土壤学土壤阳离子交换作用

1、1 1、定义、定义 土壤阳离子交换作用：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。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对这种能相互交换的阳离子叫做交换性交换性阳离子阳离子。一、土壤吸附性能类型一、土壤吸附性能类型第三节第三节 土壤吸收性能和离子交换土壤吸收性能和离子交换二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用1 1、定义、定义2 2、阳离子交换作用的特点、阳离子交换作用的特点1 1）阳离子交换作用是可逆的快速的。阳离子交换作用是可逆的快速的。2 2） 。

2、3 3）阳离子交换受质量作用定律的支配。阳离子交换受质量作用定律的支配。二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用1 1、定义、定义2 2、阳离子交换作用的特点、阳离子交换作用的特点3 3、阳离子交换能力、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影响阳离子交换能力的因素（1 1）电荷的影响）电荷的影响 根据库仑定律，阳离子的价数越高，交换根据库仑定律，阳离子的价数越高，交换能力也越大。能力也越大。（2 2）离子的半径及水化程度）离子的半径及水化程度 同

3、价的离子，其交换能力的大小是依据其同价的离子，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。离子半径及离子的水化程度的不同而不同的。（3 3）离子浓度和数量因子）离子浓度和数量因子一价离子一价离子Li+Na+K+NH4+Rb+离子的真实半径离子的真实半径(nm)(nm)0.0780.0980.1330.1430.149离子的水合半径离子的水合半径(nm)(nm)1.0080.7900.5370.5320.509弱弱 强强离离 子子 半半 径径 与与 吸吸 附附 力力二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用4 4、土壤阳离子交换量：、土壤阳离子交换量： CEC ( cati

4、on exchange capacity) 指土壤所能吸附和交换的阳离子的容量，指土壤所能吸附和交换的阳离子的容量，在在pHpH为情况下，测得每公斤干土所吸附阳离为情况下，测得每公斤干土所吸附阳离子的厘摩尔数。（子的厘摩尔数。（cmol(+)/kgcmol(+)/kg干土干土) )，也叫阳离，也叫阳离子代换量，简称子代换量，简称“代换量代换量”cmolcmol（+ +）/kg/kg意思是以一价离子进行计算阳离子交换量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土壤交换性阳离子及CECCEC的测定方法的测定方法NH4+Na+NH4+NH4+Na+NH4+Ca2+ Mg2+ K+ Na+

5、 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ CEC CEC是土壤的一个很重要的化是土壤的一个很重要的化学性质，直接反应了土壤的保肥学性质，直接反应了土壤的保肥供肥性能和缓冲能力。一般认为供肥性能和缓冲能力。一般认为CECCEC20cmol(+)/kg 20cmol(+)/kg 保肥力强保肥力强 2010cmol(+)/kg 2010cmol(+)/kg 中等中等10cmol(+)/kg 10cmol(+)/kg 弱弱二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用5 5、影响、影响CECCEC的因素的因素 (1) (1) 胶体的类型胶体的类型 二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用5 5、影响、影响

6、CECCEC的因素的因素 (1) (1) 胶体的类型胶体的类型 (2) (2) 胶体数量胶体数量二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用5 5、影响、影响CECCEC的因素的因素 (1) (1) 胶体的类型胶体的类型 (2) (2) 胶体数量胶体数量 (3) (3) 土壤质地土壤质地土壤质地对阳离子交换量的影响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，其阳质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳离子交换量也越大。离子交换量也越大。cmol(+)/kg质地质地砂土砂土砂壤土砂壤土壤土壤土粘土粘土CEC157815182530二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用5 5、影响

7、、影响CECCEC的因素的因素 (1) (1) 胶体的类型胶体的类型 (2) (2) 胶体数量胶体数量 (3) (3) 土壤质地土壤质地 (4) (4) 土壤土壤pHpH 不同不同pH值下粘粒矿物的交换量值下粘粒矿物的交换量粘土矿物粘土矿物不同不同pH值值阳离子交换量阳离子交换量*cmol(+)/kg2.5-6 7蒙脱石蒙脱石951005高岭石高岭石4106* pH等于等于7时的增加值时的增加值二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用6 6、影响交换性阳离子有效度的因素影响交换性阳离子有效度的因素 （1 1）交换性阳离子的饱和度）交换性阳离子的饱和度 土壤土壤CECCECcmol/kgcm

8、ol/kg交换性钙交换性钙cmol/kgcmol/kg交换性钙的饱和度交换性钙的饱和度(%)(%)甲甲8 86 67575乙乙303010103333土壤阳离子饱和度效应土壤阳离子饱和度效应二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用6 6、影响交换性阳离子有效度的因素影响交换性阳离子有效度的因素 （1 1）交换性阳离子的饱和度）交换性阳离子的饱和度 （2 2）陪补离子效应）陪补离子效应互补离子与交换性钙的有效性互补离子与交换性钙的有效性土壤土壤交换性交换性阳离子组成阳离子组成小麦幼苗小麦幼苗干重干重(g)(g)小麦幼苗小麦幼苗吸钙量吸钙量(mg)(mg)ABC40%Ca+60%H40%Ca+

9、60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na40%Ca+60%Na2.802.792.3411.157.834.36 在土壤胶体上各种交换性盐在土壤胶体上各种交换性盐 基离子之基离子之间的相互影响的作用间的相互影响的作用互补离子效应（陪伴互补离子效应（陪伴离子效应）离子效应） 互补离子效应互补离子效应 effect of complementary ioneffect 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，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伴存的其它离子即为陪补离子陪补离子(com

10、plementary ion)(complementary ion)(与与交换反应的离子共存的其它交换性离子总称）也称为交换反应的离子共存的其它交换性离子总称）也称为陪陪补离子补离子。 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，此种作用称为换性愈大，此种作用称为陪补离子效应陪补离子效应。土 壤胶粒Al3+Ca2+NH4+交换性Ca2+有效性高土 壤胶粒Na+Ca2+NH4+交换性Ca2+有效性低互补离子与交换性钙的有效性互补离子与交换性钙的有效性土土 壤壤交换性阳离子组成交换性阳离子组成小麦幼苗小麦幼苗干重干重(g)(g)小麦幼苗小麦

11、幼苗吸钙量吸钙量(mg)(mg)A AB BC C40%40% Ca + Ca + 60%60% H H40%40% Ca + Ca + 60%60% MgMg40%40% Ca + Ca + 60%60% NaNa2.802.802.792.792.342.3411.1511.157.837.834.364.36二、土壤阳离子交换作用二、土壤阳离子交换作用6 6、影响交换性阳离子有效度的因素影响交换性阳离子有效度的因素 （1 1）交换性阳离子的饱和度）交换性阳离子的饱和度 （2 2）陪补离子效应）陪补离子效应 （3 3）粘土矿物类型）粘土矿物类型（）由交换性离子变为非交换性离子（）由交换性离

12、子变为非交换性离子的有效度问题的有效度问题矿物类型NaNa+ +K K+ +NHNH4 4+ +H H+ +CaCa2+2+高岭石蒙脱石伊利石0.340.340.210.210.100.100.380.380.250.250.150.150.250.250.280.280.210.210.0080.0080.0580.0580.0360.0360.0800.0800.0220.0220.0400.040粘土矿物类型与交换性阳离子活度系数关系粘土矿物类型与交换性阳离子活度系数关系三、土壤的盐基饱和度三、土壤的盐基饱和度(BSP) Base Saturation Percentage致酸离子致酸离

13、子：H+ 、Al3+盐基离子盐基离子：K+、Na + 、Ca 2+ 、Mg2+、NH4+等等盐基饱和度盐基饱和度：交换性盐基离子占阳离子交换量的：交换性盐基离子占阳离子交换量的 百分数。百分数。 盐基饱和度盐基饱和度_交换性盐基交换性盐基cmol(+)/kgCEC cmol(+)/kg100 例：例：CEC=50 cmol(+)/kg =50 cmol(+)/kg 交换性交换性CaCa2+2+, , MgMg2+2+, K, K+ +, Na, Na+ +的含量分别为的含量分别为1010，5, 105, 10，5 5，cmolcmol（+ +）/kg/kg，则，则盐基饱和度盐基饱和度_10+5

14、+10+5cmol(+)/kg50 cmol(+)/kg100 60n当土壤胶体上吸附的阳离子全部是盐基离子当土壤胶体上吸附的阳离子全部是盐基离子时时, ,土壤成盐基饱和状态土壤成盐基饱和状态, ,称之为称之为盐基饱和的盐基饱和的土壤土壤。n当土壤胶体吸附的阳离子仅部分为盐基离子，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，称之为不饱和状态，称之为盐基不饱和土壤盐基不饱和土壤。n盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应，而盐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。基不饱和的土壤则呈酸性反应。盐

15、基饱和度土壤肥力水平的重要指标之一盐基饱和度土壤肥力水平的重要指标之一l盐基饱和度盐基饱和度 80 80 土壤肥沃土壤肥沃l盐基饱和度盐基饱和度 5050 8080 中等肥力水平中等肥力水平l盐基饱和度盐基饱和度 50 50 土壤肥力较低土壤肥力较低ESPexchangeable sodium percentage 指交换指交换性钠离子占交换性阳离子总量的百分数性钠离子占交换性阳离子总量的百分数。SARsodium adsorption ratio 指溶液中指溶液中NaNa+ +浓度与浓度与CaCa2+2+、MgMg2+2+浓度之和的平方根的浓度之和的平方根的比值。比值。ESRexchange

16、able sodium ratio 指溶液中交指溶液中交换性钠与交换性换性钠与交换性CaCa2+2+、MgMg2+2+离子浓度之离子浓度之和的比值。和的比值。 四、四、 阳离子专性吸附阳离子专性吸附1、产生阳离子专性吸附的阳离子：、产生阳离子专性吸附的阳离子： （1 1） IBIB族元素：族元素：CuCu（2929）、）、AgAg（4747）、）、AuAu（7979） （2 2）IIBIIB族元素：族元素：ZnZn（3030）、）、CdCd（4848）、）、HgHg（8080） （3 3）过渡金属离子）过渡金属离子 2 2、产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质：、产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质：

17、 铁铝锰等的氧化物及其水化物铁铝锰等的氧化物及其水化物 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 ！ 阳离子专性吸附阳离子专性吸附1、产生阳离子专性吸附的阳离子：、产生阳离子专性吸附的阳离子：2 2、产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质：、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铁铝锰等的氧化物及其水化物3 3、影响阳离子专性吸附的主要因素、影响阳离子专性吸附的主要因素 （1 1）pH pH （2 2）土壤胶体类型）土壤胶体类型4 4、阳离子专性吸附的实际意义、阳离子专性吸附的实际意义土壤和沉积物中的锰、铁、铝、硅等氧化物土壤

18、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，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。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

19、植物对铅的污染的土壤中加入氧化锰，可以抑制植物对铅的吸收。吸收。 土壤是重金属元素的一个汇，对水体中的重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离子从土壤溶液向植物体内迁移和累积起一定的缓冲和调节作用。另一方面，专性吸附作用的缓冲和调节作用。另一方面，专性吸附作用也给土壤带来了潜在的污染危险。也给土壤带来了潜在的污染危险。 五、五、 土壤胶体对阴离子的吸附土壤胶体对阴离子的吸附 带正电的土壤胶体，主要是铁和带正电的土壤胶体，主要是铁和铝的氢氧化物和氧化物，可以吸附阴铝的氢氧化物

20、和氧化物，可以吸附阴离子。离子。 1 1通过土壤胶体表面的（通过土壤胶体表面的（AlAl、FeFe）OHOH基，附着基，附着一个质子（一个质子（H H+ +），从而产生正电荷（可变电荷）。），从而产生正电荷（可变电荷）。2 2腐殖质胶体的腐殖质胶体的NHNH2 2基，在酸性条件下也能带正基，在酸性条件下也能带正电荷。电荷。 R-NH2 + H+ + Cl- = R-NH3+ + Cl- = RNH3Cl土壤胶体带正电荷的方式土壤胶体带正电荷的方式：（一）土壤吸附的阴离子（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：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

21、子易被吸附的阴离子 最重要是：最重要是：H2PO4- HPO42- PO43-HsiO3- SiO32- C2O42- 2吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子Cl- NO3- NO2- 3中间类型的离子：中间类型的离子：SO42- CO32- 各种阴离子被土壤吸收的次序如下：各种阴离子被土壤吸收的次序如下：F- 草酸根草酸根 柠檬酸根柠檬酸根 H2PO4- HCO3- HBO3- SO42- Cl - NO3-（二）阴离子的非专性吸附（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

22、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，以中和内层的正电阴离子居于双电层的外层，以中和内层的正电荷。荷。 1.1.阴离子交换吸收作用也服从质量作用定律，但不具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。有明显的当量关系。磷酸盐的偏离程度最大。 2. 2.阴离子吸附量随阴离子吸附量随pHpH变化较大：一般土壤变化较大：一般土壤pHpH升高，吸升高，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

23、附的阴离子：行负吸附的阴离子：ClCl- -、NONO3 3- -。 3.3.土壤中氧化铁、氧化铝含量较高时能较明显地吸附土壤中氧化铁、氧化铝含量较高时能较明显地吸附ClCl- -和和NONO3 3- -，且吸附量随浓度增高而增加。且吸附量随浓度增高而增加。 被吸附的被吸附的ClCl- -、NONO3 3- -很容易解吸，因此，很容易被淋很容易解吸，因此，很容易被淋冼流失。这是一些地区土壤中冼流失。这是一些地区土壤中NONO3 3- -淋失污染地下水的主要原淋失污染地下水的主要原因。因。阴离子吸附的特点阴离子吸附的特点（三）（三）阴离子的负吸附阴离子的负吸附所谓阴离子的负吸附，是指距带负电荷的

24、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。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：影响也不同，他们递减的次序为： 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 高岭石高岭石这种情况也可归因于胶体负电荷数量不同这种情况也可归因于胶体负电荷数量不同的缘故

25、。的缘故。 带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子的排斥作用愈强，负吸附作用愈明显。的排斥作用愈强，负吸附作用愈明显。（四）阴离子专性吸附（四）阴离子专性吸附 阴离子专性吸附阴离子专性吸附是指阴离子进入粘土矿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，也称为配种吸附发生在胶体双电层的内层，也称为配位体交换吸附。位体交换吸附。 产生专性吸附

26、的阴离子有产生专性吸附的阴离子有F F- -离子以及磷离子以及磷酸根、硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根酸根、硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根离子。离子。 溶液浓度溶液浓度阴离子种类阴离子种类pH pH 影响阴离子吸附的因素：影响阴离子吸附的因素：离子交换对土壤肥力的影响离子交换对土壤肥力的影响!土壤离子交换对土壤养分状况的影响土壤离子交换对土壤养分状况的影响!影响土壤的酸碱性影响土壤的酸碱性!影响土壤的缓冲性影响土壤的缓冲性!影响土壤的物理性质影响土壤的物理性质土壤的离子换与土壤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。土壤胶体上钠离子饱和度高，抑制和威胁作物生长

27、。燕麦和小麦产量与代换性钠数量关系燕麦和小麦产量与代换性钠数量关系土壤中代换性阳离子组成土壤中代换性阳离子组成干物质产量（克干物质产量（克/ /盆）盆）燕麦燕麦小麦小麦100%Ca100%Ca85%Ca+15%Na85%Ca+15%Na70Ca+30%Na70Ca+30%Na50%Ca+50%Na50%Ca+50%Na30%Ca+70%Na30%Ca+70%Na14.914.914.714.715.415.413.213.2死亡死亡17.617.616.916.917.017.014.514.5死亡死亡 当钠的饱和度达到当钠的饱和度达到40%40%以上时，就阻碍了钙和钾正常被以上时，就阻碍了钙和钾正常被植物吸收。当土壤钠的饱和度达到植物吸收。当土壤钠的饱和度达到50%50%以上时，钾从植物组以上时，钾从植物组织中倒流。织中倒流。土壤的离子交换与土壤性质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：被认为是好的土壤的阳离子组成： 对于绝大多数植物，交换性钙饱和度在对于绝大多数植物，交换性钙饱和度在6070%6070%、代换性镁、代换性镁1015%1015%、钾、钾35%35%，最好还有少量的代换性氢。，最好还有少量的代换