项目三土壤的吸附交换性能和酸碱反应

项目三土壤的吸附交换性能和酸碱反应任务一土壤的吸附交换性能任务二土壤的酸碱反应2019/12/14一、土壤胶体土壤胶体是土壤中最活跃的部分，很多重要的土壤性质都发生在土壤胶体和土壤溶液的界面上。对土壤保肥能力的大小和供肥能力的强弱，起着决定性作用。1.土壤胶体的概念指直径0.0001~0.1μm（长、宽、高三个方面至少有一个方向在此范围内）的土壤颗粒。胶体分散系统：当一种物质颗粒分散在某一物质如水中，表现出许多普通水溶液所没有的现象和性质，这个系统就是~。黏粒和腐殖质视为土壤胶体任务一土壤的吸附交换性能2019/12/142.土壤胶体的种类包括无机胶体（矿质胶体）、有机胶体和有机无机复合胶体。（1）无机胶体：层状硅酸盐矿物和无定形氧化物（2）有机胶体：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。（3）有机无机复合胶体：有机、无机胶体之间可通过离子吸附、分子吸附、氢键、极性化合物的定向排列而结合。有机无机复合度：土壤中的有机质与矿物质颗粒结合成为有机无机复合颗粒的程度，一般用土壤的有机无机复合胶体中含碳量占土壤总碳量的质量分数（一般采用百分数形式）来表示。2019/12/142019/12/143.土壤胶体的结构1）胶核：是胶体颗粒的核心部分，主要由硅酸盐矿物、腐殖质、氧化物、蛋白质及有机无机复合体组成。2）决定电位离子层：是固定在胶核表面决定其电荷和电位的一层离子，离胶核最近。3）非活性补偿离子层：是稍远离胶核的被吸附的阳离子虽然不是胶核的组成部分，但活动性仍然很低。4）扩散层：能与胶体微粒间的土壤溶液中的离子进行自由交换。5）补偿离子层：包括非活性补偿离子层和扩散层。6）双电层：胶体微粒这种具有带正负电荷的结构称为双电层结构。2019/12/142019/12/144.土壤胶体的基本性质1）胶体的表面积和表面能一定质量的物体，颗粒愈细，表面积就愈大，单位质量的物质的表面积（比表面积）也愈大。土壤胶体，如黏粒、腐殖酸分子等不仅有巨大的表面积，而且由于黏土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。一般有机质量高，2：1型黏土矿物多的土壤比表面积很大；反之，有机质含量低，1：1型黏土矿物多的土壤比表面积就较小（图3-1）。一般表面能的大小与比表面积成正相关，土壤质地愈黏，表面能就愈高，物理吸附作用就愈强。表3-1各种土壤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800~9002）土壤胶体的带电性永久电荷：由于层状硅酸盐矿物的同晶代换作用、矿物晶格边缘或边角上发生离子的丢失而断键，从而产生了剩余的价键，即带有电荷，不随土壤环境PH的变化而变化。来源：①层状硅酸盐矿物发生的同晶代换作用②矿物晶格断键，当矿物晶体受到外力时，矿物晶边缘或边角上发生离子的丢失，即断键，从而产生了剩余价键。可变电荷：由于黏土矿物表面的羟基和腐殖酸分子上的羟基、酚羟基团的电离使胶体微粒带电，以这种方式产生的电荷，随土壤环境PH的变化而变化。如：高岭石在PH﹤5时，它表面的-OH就解离出H+，使高岭石胶粒带负电。Fe2O3、Fe3O4、Al2O3、等在酸性条件下（PH﹤5），吸附OH-而带正电荷，自然土壤的PH一般在5~9，所以土壤胶体一般都带负电荷。黏粒SO4Cl-2-KNH4KNaCa+2++++正极负极++++++------图3-6土壤胶体颗粒在磁场中的运动土壤溶液中的阳离子向电场的负极移动，而阴离子和带负电荷的黏粒向正极移动3）土壤胶体的凝聚和分散溶胶：土壤颗粒均匀地分散在水等介质中（静电排斥力﹥分子引力）胶体凝胶：土壤胶粒相互凝结聚合在一起（静电排斥力﹤分子引力）影响因素：a.胶体微粒所吸附的阳离子的价数Fe﹥Al﹥H﹥Ca﹥Mg﹥NH﹥K﹥Nab.胶体微粒所吸附的阳离子的浓度同一种离子，其浓度越高，对胶体微粒的凝聚作用就越大。3+2+2+++++3+2019/12/14二、土壤的吸附交换性能（一）土壤的吸附性能的类型（1）机械吸附性能（机械阻留）（2）物理吸附性能（表面能）（3）化学吸附性（化学反应生成沉淀或难溶性化合物）（4）生物吸附性能①选择性：生物根据自身的需要，有选择地从土壤中吸收某些养分。②表聚性：由于植物根系和其他生物的活动，使表层土壤中养分更丰富、更完全的现象。③创造性：典型例子是生物的固氮作用，使土壤的氮素从无到有，从少到多。④临时性：生物所吸收的养分主要用于组建其躯体，生物死亡后，所吸收的这部分养分就释放到土壤中，可被农作物吸收利用。（5）物理化学吸附性能土壤物理化学吸附：指土壤溶液中的离子通过静电引力吸附在胶粒的表面上，被吸附的离子可以被其他的离子替代而重新进入土壤溶液中的现象。（6）阳离子吸附性能土壤表面吸附的阳离子：Fe、Fe、Al、H、Ca、Mg、NH、K、Na盐基离子：除Al、H以外的其他阳离子与某些阴离子形成盐类，这些阳离子称为盐基离子。盐基饱和土壤：当土壤胶体吸附的阳离子都为盐基离子时，土壤呈盐基饱和状态，这种土壤称为~盐基不饱和土壤：如果土壤胶体所吸附的阳离子部分为盐基离子，部分为H、Al时，这种土壤胶体呈盐基不饱和状态，称为~。土壤盐基饱和度：土壤胶体上交换性盐基离子与全部交换性阳离子的物质的量的比。（7）阴离子吸附性能2+3+3++2+2+++++++3++3++2019/12/142019/12/14（二）土壤的离子交换作用1.土壤阳离子交换作用的特点：a阳离子交换是一个可逆反应：被吸附的离子可以进入土壤溶液中，土壤溶液中的离子又能重新被吸附。b阳离子交换遵循等价离子交换的原则：一个二价的阳离子可以交换两个一价的阳离子c阳离子交换符合质量作用定律：提高低价离子浓度，可以将高价离子从土壤胶体上交换下来。土壤的离子吸附作用：土壤胶体微粒通过把溶液中的离子吸附在胶粒的表面上的作用，具体来说，是在扩散层中进行的，分为阳离子吸附和阴离子吸附。土壤的郭子交换作用：土壤溶液中的离子将胶体上吸附的离子代换下来的作用，分为阳离子和阴离子交换作用，主要是阳离子交换作用。黏粒K+K+K+K+K+K++2Ca2+=黏粒Ca2+Ca2++4K+图3-7土壤胶体的离子交换与吸附当施用石膏等含钙的肥料时，土壤溶液中离子浓度增加，可将黏粒等土壤胶体上吸附的钾离子代换下来，进入土壤溶液中的钾离子非常容易随水流失掉2019/12/142.土壤阳离子交换能力及影响因素Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+K+≥NH4+Na+影响阳离子交换能力的主要因素有：1．离子电荷的影响离子价数愈高，交换能力愈强2．离子半径与水化度对于同价离子，水化半径愈小，交换能力愈强；3．离子浓度的影响离子浓度愈高，交换能力愈强。3.土壤阳离子交换量指土壤能吸附的交换阳离子的最大量，一般在PH=7的条件下测定。过去用m.e·100g-1土来度量，现在则采用国家标准规定的法定单位mmol·kg-1影响因素：①胶体数量、种类和成分胶体的数量多、有机胶体多、2：1型蒙脱石类矿物多，土壤阳离子交换量就愈大②PH土壤PH直接影响土壤的可变电荷的数量，PH升高时，土壤可变负电荷一般呈增加趋势，阳离子交换量上升；反之，PH下降，土壤的阳离子交换量降低。表3-2不同类型土壤的阳离子交换量土壤类型阳离子交换量主要黏土矿物暗栗钙土663蒙脱石（水云母、蛭石）白浆土492水云母（蒙脱石）褐土559水云母（蛭石，高岭石）灰钙土358水云母黄棕壤400水云母（高岭石，蛭石）红壤220高岭石（水云母）砖红壤52高岭石（三水铝石）mmol/kg表3-3不同类型土壤胶体的阳离子交换量胶体类型一般范围平均值蒙脱石600~1000800伊利石200~400300高岭石150~300100含水氧化铁铝极微极微有机胶体2000~50003500mmol/kg表3-4不同PH时黏土矿物的阳离子交换量黏土矿物PH2.5~6.0PH7.0蒙脱石9501000高岭石50100mmol/kg2019/12/14（一）土壤离子吸附与交换对土壤养分状况的影响1.对土壤的保肥性能的影响对于吸收能力强的土壤，如黏性土，一次施肥量可大些；而对于吸收能力弱的土壤，如砂性土，如果一次施入太多的化肥，可能“烧伤”作物，肥料也极易流失，利用率降低。2.对土壤供肥能力的影响土壤的供肥性能是指土壤供应植物所必需的各种速效养分的能力，即能将迟效养分迅速转化为速效养分的能力，它直接影响植物的生长发育、产量和品质。（1）矿物态养分的释放（2）有机态养分的有效化三、土壤离子交换与土壤肥力的关系（二）土壤离子吸附与交换对土壤酸碱性的影响土壤酸碱性与土壤的盐基饱和程度有关，一般盐基不饱和的土壤，土壤胶体上有较多的致酸离子Al和H,使土壤呈酸性;而盐基饱和的土壤一般呈中性或碱性。土壤吸附了大量的交换性阳离子，对土壤的酸碱性起到一个缓冲的作用。一般盐基饱和度大的土壤对酸的缓冲能力强，而盐基饱和度小的土壤对碱的缓冲能力强。3++（三）土壤离子吸附与交换对土壤物理性质的影响土壤胶体凝聚和分散的特性受土壤胶体上吸附交换性阳离子组成的影响很大，而土壤胶体的凝聚与分散直接关系土壤的结构性，土壤结构性是土壤物理性质的一个重要方面。例如：当土壤胶体上吸附的交换性Na与全部交换性阳离子的物质的量的比超过15%时，土壤的物理性质就明显恶化，表现为通透性不良、耕性差、胀缩性强等。一般将交换性Na与全部土壤交换性阳离子的物质的量的比称为土壤钠离子饱和度，它是土壤碱化的重要指标。++我国土壤的PH大多数在4.5~8.5，有“东南酸，西北碱”的规律性，大致以北纬33°为界，长江以南的土壤多为酸性或强酸性土壤，长江以北的土壤多为中性或碱性土壤。土壤酸碱性分级见表3-5。任务一土壤的吸附交换性能2019/12/142019/12/14一、土壤酸碱性土壤酸碱性是土壤溶液中H+和OH-浓度比例不同所表现的酸碱性质，常用PH表示。酸性中性和碱性超强酸性PH﹤3.5中性PH=6.5~7.5极强酸性PH=3.5~4.4碱性PH=7.6~8.5强酸性PH=4.5~5.4强碱性PH=8.6~9.5酸性PH=5.5~6.4极强碱性PH﹥9.5表3-5土壤酸碱性分级2019/12/142019/12/14（一）土壤酸性1.酸性的来源土壤胶体上吸附的H+、Al3+、二氧化碳溶于水形成的碳酸、有机质分解产生的有机酸、施肥带入的酸性物质、酸雨等。2019/12/142.土壤酸度的类型①活性酸度活性酸度是由土壤溶液中氢离子浓度直接反映出来的酸度，又称有效酸度，通常用pH表示。当氢离子浓度为10-5mol/L时，活性酸度即PH为5。②潜性酸度致酸离子（H+、AI3+）被交换到土壤溶液中，变成溶液中的H+时，才会使土壤显示酸性，所以这种酸称为潜性酸。一般用交换性酸度或水解酸度来表示。2019/12/14根据测定潜性酸度时用浸提液的不同，将潜性酸又分为交换性酸度和水解性酸度。a交换性酸度用过量的中性盐（pH=7）溶液浸提土壤时，土壤胶粒表面吸附的H+、AI3+被交换出来，这些离子进入土壤溶液后所表现的酸度称为交换性酸度。b水解性酸度用弱酸强碱的盐类和醋酸钠的溶液浸提土壤时，从土壤胶粒上交换出来的H+和AI3+所产生的酸度，称为水解性酸度。2019/12/142019/12/14（二）土壤碱性1.碱的产生碱的产生主要有三方面：①土壤中碱性盐的水解②土壤交换性钠的水解③硫酸钠被还原产生OH-2.土壤碱化度土壤的碱性还取决于土壤胶体上交换性钠离子的数量。通常把交换性钠离子数量占交换性阳离子数量的百分比，称为土壤碱化度。一般碱化度为5%-10%时，称弱碱性土；大于20%时，称碱性土。（三）作物对土壤酸碱反应的适应性大多数农作物的适应性较广，对PH要求不太严格。大田作物PH范围园艺作物PH范围林木PH范围水稻5.0~6.5豌豆6.0~8.0槐6.0~7.0小麦5.5~7.5甘蓝6.0~7.0松5.0~6.0大麦6.5~7.8胡萝卜5.3~6.0洋槐6.0