4、含水氧化硅的解离带电：净电荷,（1）黏土矿物晶面上-OH的解离 层状硅酸盐晶层上的-OH基可以解离出H+，带负电。,-OH -OH -OH,-O- -O- -O-,结晶体,结晶体,+3H+,如高岭石的pH0为5。 1：1型粘粒矿物带电的主要原因。,（2）含水氧化铁、氧化铝的解离 如三水铝石的pH0值为4.8。 当土壤pH低于pH0值时: Al2O3.3H2O 2Al(OH)2+2OH- 当土壤pH高于pH0值时: Al2O3.3H2O 2Al(OH)2O-+2OH-,（3）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+,（4）含水氧化硅的解离 SiO2.H2O（或H2SiO3）的pH0值为2 在土壤中一般不产生正电荷 所带负电荷的量随土壤pH值的升高而增加。,2.土壤胶体的双电层构造,（1）概念 带电胶粒分散在电解质溶液中时，由于静电引力，在胶体周围形成一反号电荷的离子层，胶粒表面的电荷与周围的离子层，就构成了交替的双电层。,（2）土壤双电层的构造,1、微粒核（胶核）：核心、基本物质。腐殖质、SiO2、氧化铝、氧化铁、铝硅酸盐、蛋白质及有机无机胶体分子群。,2、双电层：（1）决定电位离子层：是固定在胶核表面，并决定其电荷和电位 一层离子。它是由胶体表面的分子解离为离子，或从溶液中吸附某一种离子而构成。 （2）补偿离子层：由于胶体表面决定电位离子层带电，产生电场和静电引力，吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，形成补偿离子层。,A.非活性补偿离子层：补偿离子层的内层，靠近决定电位离子层，受到的静电引力强，离子被牢牢吸引，成平行密实排列，不易自由解离，只能随着胶核移动。 B.扩散层：在非活性补偿离子层的外面，受到的静电引力小，活动性大。同时还受使离子均匀分布的热运动的影响，使此层阳离子随离子距胶粒表面距离的增大而减少，由稠密到稀疏，呈扩散状态。,（三）土壤胶体的电位及对胶体的凝聚和分散的影响,1、土壤胶体的电位 由于胶体的双电层构造，从胶粒表面决定电位离子层到扩散层外缘产生了电位差，称为全电位。 同一土壤中，电动电位的高低，主要决定于扩散层的厚度，而扩散层的厚度与离子电荷数量及离子水化度有关。,2、胶体的凝聚和分散,胶体的两种状态 （1）胶体微粒均匀分散在水中，呈高度分散状态的溶胶； （2）胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状的凝胶。,降低PH值 用二价或三价阳离子去置换一价阳离子 增加胶核周围阳离子的浓度，一减低电动电位并阻止分散 按凝聚力的大小： Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ H+ NH4+ K+ Na+ 土壤中含有带相反电荷的两种胶体也可以发生凝聚作用 胶体化也会发生凝聚作用 胶体的凝聚或分散决定于电动电位的高低： 越高，排斥力愈强，溶胶状态。 越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶状态。,第二节 土壤吸附性能,指土壤能够吸收和保持土壤溶液中的分子和离 子，悬液中的悬浮颗粒、气体及微生物的能力。 土壤吸收性能： 1、机械吸收：机械阻隔 2、物理吸收性 3、化学吸收性 4、物理化学吸收性 5、生物吸收性,（1）机械吸收性：是指土壤对物体的阻留。如施有机肥时，其中大小不等的颗粒，均可被保留在土壤中；污水、洪淤灌溉时，其土粒及其他不溶物，也可固机械吸收性而被保留在土壤中。 主要决定于土壤的孔隙状况。,（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，前者为正吸附，后者为负吸附。,（3）化学吸收性：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，这种吸收作用是以纯化学作用为基础的。,（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，由于土壤胶体带有正电荷或负电荷，能吸附溶液中带异号电荷的离子，这些被吸附的离子又可与土壤溶液中的同号电荷的离子交换而达到动态平衡。 这一作用是以物理吸附为基础，而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有选择性和创造性，并且具有累积和集中养分的作用。 只有此种吸收才能吸收硝酸盐，生物吸收对于提高土壤肥力方面有着重要意义。,四、土壤物理化学吸收性能,即土壤离子交换作用。土壤离子交换可分为两类：一类为阳离子交换作用，另一类为阴离子交换作用。 阳离子交换作用：带负电胶体所吸附的阳离子与溶液中的阳离子进行交换。 阴离子交换作用：带正电胶体吸附的阴离子与溶液中阴离子互相交换的作用。,（一）土壤阳离子交换作用,概念：土壤胶体吸附阳离子，在一定条件下，与土壤溶液中的其他阳离子发生交换，这就是土壤阳离子的交换过程。 能够参与交换过程的阳离子，就成为交换性阳离子。,特点：1、是可逆反应 任何一方的反应都不能进行到底，反复浸提（交换性阳离子测定），才能把胶体表面上的钙离子和钾离子全部交换出来； 2、等量交换，等摩尔交换，20克Ca2+可以和39.1克K+交换； 3、反应迅速,影响阳离子交换能力的因素,电荷的数量 Fe3+ Al3+ H+ Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+ 原子序数 离子半径大水化半径小，交换性能强 离子的运动速度 离子浓度,3、土壤阴离子交换量,定义：在一定pH值条件下，每千克土壤所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。 单位：cmol/kg 。,影响因素 土壤胶体数量 胶体类型：2：1，1：1 土壤pH值,A.胶体数量（土壤质地）：土壤胶体物质越多（包括矿质胶体、有机胶体和复合胶体），则CEC越大。就矿质胶体而言，CEC随着质地粘重程度增加而增加，所以粘质土CEC较砂质土要大的多。,B.胶体类型：不同土壤胶体阳离子交换量相差很大。,2:11:1，有机无机,C. 土壤pH值：土壤酸碱度影响胶体表面官能团中H+的解离，因而影响可变电荷的多少。,4、土壤盐基饱和度,1、盐基饱和度（BSP）：土壤胶体上的交换性盐基离子总量占交换性阳离子总量的百分比。 土壤交换性阳离子可分为二类： 致酸离子（H+、Al3+） 盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等) 盐基离子为植物所需的速效养分。,盐基饱和土壤：土壤胶体吸附的阳离子如绝大多数（80%以上）为盐基离子。 盐基不饱和土壤：盐基饱和度在80%以下，H+、Al3+等离子含量较多。 盐基饱和度=【交换性盐基/盐离子交换量】100,5、交换性阳离子的有效度 （1）交换性阳离子的饱和度：饱和度大，该离子的有效性大。 饱和度:胶体上被吸附的某种阳离子的量占土壤阳离子交换量的百分数。,（2）陪补离子的种类： 对于某一特定的离子来说，其它与其共存的离子都是陪补离子。（如胶体吸附了H+、Ca+、Mg2+、K+等离子，对H+来说， Ca+、Mg2+、K+是它 陪补离子） 与胶体结合强度大的离子，本身有效性低，但对其它离子的有效性有利。反之亦然。,不同陪补离子对交换性钙有效性的影响,各处离子相互抑制的能力如下： Na+K+Mg2+Ca2+H+和Al3+,（3）粘土矿物类型： 在饱和度相同的前提下，各种离子在无机胶体上的有效性： 高岭石蒙脱石水云母； 这是因为： 高岭石：阳离子吸附点主要在破裂边缘外表面； 蒙脱石：吸附点主要在晶层间内表面； 水云母：层间空隙狭窄，易使NH4+、K+等离子产 晶穴固定。,（6）阳离子的专性吸附 产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质主要是铁、铝、锰等的氧化物及其水合物。 影响阳离子专性吸附的主要因素： PH值 土壤胶体类型,土壤阴离子的交换作用,土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中阴离子的相互交换作用。,2.胶体吸收阴离子的原因 1、PH值低于两性胶体的等电点时，此时胶体带正电荷可吸收阴离子。 2、粘粒矿物表面上的-OH原子团可与土壤 溶液中的阴离子代换。 3、土壤腐殖质中的NH2 在酸性条件下吸收H+成为NH3+ 而带正电。,3.影响阴离子交换的因素 （1）胶体类型和电解质本身的电荷数 （2）电解质的浓度 （3）PH值,土壤阴离子的分类 1）易于被土壤吸附的阴离子：如磷酸根（H2PO4-、HPO42-、PO43-）、硅酸根（HSiO3-、SiO32-）及某些有机酸的阴离子。此类阴