第三章第四节土壤胶体

第四节土壤胶体第三节土壤胶体土壤胶体是土壤中最细小、最活跃的部分，土壤胶体的组成和性质对土壤的理化性质：吸附性、酸碱性、缓冲性以及土壤结构都有很大的影响。土壤胶体是土壤肥力性状赖以表现的物质基础中最精华的部分。

一、土壤胶体的概念

1、土壤胶体是一种分散系统

任何胶体系统都是一种分散系统，由分散相和分散介质两种物质所组成。一种物质的分子呈连续分布状态，称为分散介质；另一种物质的分子是不连续的，称为分散相，分散相均匀地分散在分散介质中，构成胶体分散系统。

2、土壤胶体的大小范围

一般胶体上限是0.1μm,下限为1nm(<1nm属于溶液范围)土壤胶体比一般胶体大10倍，<1μm

。（即为0.001mm或1um --10nm之间）

二、土壤胶体的种类

分为无机胶体(矿质胶体)、有机胶体和有机-无机复合胶体

1．有机胶体

土壤中的有机物质,尤其是腐殖质，是土壤中含有的一类分子量大、结构复杂的高分子化合物，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。

土壤有机胶体性质却极为活跃，带有大量的活性功能团，带有大量的负电荷，阳离子代换量可高达300～500cmol(M+).kg-1。

2．无机胶体

主要是层状铝硅酸盐矿物和无定形氧化物组成。比有机胶体高几倍到几十倍。通常用土壤中粘粒(d<0.001mm)的含量来反映土壤无机胶体的数量。三、土壤胶体的基本构造

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。描述胶体微粒的构造，通常用双电层理论。根据双电层理论，胶体微粒在构造上，可分为微粒核和双电层两部分。（一）微粒核（二）双电层结构

决定电位离子层补偿离子层和补偿离子非活性补偿离子层扩散层胶粒（基本单元）胶体微粒构造图主要由腐殖质、硅酸盐矿物、土壤氧化物、蛋白质分子以及有机无机复合胶体的分子群组成。

2.双电层结构

1.微粒核(胶核)作为胶粒微粒核的物质在溶液中通常是带电荷的,由于静电引力的作用,在微粒核的外围形成一个反号电荷的离子层，这样就构成了双电层。微粒核表面的电荷数量和密度对外层的反号离子的多少及两层电荷间电位具有决定作用，故称为决定电位离子层。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。

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,而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的力大小与离子的电荷数量成正比,与其距离的平方成反比。因此，胶核表面处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两层：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层。另一层距胶核表面较远，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。扩散层中的离子分布很不均匀。

非活性补偿离子，被吸附得很牢固，它和微粒核决定电位离子层一个整体，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。

在双电层的两层电荷之间存在着电位差，电位的高低随着离胶核表面距离的增加逐渐降低。由决定电位离子层到扩散层外缘的电位差,

称之为全电位(ζo),全电位的大小取决于胶核表面的电性质(电荷数量和密度)。从胶粒(滑动面)到溶液的电位差称电动电位(用ζ表示),电动电位的大小受扩散层厚度的制约，而扩散层的厚度在一定浓度条件下，决定于补偿离子的性质，即受离子价数，离子半径及水化程度等的制约。离子价数愈高，其水化半径愈小，扩散层愈薄。离子的水化程度越大，则水化半径也越大，扩散层也越厚。四、土壤胶体的基本性质1．胶体的表面积和表面能

在固体物质的破碎过程中,其总表面积和比表面是不断增加的。所谓比表面是指单位质量的物质的表面积总和，即

比表面＝总面积

/质量

土壤胶体的表面积很大，加之粘粒矿物的层状结构和腐殖质的网状多孔结构还有很大的内表面积，可以吸附大量的养分离子。

各种胶体的比表面积胶体类型比表面积(m2·g-1)蒙脱石600～800伊利石50～200高岭石1～40蛭

石

600～800水铝英石70～300腐殖质800～900不同土壤的胶体组成不同，土壤的比表面积也不同。一般土壤中有机质含量高，2∶1型粘粒矿物多，则比表面积较大，如黑土。反之，如果有机质含量低,1∶1型粘粒矿物较多,则其比表面积就较小,如红壤、砖红壤。

随着土壤胶体比表面积的增加，其表面能也发生很大的变化。表面能是指界面上的物质分子(表面分子)所具有的多余的不饱和能量。土壤的物理吸附作用就是表面能作用的结果。与比表面成正相关因此，一般土壤质地愈粘，其物理吸附作用愈强。随着表面积和表面能的增加，土壤胶体的性质如胀缩性、可塑性、粘性等明显增强。

土壤的表面积、表面能、物理吸附作用是成正比的

土壤胶体的电荷永久电荷可变电荷

2、土壤胶体的带电性3．土壤胶体的凝聚和分散

胶体有两种存在状态。一种是分散相均匀地分散在介质中,称溶胶;另一种是分散相在外因的作用下,相互凝结聚合在一起,称为凝胶。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；反之，由凝胶转化为溶胶的过程，称为胶体的分散。

两种存在状态：溶胶、凝胶

溶胶(分散相均匀地分散在介质中)凝胶(分散相相互凝结聚合在一起)胶体的凝聚胶体的分散土壤胶体存在状态主要受两种力的作用。一是胶粒之间的静电斥力，它使胶体分散，二是胶粒之间的分子引力，它使胶粒相互吸引呈凝聚的趋势。这两种力的大小都与胶粒之间的距离有关。在胶粒电荷和胶粒大小一定的情况下，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。影响胶粒静电斥力大小的另一主要因素是胶粒净电荷的数量，而静电荷的数量则受补偿作用的控制。不同阳离子的补偿作用不同。

土壤中常见阳离子按其对胶体凝聚力的大小顺序为：

Fe3+

Al3+

（

H+）>Ca2+

Mg2+，H+

NH4+

K+

Na+

离子凝聚力的大小取决于：

其所带相反电荷的数量和水化半径的大小，溶液中的离子浓度

（1）胶粒间距离（2）胶粒静电荷的数量和离子种类（3）溶液中的离子浓度影响胶体凝聚和分散的因素胶粒胶粒------------静电斥力分子引力阳离子

土壤中的电解质浓度是经常变化的，如干湿交替、冻融作用以及各种农业技术措施包括施肥、灌水、中耕、烤田等，都可使土壤溶液中的电解质浓度发生变化，从而使胶体的状态发生变化，或凝聚或分散。如施用石灰、可显著增加土壤中Ca2+的浓度,从而促进土壤胶体凝聚,形成良好的结构。又如集中施用化肥，显著提高局部土壤溶液的电解质浓度，也可改变局部土壤胶体的状态。

总之，土壤胶体的凝聚与分散，直接影响土壤的许多重要性质，尤其是土壤的结构、通透性和土壤耕性等。

五、土壤胶体组成（一）矿质胶体1、层状硅酸盐粘土矿物硅氧四面体

硅氧四面体的构造A、硅氧四面体：（SiO44-→Si2O52-→Si4O104-

）硅氧四面体由一个硅原子和四个氧原子组成，硅原子位于中央，氧原子占据四个顶点。铝氧八面体由一个铝原子和六个氧原子组成，铝原子位于中央，氧原子占据八个顶点。B、铝氧八面体

(AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44-)

铝氧八面体

铝氧八面体的构造C、单位晶片硅氧四面体硅氧层铝氧八面体水铝层硅氧片水铝片（1）1:1型：一层硅层与一层铝层重叠而成

1:1型层状硅酸盐(高岭石)晶体结构

（2）2:1型：两层硅层中间夹一铝层2:1型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构

（3）2:1:1型：2:1型基础上增加一铝层2:1:1型层状硅酸盐（水云母）结构2、含水铁、铝氧化物包括褐铁矿、赤铁矿、针铁矿、水铝石、三水铝石等晶质或非晶质物质。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；（1）氧化铁（土壤主要矿质染色剂）

A、氧化铁

a、针铁矿(α-FeOOH)：晶体较大者为黄色，较小者为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核。

b、赤铁矿(α-Fe2O3)：红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜。c、纤铁矿(γ-FeOOH)：棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤。d、磁赤铁矿(γ-Fe2O3)：暗红棕色，存在于高度风化且有机质少的表土。

e、磁铁矿（Fe3O4）：棕黑色，多存在于母质中,有时与磁赤铁矿共存。f、无定形铁（Fe(OH)3）：棕色，胶膜，锈水。

3、氧化铝

硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石[Al2O3·3H2O，Al(OH)3]和粘土矿物湿热强度风化——脱硅富铝化的指标之一，我国北纬30度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现。花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三水铝石存在。无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表面性质可吸附固定H2PO4-等阴离子，减低其有效性。（二）土壤有机胶体土壤有机胶体主要指腐殖质，还有少量的木质素、蛋白质、纤维素等。腐殖质胶体含有多种官能团，属两性胶体，但因等电点较低，所以在土壤中一般带负电，胶体表面的基团在pH升高时带负电荷，pH降低时带正电荷。它们不如无机胶体稳定，较易被微生物分解。（三）有机-无机复合胶体由有机胶体与无机胶体互相结合而形成的有机—无机复合体，其中主要是通过二、三价阳离子或官能团与带负电荷的粘粒矿物和腐殖质的连接作用。在土壤中，有机胶体和无机胶很少独立存在，大部分是以有机-无机复合胶体的形式存在的。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。土壤有机质含量愈低，有机—无机复合度愈高，一般变动范围为50～90％。六、土壤胶体电荷的产生

这种作用产生于粘粒矿物形成时,其硅氧片中的Si4+和水铝片中的Al3+有时可被大小与其相近的电性相同的其他离子所代换。代换的结果,使得粘粒矿物晶层内产生多余的电荷,由于土壤中多数的同晶代换是以低价代换高价的阳离子,故产生的主要是负电荷,但有时也会产生正电荷。

1、同晶代换

指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子替代而晶格构造保持不变的现象。四面体中的硅可被铝代换

Si4+Al3+八面体中的铝可被铁、镁代换

Al3+Fe2+或Mg2+由同晶代换产生的电荷一般不随介质pH的变化而变化,属永久电荷,一般2∶1型的粘粒矿物如蒙脱石类、伊利石类的同晶代换产生的永久负电荷较多,而1∶1型的高岭石类则较少。（2）矿物晶格断键

矿物在风化破碎的过程中，由于晶层的断裂（即Si—O—O—Si断裂后，断面上留下Si—O-、Si—O-带负电。)而出现未中和的电性而带电。高岭石主要是以这种方式产生的电荷，高岭石＞伊利石＞蒙脱石。

（3）表面分子的解离

粘粒矿物的晶格表面的OH基,腐