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1、第五章 土壤胶体 与土壤吸收性能 诸葛玉平制作2 第五章 土壤胶体与土壤吸收性能 q第一节 土壤胶体的概念与基本性质 v一 土壤胶体的概念与作用 v二 土壤胶体的基本性质 q第二节 土壤的吸收性能 v一 土壤吸收性能的类型 v二 土壤对阳离子的吸附与交换 v三 土壤对阴离子的吸附与交换 q要点 土壤胶体的概念 类类型 作用 土壤胶体 的基本性质质 阳离子交换换与吸附 阳离子交换换量 盐盐基饱饱和度的概念 土壤对对阳离子 阴离子的 吸附作用及其意义义 诸葛玉平制作3 第一节 土壤胶体的概念与基本性质 q土壤胶体的组组成和性质质 对结对结 构性 吸收性 酸 碱性 缓缓冲性和胀缩胀缩 性的影响 q与
2、土壤肥力密切相关 q土壤胶体的形成过过程也能反映了土壤的形成过过程 q土壤表面电电荷和表面积积是土壤具有肥力 对污对污 染 物有一定自净净作用和环环境容量的基本原因 q一 土壤胶体的概念与作用 q二 土壤胶体的基本性质 诸葛玉平制作4 一 土壤胶体的概念与作用 qq 一 胶体和土壤胶体的概念 一 胶体和土壤胶体的概念 qq分散系 由一分散系 由一种种种种物物质质质质 几 几种种种种物物质质质质 以粒子形式分 以粒子形式分 散到另一散到另一种种种种物物质质质质里所形成的混合物 里所形成的混合物 qq分散分散质质质质 分散系中分散成粒子的物 分散系中分散成粒子的物质质质质 qq分散分散剂剂剂剂 分
3、散系中的粒子分散在其中的物 分散系中的粒子分散在其中的物质质质质 qq胶胶胶胶体体概概概概念 分散念 分散质质质质粒子在粒子在1nm 100nm1nm 100nm之之间间间间的分散系的分散系 叫叫胶胶胶胶体 体 qq把土壤固相颗粒作为分散相 而把土壤溶液和土壤把土壤固相颗粒作为分散相 而把土壤溶液和土壤 空气看作分散介质 土壤胶体 空气看作分散介质 土壤胶体 soil colloidsoil colloid 是 是 细小土粒分散在土壤溶液和土壤空气中形成的分散细小土粒分散在土壤溶液和土壤空气中形成的分散 系统 直径在系统 直径在1 1 1000nm1000nm之间的土粒都可归属于之间的土粒都可
4、归属于 土壤胶粒的范围土壤胶粒的范围 诸葛玉平制作5 二 土壤胶体的种类 qq 1 1 无机胶体无机胶体 qq 又称矿质胶体 指土壤矿物中的细分散颗粒 比表面大又称矿质胶体 指土壤矿物中的细分散颗粒 比表面大 并带电荷 具有胶体特性 并带电荷 具有胶体特性 qq 主要包括成分较为简单的含水氧化铁 氧化铝 氧化硅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 矿物 qq 通常用土壤中粘粒 通常用土壤中粘粒 d 0 001mmd 0 001mm 的含量来反映土壤无 的含量来反映土壤无 机胶体的
5、数量 机胶体的数量 诸葛玉平制作6 qq 1 1 含水氧化物 含水氧化物 主要包括水化程度不等的铁 主要包括水化程度不等的铁 铝 硅的氧化物 铝 硅的氧化物 vv1 1 含水氧化硅 含水氧化硅 是一种非晶质的凝胶 其化学是一种非晶质的凝胶 其化学 式为式为SiOSiO 2 2 nHnH 2 2 O O或写成或写成H H 2 2 SiOSiO 3 3 vv2 2 含水氧化铁 含水氧化铁 胶膜胶膜 颗粒 络合物或者被吸 颗粒 络合物或者被吸 附在粘土矿物表面 褐铁矿附在粘土矿物表面 褐铁矿 2Fe2Fe 2 2O O3 3 3H3H 2 2 O O 针铁 针铁 矿矿FeFe 2 2O O3 3 H
6、 H 2 2 O O 多水针铁矿 多水针铁矿3Fe3Fe 2 2O O3 3 4H4H 2 2 O O 一水赤铁 一水赤铁 矿矿3Fe3Fe 2 2O O3 3 H H 2 2 O O等 等 vv3 3 含水氧化铝 含水氧化铝 主要有水铝石主要有水铝石AiAi 2 2O O3 3 H H 2 2 O O和三水和三水 铝石铝石AlAl 2 2O O3 3 3H3H 2 2 O O等 也是两性胶体 其电性决定等 也是两性胶体 其电性决定 于溶液的酸碱性 于溶液的酸碱性 诸葛玉平制作7 qq 2 2 粘土矿物胶体 粘土矿物胶体 最主要的有高岭石 伊利石 最主要的有高岭石 伊利石 蒙脱石 还有蛭石 绿
7、泥石 水铝英石等 颗粒细蒙脱石 还有蛭石 绿泥石 水铝英石等 颗粒细 小 呈片状 有巨大的表面积 小 呈片状 有巨大的表面积 vv 高岭石高岭石 化学式为化学式为AlAl 2 2 SiSi 3 3O O5 5 OHOH 4 4 或或 AlAl 2 2O O3 3 2SiO2SiO 2 2 2H2H 2 2 O O 是矿物强烈风化作用下的产物 是矿物强烈风化作用下的产物 vv 伊利石 水化云母 伊利石 水化云母 是云母分解向蛭石和蒙是云母分解向蛭石和蒙 脱石过渡的中间产物 是干旱 半干旱地区土壤脱石过渡的中间产物 是干旱 半干旱地区土壤 中的主要粘土矿物中的主要粘土矿物 vv 蒙脱石蒙脱石 是由
8、基性火成岩在微碱性环境下风化是由基性火成岩在微碱性环境下风化 而成 而成 诸葛玉平制作8 q2 有机胶体 v土壤中的有机物质 尤其是腐殖质 胡敏酸 富啡酸 胡敏素等 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 v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 v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 诸葛玉平制作9 q 3 有机一无机复合胶体 q 土壤中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 organo min
9、eral complex q 结合方式 通过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 q 通常牢固程度分为水散微团聚体 钠分散微团聚体和 钠质机械分散团聚体三组 q 一般把土壤的有机 无机复合体中含碳量占土壤总碳 量的百分数称为有机无机复合度 作为衡量土壤有机 无机复合体的数量指标 q 土壤的肥沃程度同有机胶体与无机胶体的复合程度有 关 有机胶体与无机胶体结合得愈紧密则土壤愈肥沃 诸葛玉平制作10 一 胶体构造 非活性层 土壤胶团 土壤溶液 胶核 双电层 决定
10、电位离子层 补偿离子层 扩散层 反离 子层 胶粒 三 土壤胶体的构造 诸葛玉平制作11 土 壤 胶 体 的 构 造 诸葛玉平制作12 q1 微粒核 胶核 q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 诸葛玉平制作13 q2 双电层 q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 q胶核
11、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 q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 诸葛玉平制作14 q 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 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 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 q 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 代换作用大
12、都发生在胶粒表面 故胶粒 是起胶体作用的基本单位 q 由决定电位离子层到扩散层外缘的电位差 称之为全 电位 0 取决于胶核表面的电荷数量和电荷密度 q 由整个不活动的胶粒的表面到扩散层的外缘的电位 称为电动电位 是表现双电层特性的重要指标 诸葛玉平制作15 q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 离子半径及其水化程 度等的制约 离子价数愈高 半径愈大 其水 化半径愈小 扩散层愈薄 反之 离子价数愈 低 半径愈小 其水化半径也越大 扩散层也 越厚 一般而言 扩散层越厚 电动电位越高 胶粒的电性也就显示得越充分 胶粒电性显 示的充
13、分与否 直接关系到胶体存在的状态 从而影响土壤的结构性 粘性 耕性和胀缩性 等一系列物理性质 诸葛玉平制作16 二 土壤胶体的基本性质 一 表面性质 表面积常用比表面表示 q比表面 单位质量或单位体积物体的表面积 cm2 g cm2 cm3 m2 g q比表面 q半径为r的球形土粒 土壤的密度为2 65cm3 g q比表面 4 2 cm2 g q外表面是指粘粒矿物的外表面以及腐殖质 游离氧 化铁 氧化铝的表面 内表面是指层状铝硅酸盐晶 层间的表面 诸葛玉平制作17 q 土壤中有机质含量高 2 1型粘粒矿物多 则比表面积较大 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 q
14、 由于土壤胶体有巨大的比表面积 因而产生了巨大的表面能 q 比表面积愈大 表面能就越高 物理吸附作用愈强 质地愈 粘重 物理吸附作用愈强 随表面积和表面能的增加 土壤 胶体的胀缩性 可塑性 粘着性 粘结性等性质明显增强 胶胶体种类种类内内表面积积外表面积积总总表面积积 蒙脱脱石600 80015 50600 800 水云母0 590 15090 150 高岭石010 2010 20 蛭石600 7501 50600 800 水铝铝英石070 30070 300 腐殖质质 800 900 诸葛玉平制作18 二 土壤胶体的基本性质 二 带电性 可分为永久电荷和可变电荷 q1 永久电荷 q同晶置换
15、指组成矿物的中心离子被电性相同 大 小相近的离子取代 晶格构造保持不变的现象 q晶格内发生同晶置换而产生的电荷 也称恒电荷 结构电荷 同晶置换一旦发生 矿物晶体所具有的 电荷就不受外界环境 如pH 电解质浓度等 影响 q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 同晶置换主要产生负电荷 但有时高价 阳离子被低价阳离子置换而产生永久正电荷 诸葛玉平制作19 q 2 可变电荷 从介质中吸附离子或向介质中释放质子而产 生的电荷 会随介质和电解质浓度的变化而变化的电荷 q 表面分子解离 层状硅酸盐矿物晶层表面上的 OH 腐 殖质胶体上的羧基
16、 酚羟基 醇羟基等基团解离出H 而使 土壤胶粒带负电 受介质pH影响 q 一般而言 介质pH高时 基团解离H 的能力强 所产生的 负电荷就多 随着介质pH下降 基团解离产生H 的能力也 随之下降 产生的负电荷就少 q 当土壤不产生可变电荷时的介质pH称为可变电荷零点 等 电点 q 例 三水铝石电荷零点为4 8 vpH 4 8时 Al2O3 3H2O 2Al OH 2O 2H 带负电 vpH 4 8时 Al2O3 3H2O 2Al OH 2 2OH 带正电 诸葛玉平制作20 q 断键 q 硅酸盐粘土矿物在风化破碎时 会引起晶层断裂 使硅氧 片和水铝片的断裂边角上出现电荷 一般以负电荷居多 这是高岭石类矿物产生可变电荷的主要原因 q 胶体表面从介质中吸附离子也是胶体带电的原因 v如硅酸盐或铁铝氢氧化物胶体从介质中吸附PO43 OH 而使胶体带负电 v铁铝氢氧化物在pH小于电荷零点时吸附H 而带正电荷 q 自然土壤的pH通常在5 9之间 而土壤胶体的大部分 特 别是腐殖酸的等电点远远低于这个范围 因而大部分土壤 胶体都带负电荷 pHAl3 H Ca2 Mg2 NH4 K Na v例 农业农业
