第八章 土壤胶体及其对离子的吸附交换作用

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1、第八章 土壤胶体及其对离子的吸附交换作用【教学目标】 土壤胶体1、掌握土壤胶体的含义、类型和基本构造。2、重点了解土壤胶体的性质及其在土壤物理、化学和生物学过程中的重要作用。3、了解土壤的保肥供肥性与土壤胶体组成的关系，为什么说土壤腐殖质含量高的其 保肥性强？ 土壤离子交换作用 1、解土壤产生吸收（吸附）性的根本原因、吸收类型及其产生的机理。2、 重点掌握阳离子交换作用产生的机理以及对土壤性状产生的影响。 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， 如土壤的吸附性、酸碱性、缓冲性以及土壤结构都有很大的影响。土壤肥力的高低与土壤胶 体的组成、数量和性质密切相关，

2、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；同时，土壤胶体的形成过程也是土壤形成过程的反映，由于土壤形成条件的不同，土 壤的胶体类型、含量和性质均有较大的差异。所以，要了解土壤的形成过程和土壤肥力的实 质，必须弄清土壤胶体的性质。本章将着重讨论对土壤肥力影响较大的土壤胶体的组成、结 构、性质及其相关的离子交换性的一般规律。8.1 土壤胶体8.1.1 土壤胶体的概念81. 1. 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，而分散系统通常由两种物质所组成，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，

3、构成胶体分散系统。在自然界中这种分散系统是很多的，如烟是微细的碳粒分散在空气里，云雾是小水滴分 散在大气里，豆浆是大豆蛋白分子分散在水里等。 土壤本身就是一个复杂的多元分散系 统。在一般情况下，是把土壤固相颗粒作为分散相，而把土壤溶液和土壤空气看做分散介质。81. 1. 2 土壤胶体的大小范围一般胶体是指 作为分散相的那些细小颗粒，其大小的上限是0.1 M m,下限为1 nm（lnm属于溶液范围）。但是胶体大小的界限也不是绝对的，而主要应根据表现出的胶体 性质而定，如光学、电学性质等。根据以上这种认识，土壤胶体的大小范围与通常所指的胶体有所不同。一般将其上限规 定为0.001 mm,即1 m

4、m,这比一般胶体大10倍，因为这样大小的颗粒已明显表现出胶体 性质，如黏粒又称为胶粒。8.1.2 土壤胶体的种类土壤胶体从形态上可分为无机胶体（也称矿质胶体）、有机胶体和有机-无机复合胶体。81. 2. 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。土壤腐殖物质是土壤有机胶体的主 体，此外，土壤中还有少量的蛋白质、多肽、氨基酸以及多糖类高分子化合物也具有胶体的 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

5、结构的形成有很大的作 用。土壤有机胶体在土壤中的含量同其他胶体相比并不多，但其性质却极为活跃，因为它带 有大量的活性功能团，尤其是表面的酸性功能团如H +解离后，使其带有大量的负电荷， 阳离子代换量可高达300500 cmol(M+)/kg。大多数土壤的有机胶体是非晶质的，有很高的 亲水性，虽然数量不多，但起的作用却很大。81. 2. 2 无机胶体无机胶体又称矿质胶体， 主要是层状铝硅酸盐矿物和无定形氧化物组成。一般为极细 微的黏粒，在数量上，无机胶体比有机胶体高几倍到几十倍。通常用土壤中黏粒(d0.001mm) 的含量来反映土壤无机胶体的数量。不同的土壤， 无机胶体的含量差异很大， 沙性土无

6、机胶 体的含量要比黏性土少得多。土壤中无机胶体的数量和组成对土壤的理化性质影响较大。土 壤无机胶体主要包括：(1) 层状硅酸盐矿物它是无机胶体的主要组分 ， 大都是呈结晶态的次生矿物 ， 主要有1 : 1型的高岭石类、2 : 1型的蒙脱石类及水化云母类。有关矿物的一般特性已在土壤矿物 质一章中介绍过。值得注意的是，不同类型的黏粒矿物表现出的胶体性质差异较大。1: 1 型的高岭石矿物单位晶胞小，形成的颗粒较大， 其胶体的分散度低， 胀缩性、黏 性和吸收容量都不如 2: 1 型矿物大。 2: 1 型蒙脱石类矿物结晶的晶胞较大， 而形成的颗粒 较小， 其胶体分散度高， 胀缩性、黏性和吸收容量都较大。

7、电荷来源主要是由于同晶替代作 用，其中以2: 1 型矿物的同晶替代较多， 电荷数量也多； 1: 1 型的同晶替代少， 电荷也 较少，因为它是边角-0H的解离产生的电荷，其数量一般很少。(2) 含水氧化物类胶体 含水氧化硅胶体。多为游离的无定形氧化硅的水合物(SiO2 nH20),当发生电离时，使H+ 解离到溶液中， 致使胶体带负电。HSiO (SiO nH0)= H+ + HSiO-= H+ + Si0 2-232233土壤中氧化硅的含量很多， 多以石英存在于沙粒和粉粒之中， 只有无定形的氧化硅才可能 具有胶体性质， 无定形的氧化硅可溶于土壤溶液， 形成 Si(OH)4， 通过聚合过程， 向稳

8、定状4态转化， 即从单体水溶胶水凝胶干凝胶最终形成类似蛋白石的脆性物质。不论溶胶 或凝胶，都是一种活性很高的吸附剂。尤其是氧化硅凝胶，它具有很大的表面积和孔隙度， 在pH值3.5以上，带负电荷，能吸附阳离子或极性物质或其他带正电的溶胶。在一定条件下， 凝胶也可转化为溶胶，随水流动、迁移。土壤中氧化硅胶体的存在和集聚，对土壤的形成和 理化性质都有重要影响。一般把无定形氧化硅看做酸胶基，它与氧化铁、铝等碱胶基相互作 用是形成土壤黏粒矿物的途径之一，氧化硅溶解随水流动沉积，不仅可填充土壤空隙，有利 于细孔隙的形成，同时沉积的氧化硅凝胶可使土壤松脆。如形成脆盘。氧化硅胶体带有一定 的负电荷，随pH值升

9、高，负电荷数增加，但总的来说，其交换量很有限。 含水氧化铁、铝胶体。含水氧化铁、铝在土壤中多以结晶态的矿物存在，最常见的铁氧化物是针铁矿和赤铁矿， 还有磁赤铁矿、磁铁矿、纤铁矿和氢氧化铁或水铁矿等。各种铁氧化物在不同土壤中的种类 和含水数量不同，各种氧化铁的颜色也不同，因此对土壤的染色也不同。土壤中的氧化铁一般以两种以上的形态混合存在，它可以形成黏膜包被在土壤颗粒的外 面，也可以形成溶胶沿剖面移动或者结晶形成小的颗粒存在于土壤中，还有部分形成络合物 或者被吸附在黏土矿物表面。氧化铁普遍存在于黏粒和非黏粒之中，但一般在黏粒中较多。 土壤中氧化铁的形态可以相互转化，受土壤pH、温度、有机质和Fe2

10、+，如当pH7时，可形成Fe(OH)3生成针铁矿。土壤中含水氧化铝胶体是矿物风化而来的，有晶态的，也有非晶态的， Al2O3Al(OH)3、 A100H是晶态，无定形铝主要是羟基铝及其聚合物，A13+在溶液中可形成较大的2OH-Al聚合 物呈溶胶状。氧化铝的形态和数量对土壤结构、土壤酸碱性、土壤缓冲性等都有重要影响氧化铁、氧化铝胶体都是两性胶体，其带电性随环境的酸碱度变化而改变，在酸性条件 下(一般pH5)带正电，而碱性条件下可带负电。Al(OH) + H+= Al(OH) + + HO 带正电322Al(OH) + OH- = Al(OH) O-+ H O 带负电32281. 2. 3 有机

11、无机复合胶体土壤中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 有机无机复合体。在复合的过程中，很多有机化合物可以和黏粒形成稳定性不等的各种复 合体。实际上，土壤有机质因其性质极为活跃，绝大部分是以有机-无机复合体的形式存在 的。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。据资料(熊毅， 1975)， 土壤有机无机复合度可 达50%70%，不同土壤类型差异很大。土壤有机-无机胶体的形成对改善土壤的理化性质有重要作用 ， 有机-无机复合体的稳 定性比单纯的有机胶体高， 实际上土壤腐殖质的稳定性正

12、是由于形成有机-无机复合体所造 成的。在很多情况下，有机质在矿质胶体的表面形成一层胶膜，可以改变(或改善)无机胶体 的表面性质， 由于胶膜的作用使一些原来颗粒较大而胶体性质较差的矿质颗粒， 也表现出胶 体的性质，使土壤胶体颗粒的大小，最大可达黏粒的上限，甚至达到细粉粒的范围(1 “ m) 。有机-无机复合胶体的黏性、塑性要比黏粒弱，其表面积和代换量一般比复合前有机胶 体和无机胶体两者之和小，不具有加和性。土壤有机-无机复合体是形成良好的稳定性团聚 体的基础，其水稳性要比单纯的矿质团聚体高，从而对土壤的结构性、通透性、耕性等产生 重要影响。一般把有机无机复合体分为G0、Gl、G2组。关于土壤有机

13、无机复合体分组最早始于丘林(1937)，他提出土壤有机矿质结构的假说， 进而将土壤复合体分为两组：G1组和G2组。但是在G1组中往往混有一部分能直接分散于 水中的“非团聚化细土”实际上它是一组水分散的复合体，故把它称为G0组。G1 组是通钙离子为键桥把有机质和矿物质连接起来的。CaOSi 3CaOSi3但这种连结并不牢固，可用中性NaCl溶液拆开。G1 组复合体主要是胡敏酸钙凝聚的。它主要分布在离根较远，通气性良好的地方。其 特点是腐殖质和活性氧化物含量较低，有机物质中的木质素和半纤维素较少。由于G1组缺 乏活泼的胶体表面，若要使它黏结体变大，需要靠游离胶体的胶结。中的Al也可换成Fe）。3S

14、i O如：Fe(OH) O Si3Fe(OH) O Si 3另一种是由铁、铝氧化物的胶结作用连接起来的。这种有机质胶结作用可用下式表示（其sSi O 这种连接比较牢固，不能用NaCl拆开，只能用稀碱溶液或研磨处理才能分开。近根的团聚体主要由G2构成。由于这里的水分状况比较好，根际微生物活动旺盛，有 机质丰富，在微生物的参与下，大量粗有机质分解，造成氧气不足，使氧化铁还原成亚铁， 提高了铁的活性，有利于在矿物颗粒表面凝聚生成。它的特点是：腐殖质和活性二三氧化物 含量较高，在有机物质中，同时包含腐殖质和未腐化物质（木质素、纤维素和半纤维素）。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

15、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（如图 8-1） 。81. 3. 1微粒核（胶核）它是胶体微粒的核心物质,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。81. 3. 2双电层结构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。图 8-1 胶体微粒构造示意图外层电荷（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