第二节土壤胶体

第二节土壤胶体一、土壤胶体土壤胶体是土壤中最细微的颗粒，也是最活跃的物质，它与土壤吸收性能有密切关系，对土壤养分的保持和供应以及对土壤的理化性质都有很大影响。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）形成的分散体系叫土壤胶体。实际上土壤中小于i00（nm的黏粒都具有胶体的性质。所以直径在1~i00（nm的土粒都可归属于土壤胶粒的范围。一、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、有机胶体和有机无机复合体三类。1.无机胶体指组成微粒的物质是无机物质的胶体。在数量上无机胶体较有机胶体可高数倍至数十倍，主要为极细微的土壤黏粒，包括成分简单的非晶体含水氧化物和成分复杂的各种次生铝硅酸盐黏粒矿物。2.有机胶体指组成微粒的物质是土壤有机质的胶体，其主要成分是各种腐殖质（胡敏酸、富里酸、胡敏素等），还有少量的木质素、蛋白质、纤维素等，它在土壤胶体中的比例并不高，且在土壤中易被土壤微生物所分解。有机胶体是由碳、氢、氧、氮、硫、磷等组成的高分子有机化合物，是无定形的物质，有高度的亲水性，可以从大气中吸收水分子，最大时可达其本身质量的80%~90%。腐殖质的电荷是由腐殖质所含的羧基(—COOH)、醇羟基(—OH)、酚羟基(—OH),解离出氢离子后的一COO-、一O-+ +等离子留在胶粒上而使胶粒带负电，氨基(—NH2)吸收H后，成为一NH3则带正电，一般有机胶体带负电。3.有机无机复合体这种胶体的主要特点是其微粒核的组成物质是土壤有机质与土壤矿物质的结合体。一般来讲，有机胶体很少单独存在于土壤中，绝大部分与无机胶体紧密结合而形成有机无机复合体，又称为吸收性复合体。土壤无机胶体和有机胶体可以通过多种方式进行结合，但大多数是通过二、三价阳离子(如钙、镁、铁、铝等)或官能团(如羧基、醇羟基等)将带负电荷的黏粒矿物和腐殖质连接起来。有机胶体主要以薄膜状紧密覆盖于黏粒矿物的表面上，还可能进入黏粒矿物的晶层之间。通过这样的结合，可形成良好的团粒结构，改善土壤保肥供肥性能和多种理化性质。由于土壤腐殖质绝大部分与土壤黏粒矿物质紧密结合在一起，所以腐殖质从土壤中的分离、提取过程都比较复杂。一般来讲，越是肥沃的土壤，有机无机复合胶体的比例就越高。二、土壤胶体的特性土壤胶体除了具有与其化学组成相对应的一般性质外，还有以下特性。1.土壤胶体具有巨大的比表面和表面能比表面（简称比面）是指单位质量或单位体积物体的总表面积（cm2/g,m2/g）。土壤胶体的表面积随粒径的减小而增大（表3-8），表面积也因黏粒矿物类型而异。砂粒和粗粉粒的比面同黏粒相比是很小的，可以忽略不计，因而大多数土壤的比面主要决定于黏粒部分。实际上，土粒的形状各不相同，都不是光滑的球体，它们的表面凹凸不平，故表面积要比光滑的球体大得多。加之部分粉粒和大部分黏粒呈片状，它们的比面就更大。此外，有些无机胶体（如蒙脱石类矿物）的片状颗粒，不仅具有巨大的外表面，而且在颗粒内部的晶层之间存在着极大的内表面。夕卜表面指黏粒矿物的外卜表以及腐殖质、游离氧化铁、铝等的表面。内表面指层状铝硅酸盐晶层间的表面。另外，土壤有机胶体也有巨大的比面，如土壤腐殖质的比面可高达1000m2/g。巨大的比表面，产生巨大的表面能，这是由于物体表面分子所处的特殊条件引起的。物体内部分子处在周围相同分子之间，在各个方向上受到的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、夕卜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，可以对分子和离子产生较大的吸引力。胶体数量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附能力也就愈强。表3-8各级球状士粒的比面颗粒名称球体直径/mm比面/(cm2/g)粗砂粒122.6中砂粒0.545.2细砂粒0.2590.4粗粉粒0.05452中粉粒0.012264细粉粒0.0054528粗黏粒0.001(1000mm)22641细黏粒0.0005(500mm)45283胶粒0.00005(50mm)452830(45.28&m)(引自：沈其荣.土壤肥料学通论)土壤胶体电荷土壤胶体的电荷有三种来源：一是晶体表面基团的解离；二是同晶替代产生的永久电荷；三是矿物或有机质表面一些基团的质子化或脱质子化所产生的电荷。根据电荷产生的原因和性质，可将土壤胶体电荷分为永久电荷和可变电荷。(1)永久电荷由于黏粒矿物晶层内的同晶替代所产生的电荷。由于同晶替代是在黏粒矿物形成时产生在黏粒晶层的内部，这种电荷一旦产生即为该矿物永久所有，因此称为永久电荷，有人称为内电荷，这种电荷的数量决定于晶层中同晶替代的多少，即主要与矿物类型及其化学结构有关，而与介质pH值的高低没有直接关系。对2:1型黏粒矿物而言，由同晶替代产生的负电荷是其带电的主要原因，而1:1型矿物中此现象极少发生。(2)可变电荷土壤胶体中电荷的数量和性质随介质pH变化而变化的那部分电荷称为可变电荷。不同pH时，这部分电荷可以是负，也可以是正，并且电荷的数量也相应发生变化。土壤的pH0值是表征其可变电荷特点的一个重要指标，它被定义为土壤的可变正、负电荷数量相等时的pH值，或称为可变电荷零点、等电点。产生可变电荷的主要原因是胶核表面分子(或原子团)的解离，例如黏粒矿物晶面上羟基的解离。某些层状硅酸盐晶层表面有很多羟基，它们可以解离出H+,而使晶粒带负电荷。介质的pH值愈高，H+愈易解离，晶体所带负电荷愈多。一个高岭石黏粒有数千个羟基，因而产生的电荷数量也相当可观，这也是1:1型黏粒矿物带电的主要原因。含水铁、铝氧化物的解离也能产生可变电荷，如三水铝石的pH0值为4.8。当土壤pH值低于pH0值时A12O33H2O—2A1(OH)2+2OH，显正电性；高于pH0时，A12O33H2O—2Al(OH)2O+2H，显负电性。另外腐殖质上某些原子团的解离和含水氧化硅的解离都是产生可变电荷的原因，在高pH条件下，腐殖质上一COOH和一OH可解离出H+而带负电荷，在低pH条件下，其一NH可以吸附H+而带正电荷。土壤胶体在多数情况下是带负电荷的，土壤胶粘电荷是指土壤的净电荷，即土壤的正电荷和负电荷的代数和。由于土壤的负电荷一般多于正电荷，故除少数土壤在较强的酸性条件下可能出现正电荷外，绝大多数土壤是带负电荷的。土壤胶体有凝聚和分散的作用与其他胶体一样，土壤胶体也有两种不同的状态：一种是胶体微粒均匀分散在水中，呈高度分散状态的溶胶；另一种是胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状的凝胶。土壤胶体溶液如受某些因素的影响，使胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶，这种作用叫做胶体的凝聚作用；反之，由凝胶分散成溶胶，土 叫做胶体的分散作用。胶体的凝聚和分散作用主要取决于壤肿 胶体微粒表面的电荷状况的变化。有多种因素可影响到电荷肥的变化，如电解质、加热、分散剂的浓度等。由于绝大多数土壤胶体带负电荷，因此凝聚土壤胶体的电解质为阳离子。凝聚能力一般是一价离子<二价离子〈三价离子。由于钙盐的凝聚能力较强，又是重要的植物营养元素，且价格低廉容易取得，在农业生产中常用它作凝聚剂。土壤溶液中最常见的阳离子的凝聚力的排列顺序如下：H+>NHFe3+>A13+>Ca2+>Mg2+H+>NH+>K+>Na+除了溶液中电解质的种类外，电解质浓度对胶体凝聚也有很大的影响。所以，生产上有时以冻融等措施，使土壤溶液中电解质浓度提高，从而促进土壤胶体的凝聚和团粒结构的形成。胶体的凝聚作用有的是可逆的，有的是不可逆的。由一价阳离子（Na