胶体与吸收性能

胶体与吸收性能第一页，共四十二页，2022年，8月28日第一节土壤胶体的种类和构造一、土壤胶体的概念

土壤胶体是土壤中最细微的颗粒，胶体颗粒的直径一般在1～100nm（长、宽、高三个方向上，至少有一个方向在此范围内），但实际上土壤中小于1000nm的粘粒都具有胶体的性质。所以，土壤胶体的大小范围与通常所指的胶体有所不同，直径在1～1000nm之间的土粒都可归属于土壤胶粒的范围。第二页，共四十二页，2022年，8月28日二、土壤胶体的种类土壤胶体按其成分和来源可分为无机胶体（也称矿质胶体）、有机胶体和有机无机复合胶体三类。1.无机胶体无机胶体又称矿质胶体，主要为极细微的土壤颗粒，它是岩石风化和成土过程的产物，几乎都属于在化学风化过程中产生的次生矿物，主要包括成分较为简单的含水氧化铁、氧化铝、氧化硅等胶体物质和成分较为复杂的次生层状铝硅酸盐类粘土矿物。在数量上，无机胶体比有机胶体高几倍到几十倍。

第三页，共四十二页，2022年，8月28日（1）含水氧化硅胶体多为游离态的无定形氧化硅的水合物SiO2·nH2O（实际上可写成偏硅酸H2SiO3）分子。土壤中氧化硅的含量很多，包括结晶质和非结晶质两种形态，主要以结晶质的石英形式存在于砂粒和粉粒中，非结晶质的无定形氧化硅才具有胶体性质。无定形氧化硅无论呈溶胶还是凝胶形态，都是一种活性很高的吸附剂。第四页，共四十二页，2022年，8月28日（2）含水氧化铁、氧化铝胶体

多为结晶态矿物，属两性胶体，多写成Fe2O3·nH2O、Al2O3·nH2O，也可用Fe(OH)3、Al(OH)3的形式来表示，它是硅酸盐矿物彻底风化的产物，在风化程度高的土壤上这类矿物较多。第五页，共四十二页，2022年，8月28日（3）层状硅酸盐矿物是无机胶体的主体，大都呈结晶态的次生粘土矿物。从外部形态上看是极细微的结晶颗粒，从内部构造上看，都是由两种基本结构单位硅氧四面体和铝氧八面体所构成，并且都含有结晶水只是化学成分和水化程度不同而已。2.有机胶体土壤中的有机物质，尤其是腐殖质，具有明显的胶体性质，故称之为土壤有机胶体。土壤腐殖质是土壤有机胶体的主体，此外，还有少量的蛋白质、多肽、氨基酸以及木质素、纤维素等高分子化合物，它们也具有胶体的性质。值得注意的是，土壤中还有大量的微生物，它们本身也具有胶体性质，是一种生物胶体。土壤中大量的微生物对增加土壤的表面积和吸附性，促进土壤结构的形成有很大的作用。第六页，共四十二页，2022年，8月28日3.有机一无机复合胶体土壤中有机胶体很少单独存在，绝大部分的有机胶体和无机胶体通过物理、化学或物理化学的作用，相互结合在一起形成有机一无机复合体。有机胶体与无机胶体的结合方式有多种，但大多数是通过土壤无机Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、Al3＋或功能团（如羧基、醇基等）将带负电荷的粘粒矿物与腐殖质连接起来。有机胶体主要以薄膜状紧密覆盖于粘粒矿物的表面上，还可能进入粘粒矿物的晶层之间。第七页，共四十二页，2022年，8月28日三、土壤胶体微粒的构造土壤胶体分散系包括胶体微粒（分散相）和微粒间溶液（分散介质）两部分。根据双电层理论，胶体微粒在构造上可分为微粒核、决定电位离子层和补偿离子层（双电层）3部分。第八页，共四十二页，2022年，8月28日1.微粒核（胶核）胶核是胶体微粒的核心物质，主要由腐殖质、无定形的SiO2、Al2O3、Fe2O3、铝硅酸盐矿物、蛋白质分子以及有机—无机复合胶体的分子群组成。在表层土壤中，它们以有机—无机复合胶体的形式为主，而在下层土壤中则以无机矿物质为主。第九页，共四十二页，2022年，8月28日2.双电层胶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，同时，由于静电引力的作用，胶核可以吸附周围溶液中反号电荷离子而形成两层离子层，这样就构成了双电层。胶核表面的电荷数量和密度对外层反号离子的多少及两层电荷间电位具有决定作用，故称之为决定电位离子层。外层电荷（离子）对决定电位离子层起补偿作用，使整个胶体微粒达到电中性，故称之为补偿离子层，而这些来源于溶液中的反号离子就称为补偿离子。第十页，共四十二页，2022年，8月28日（1）决定电位离子层是固定在微粒核表面决定其电荷和电位的一层离子。电荷的正负决定胶核表面吸附的离子种类（阳离子、阴离子），电位的高低决定吸附离子的多少。一般而言，土壤中铝硅酸盐和有机胶体带负电，氧化铁胶体多带正电，氧化铝胶体则为两性胶体，所带电荷视环境pH而定。通常所说的胶体带电，就是指这层离子所带的电荷。决定电位离子层电位的高低由胶体净电荷的多少决定，一般情况下，带负电的土壤胶体在数量上要多些，所以土壤的净电荷多为负电荷。

第十一页，共四十二页，2022年，8月28日（2）补偿离子层该层离子的电荷符号与决定电位离子层相反而电量相等。其形成是由于在溶液中胶核表面的电荷通过静电引力，将反号离子吸引在胶核的外围。反号离子由于热运动，总有远离胶核表面的趋势，同时，反号离子被吸附力的大小与离子电荷的数量成正比，而与距离的平方成反比（库仑定律）。因此，胶核表面的反号离子多而活性低，离胶核表面越远，反号离子越少而活性增大。根据补偿离子的活性又可把补偿离子层分为非活性补偿离子层和扩散层两层：非活性补偿离子层：靠近胶核表面的决定电位离子层的补偿离子被吸附得很紧，活性很小，难以解离，不起交换作用，故称为非活性补偿离子。非活性补偿离子和胶核决定电位离子层是一个整体，故称为胶粒。当胶体和周围环境起代换作用时，大都发生在胶粒表面，而不在胶粒内部，故胶粒是起胶体作用的基本单位。第十二页，共四十二页，2022年，8月28日扩散层：分布在非活性层以外，距胶核表面较远，吸附的较松，有较大的活动性，可以和周围的离子交换，称为扩散层。扩散层中离子的分布不是均匀的，而是距离胶粒越远越接近溶液，离子数量越少，也就是这一层逐渐过渡到微粒表面溶液。由于胶粒与扩散层离子有吸引力，因而扩散层离子与溶液中的自由离子不同，始终只能随胶粒移动，这就是交换性阳离子可以不随水移动，土壤可以保存它们的原因所在。第十三页，共四十二页，2022年，8月28日第二节土壤胶体的特性土壤胶体的性质很多，最能体现胶体性质并对土壤性质产生巨大影响的主要有以下几方面：1.土壤胶体具有极大的的比表面和表面能土壤胶体的表面按位置可分为：外表面：粘土矿物、Fe、Al、Si等氧化物、腐殖质分子暴露在外的表面。内表面：主要指的是层状硅酸盐矿物晶层之间的表面以及腐殖质分子聚集体内部的表面。第十四页，共四十二页，2022年，8月28日比表面（简称比面）是指单位质量或单位体积物体的总表面积（cm2/g,cm2/cm3）。很显然颗粒越小，比表面越大，砂粒与粗粉粒的比表面相对于粘粒来讲很小，可以忽略不计，所以土壤的比表面实际上主要取决于粘粒。另外土粒的表面凸凹不平，并非光滑的球体，它的比表面比光滑的球体要大，而且粉粒和粘粒大多呈片状,比表面更大。另外有些无机胶体（比如蒙脱石类粘土矿物）除了有巨大的外表面，而且表面可向晶层之间扩展，还有巨大的内表面。有机胶体除了有巨大的外表面，同样也有巨大的内表面。所以有机胶体同样有巨大的比表面。比如腐殖质分子比表面可高达1000㎡/g。第十五页，共四十二页，2022年，8月28日由于土壤胶体有巨大的比表面，所以会产生巨大的表面能。我们知道物体内部的分子周围是与它相同的分子，所以在各个方向上受的分子引力相等而相互抵消。而表面分子则不同，它与外界的气体或液体接触，在内外两面受到的是不同的分子引力，不能相互抵消，所以具有剩余的分子引力，由此而产生表面能，这种表面能可以做功，吸附外界分子，胶体数量越多，比表面越大，表面能也越大，吸附能力也愈强。第十六页，共四十二页，2022年，8月28日二、土壤胶体的带电性土壤胶体的种类不同，产生电荷的机制也不同，根据土壤胶体电荷产生的机制，一般可分为永久电荷和可变电荷。（一）永久电荷：在粘粒矿物形成时，晶格内发生同晶置换所产生的电荷，一旦产生既为该矿物永久固有，且不受介质pH改变或离子交换反应的影响，只有该矿物遭受化学风化转变为另一矿物时才会发生变化。我们前面介绍过，粘土矿物的结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体，硅氧四面体的中心离子Si4+和铝氧八面体的中心离子Al3+能被其它离子所代替，从而使粘土矿物带上电荷。如果中心离子被低价阳离子所代替，粘土矿物带负电荷；如果中心离子被高价阳离子所代替，粘土矿物带正电荷。多数情况下是粘土矿物的中心离子被低价阳离子所取代：比如Al3+→Si4+，Mg2+→Al3+，所以粘土矿物以带负电荷为主，第十七页，共四十二页，2022年，8月28日（二）可变电荷：由胶体表面分子或原子团解离所产生的电荷，这些电荷形成后不是永久不变的，它的数量和性质会随着介质pH的改变而改变。可变电荷的产生机制主要包括：1、含水氧化硅胶体的解离H2SiO3------H++HSiO3--------H++SiO32-其等电点为pH2。

pH↑，SiO2·H2O的解离越大，所带负电荷越多。2、含水氧化Fe、Al胶体的解离属于两性胶体，其带电情况随环境条件的酸碱变化而改变，在酸性条件下（一般指pH<5）带正电，而在碱性条件下可带负电，氧化铝表现得更明显。Al(OH)3+H+=Al(OH)2++H2O带正电Al(OH)3+OH-=Al(OH)2O-+H2O带负电第十八页，共四十二页，2022年，8月28日3、粘土矿物晶面上OH基中H+的解离

4、腐殖质某些功能团的解离：两性胶体

以上所介绍的胶体电荷的产生都与pH有关，会随介质pH的改变而改变→可变电荷。第十九页，共四十二页，2022年，8月28日三、土壤胶体的分散性和凝聚性（一）概念：土壤胶体有两种不同的状态:一种是胶体微粒均匀地分散在水中，称溶胶；另一种是胶体微粒相互凝结聚合在一起而呈絮状的凝胶。溶胶和凝胶并不是永久不变的，在一定条件下，可以相互转化。由溶胶变成凝胶的过程称为胶体的凝聚；由凝胶转化为溶胶的过程，称为胶体的分散。土壤胶体在大多数情况下都呈凝聚状态，凝聚态的土壤胶体可以用一价的Na＋、K＋等阳离子使其分散。第二十页，共四十二页，2022年，8月28日土壤胶体的存在状态主要受胶粒之间的静电斥力和分子间引力的影响。如果静电斥力大于分子间引力，则胶体呈溶胶状态；若静电斥力小于分子间引力，则胶体呈凝胶状态。这两种力的大小与胶粒之间的距离和胶粒静电荷的数量有关。当胶粒电荷和胶粒大小一定时，随着胶粒间距离的减小，引力可能超过斥力，使胶粒相互团聚。（二）土壤胶体的凝聚性在农业生产上的意义：土壤胶体处在凝胶状态时，有利于水稳性团粒的形成。胶体处于溶胶状态，土壤的粘结性、粘着性、可塑性增加，耕性差；第二十一页，共四十二页，2022年，8月28日

第二节土壤吸收性能土壤吸收性能是土壤的重要特性，它决定了土壤保肥能力、供肥能力和土壤净化能力的强弱，对土壤发育和土壤中养分物质的存在形态和转化，对土壤中污染物质的迁移转化均有着重要的作用。一、土壤吸收性能的类型土壤的吸收性能:是指土壤能吸收、保留土壤溶液中的分子和离子，悬浮液中的悬浮颗粒、气体及微生物的能力。土壤吸收作用按其作用机理可分为；机械吸收、物理吸收、化学吸收、生物吸收和离子交换吸收等五种类型。第二十二页，共四十二页，2022年，8月28日1、土壤机械吸收性：指土壤对进入土体的固体颗粒的机械截留作用。机制：机械阻留意义：能保持一些固体颗粒的养分。2、土壤物理吸收性能：指土壤对分子态物质吸收保持的性能。包括：（1）正吸咐：养分集聚在土壤胶体的表面，胶体表面养分的浓度比溶液中大。如氨、氨基酸等。（2）负吸咐：土壤胶体表面吸咐的物质较少，胶体表面的养分浓度比溶液中低。如强酸或强碱的盐类等。机制：表面能吸附意义：一方面可保持养分，同时为根毛选择性吸收创造了条件，另一方面造成负吸附的养分如NO3---N等易于流失。第二十三页，共四十二页，2022年，8月28日3．化学吸收作用

指土壤溶液中一些可溶性养分与土壤中某些物质或在固相的表面上发生沉淀的过程。机制：化学沉淀意义：化学吸收保肥作用的实质是养分的固定作用，能使养分在土壤中免于淋失，但对植物有效养分的供应不利，生产上应尽量避免有效养分的固定作用发生。在某些情况下，化学吸收还具有特殊意义，如能吸收有毒物质，减少土壤污染。4．生物吸收作用指土壤中的微生物和植物根系对养分的吸收、保存和积累在生物体中的作用。机制：生物吸收意义：生物吸收作用是土壤肥力形成的动力，有选择性和创造性，能为土壤富集养分。第二十四页，共四十二页，2022年，8月28日5．离子交换吸收作用

:是指带有电荷的土壤胶粒能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，这些被吸附的离子又能与土壤溶液中带同号电荷的离子相互交换。它是一种物理化学的现象，故称物理化学吸收或离子交换吸收。机制：离子交换意义：是土壤保肥的最重要方式。土壤胶体愈多，电性越强，离子交换吸收作用愈强，则保肥性和供肥性就愈好。二、土壤的阳离子交换作用：（一）概念：带负电荷的土壤胶体所吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子发生交换而达到动态平衡的过程。土壤溶液中的离子转移到土壤胶体上→吸附土壤胶体上吸附的离子转移到土壤溶液→解吸

第二十五页，共四十二页，2022年，8月28日（二）土壤阳离子交换作用的特点：1.可逆反应，迅速平衡。土壤胶体上和土壤溶液中的离子组成和浓度永远保持平衡，也就是说当溶液中的离子被胶体吸收到它的表面上，和溶液达成平衡后，如果溶液组成或浓度的改变，则胶体上的交换性离子就和溶液中的离子产生逆向交换，把已被胶体表面吸附的离子重新归还到溶液中，建立新的平衡。b.等物质的量交换：也就是说一个Ca2+可交换两个K+，1molFe3+可交换3molK+或Na+。c.符合质量作用定律：也就是说在交换建立平衡时，各反应产物的克分子浓度乘积除以各反应物的克分子浓度乘积所得的商，在温度固定时是一个常数，叫平衡常数。第二十六页，共四十二页，2022年，8月28日（三）土壤阳离子交换能力1.概念:是指一种阳离子将土壤胶体上另一种阳离子交换出来的能力。2.影响因素(1)电荷数量：阳离子交换主要靠的是静电引力，因此其交换力的大小应该服从于库仑定律。在土壤溶液中和土壤胶体上可见的阳离子中，离子价数越高，其交换力越大。因此在这些阳离子中，其交换力大小的顺序是：Fe3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+。第二十七页，共四十二页，2022年，8月28日(2)离子半径和水合半径：对于同价的离子，离子半径越大，水合半径越小，交换能力越强：(3)离子浓度：因为离子交换受质量作用定律支配，所以对交换能力弱的阳离子，增加它的浓度，也可以交换那些交换能力强的阳离子。

(4)离子的运动速度（四）阳离子交换量(CEC)1.概念：指pH为7时每kg干土所吸收的全部交换性阳离子的厘摩尔数，以cmol（+）/kg表示。

第二十八页，共四十二页，2022年，8月28日2.影响土壤阳离子交换量的因素：(1)胶体的类型

(2)土壤质地(3)土壤pH

土壤的阳离子交换量，直接反映了土壤的保肥性、供肥性能和缓冲能力。一般认为阳离子交换量:

在20cmol（+）/kg以上为保肥力强的土壤；

20~10cmol（+）/kg为保肥力中等的土壤；

小于10cmol（+）/kg为保肥力弱的土壤。第二十九页，共四十二页，2022年，8月28日（五）、土壤的盐基饱和度土壤胶体上吸着的阳离子一般来讲可以分为两类:一类是H＋和Al3＋，解离以后都会使土壤变酸叫致酸离子；另一类是除H＋和Al3＋以外的其它金属离子，如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等叫盐基离子。当土壤胶体上所吸附的阳离子都属于盐基离子时，这一土壤胶体呈盐基饱和状态，否则不饱和状态。各种土壤盐基饱和的程度是不同的，通常用盐基饱和度来表示，即交换性盐基离子数量占阳离子交换量的百分数。第三十页，共四十二页，2022年，8月28日盐基饱和度的作用：a.可以反映土壤的酸碱性：盐基饱和度的高低实际上也就反映出了致酸离子含量的高低，所以能反应出土壤的酸碱性：北方土壤：盐基饱和度大，土壤pH较高南方土壤：盐基饱和度低，土壤pH低b.判断土壤肥力水平盐基饱和度＞80%→肥沃土壤，50—80%→中等肥力水平，＜50%肥力水平较低。第三十一页，共四十二页，2022年，8月28日（六）交换性阳离子的有效度及其影响因素土壤胶体表面吸附的离子，可以通过离子交换进入土壤溶液供植物吸收利用，所以被土壤胶体吸附的阳离子，不会失去对植物的有效性，但是被土壤胶体吸附咐的阳离子的有效度，并非在任何条件下都完全相同，从土壤角度讲，影响交换性阳离子有效度的因素主要有以下一些方面：1.饱和度效应离子饱和度：土壤胶体上吸附的某一种离子的总量占土壤阳离子交换量的百分率。第三十二页，共四十二页，2022年，8月28日土壤胶体上某种离子的饱和度越大，被解吸的机会越大，该离子的有效度越大，所以交换性阳离子的有效度不仅仅与该种离子的绝对数量有关，更主要的还取决于该种离子的饱和度：土壤CEC交换性钙量交换性钙饱和度钙有效度甲10440.0大乙40512.5小虽然交换性Ca2+的绝对数量是乙土壤＞甲土壤，但是Ca2+的饱和度甲土壤＞乙土壤，所以Ca2+的有效度，甲土壤＞乙土壤。所以施肥要相对集中施用，增加离子饱和度，能提高肥效。第三十三页，共四十二页，2022年，8月28日2.陪补离子效应土壤胶体上同时吸附着多种离子，对于其中任何一种离子来讲，其它的各种离子都是它的陪补离子。比如土壤胶体上吸附有K+、Ca2+、NH4+、Na+那么K+的陪伴离子就是Ca2+、NH4+、Na+。NH4+的陪伴离子就是K+、Ca2+、Na+。某一种交换性阳离子的有效度，与陪补离子的种类关系密切，一般来讲陪补离子与土壤胶体之间的吸附力越大，越能提高被陪离子的有效度。交换能力越强：Fe3+＞Al3+＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+比如：假如K+的陪补离子是Ca2+，由于Ca2+与土壤胶体之间的吸附力＞K+，所以K+容易被交换下来，从而提高K+的有效度。如果K+的陪补离子是Na+，由于Na+与土壤胶体间的吸附力＜K+，K+不易被交换下而降低K+的有效度。第三十四页，共四十二页，2022年，8月28日3.粘土矿物的类型不同的粘土矿物由于晶体构造不同，吸附阳离子的牢固程度也不同，在一定的盐基饱和度范围内，蒙脱石类粘土矿物吸附的阳离子，一般位于晶层之间，吸附比较牢固，有效度相对较低，而高岭石类粘土矿物吸附的阳离子一般位于晶体外表面，吸附力弱，有效度相对较高。4.阳离子的非交换性吸附：第三十五页，共四十二页，2022年，8月28日三土壤中的阴离子吸附土壤中很多重要营养元素，如Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｂ、Ｍo等，在土壤中多呈阴离子形式存在。土壤对这些阴离子的吸收和保持机理，较阳离子更为复杂。现今的研究结果把阴离子的吸附和交换机理分为两类：一是非专性吸附；二是专性吸附。

１．非专性吸附：该种吸附即是通常所指的阴离子交换，由带正电荷的胶体吸收阴离子作为其平衡离子，这些被吸附的阴离子可被溶液中的其它阴离子所交换，并服从离子交换的一般法则。

２．专性吸附：专性吸附与非专性吸附不同，胶体表面不一定带有正电荷，或正电荷已为阴离子所中和，甚至带有负电荷，但也能吸附阴离子。被吸附的阴离子不是存在于胶体的外表面，而是进入胶体的内层，并交换金属离子氧化物表面的配位阴离子。因此，专性吸附又称为配位体交换。

第三十六页，共四十二页，2022年，8月28日

土壤中的阴离子，依其吸附能力的大小可分为三类：

1．易被土壤吸附的阴离子，最重要的是磷酸根离子（H2PO4-、HPO42-、PO43-），其次是硅酸根离子（HSiO3-、SiO32-）及若干有机酸根（C2O42-）。属于这一类的阴离子常和阳离子起化学反应，形成难溶性化合物。

2．吸附作用很弱或进行负吸附的离子，如氯离子（Cl-）硝酸根离子（NO3-）和亚硝酸根离子（NO2-），这类阴离子在溶液中的浓度往往超过它们在固体与溶液界面上的浓度。

3．中间类型的阴离子，如硫酸根（SO42-）、碳酸根（CO32-），它们所表现出来吸附作用的强弱，介于以上两类之间。根据测定，各种阴离子被土壤吸附的次序如下：

F->草酸根>柠檬酸根>磷酸根>H2CO3->H2BO3->CH3COO->SCN>SO42->Cl->NO3-

第三十七页，共四十二页，2022年，8月28日思考题：1.什么是土壤胶体？它有哪些基本性质？2.土壤胶体的组成？它可以分为几种类型？3.永久电荷、可变电荷的概念？4.试述土壤胶体为什么带电？5.土壤吸收性能分为哪些类型？它们在生产中有什么意义？6.什么是土壤阳离子交换量？影响土壤阳离子交换量大小的因素有哪些？7.试述影响交换性阳离子有效度的因素？第三十八页，共四十二页，2022年，8月28日1.某土壤耕层有机质含量为20g/kg，其矿化率为2%，假定所施有机物质为紫云英，其腐殖化系数为25%，含水率为86%，为使该农田土壤有机质保持平衡，每年每公顷至少要补充多少紫云英？（已知每公顷耕层土重为2250000kg）2.某土壤比重为2.7，容重为1.55g/cm3，若现在土壤自然含水量为25%，问此土壤含有的空气容积是否适合于一般作物生长的需要？为什么？3.某土壤50cm土层平均含水量（重量%）为