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1、第六章 土壤的保肥性与供肥性,土壤保肥性和供肥性与植物生长土壤胶体及其基本特性土壤的吸附保肥作用土壤的保肥性影响土壤供肥性的化学条件,第一节 土壤保肥性和供肥性与植物生长,一、概念,土壤的保肥性：是指土壤吸持和保存植物养分的能力。,土壤保肥能力的大小受土壤的对植物养分的多种作用的影响：分子吸附作用、化学固定作用、离子交换作用。其中，离子交换作用是影响土壤保肥性能中最重要的因素之一。,土壤的供肥性是指土壤向植物提供养分的能力。,它与土壤养分的强度因素（I）和数量因素（Q）关系密切。,强度因素是指土壤溶液中的养分浓度；数量因素是指土壤液相中能被植物利用吸收的有效养分的总量。,Q/I可用来表征土壤养
2、分的缓冲容量（B），B值大，表明保持土壤溶液中养分浓度稳定的能力强，即该土壤能平稳而持久地向植物提供营养物质。,二、土壤保肥性、供肥性对植物生长的影响,土壤的供肥性好是指土壤的供肥速度适中。若供肥太快太猛，也会造成土壤养分因来不及被植物吸收而流失，如果土壤的供肥速度太慢，则不能满足植物生长需要，应注意补充速效肥料。因此，一般要求土壤既有较强的保肥能力，又有较强的供肥能力。,第二节 土壤胶体(soil colloid)及其基本特性,一、土壤胶体的种类,（一）土壤胶体的概念,土壤胶体通常是指直径小于1m的固体颗粒。也有文献称直径为20.001m的土粒为土壤胶体。,（二）土壤胶体的种类,矿质胶体：层
3、状硅酸盐类的粘土矿物和铁、铝、硅等的氧化物及其水合物类的粘土矿物。有机质胶体：主要是腐殖质。有机矿质复合体：土壤有机质胶体有 5090%是与矿质胶体结合，形成有机矿质复合体。,矿质胶体,(一)层状硅酸盐(二)铁、铝、硅等的氧化物及其水合物,硅氧四面体,铝氧八面体,（一）层状硅酸盐,（1）硅氧四面体（或简称四面体）硅氧四面体是硅酸盐矿物的最基本的结构单位，不同的连接组合方式形成不同的硅酸盐矿物。,硅氧四面体构造示意图,硅氧片示意图,在硅四面体中，硅原子以共价键方式将四个氧原子联结成为一个原子团（SiO4）4，电性未中和，通过与其相邻的另一个硅四面体共用一个氧原子，如此相联，成为六个硅四面体构成的
4、六角形网孔，然后再与另外的六角形网孔通过共同氧原子来联结，如此继续联结，在水平方向上构成一层叫硅氧片，成为晶层的基本单元。,硅氧片,硅片可以用n(Si4O10)4-表示。,铝氧片,同样，由许多相邻的铝八面体通过共用氧原子相联结，形成铝八面体层，称水铝片，也是晶层的基本单元。铝片可以用n(Al4O12)12-表示。,层状硅酸盐矿物的晶层即是由硅氧片和水铝片叠合而成的。由于叠合方式不同，形成种类多样的层状硅酸盐矿物。,另一种是由两层硅氧片中间夹一层水铝片叠合而成的，称为2：1型矿物，这类矿物又分膨胀型矿物和非膨胀型矿物。膨胀型矿物有蒙脱石类和蛭石类，非膨胀型主要有水云母类。,其中主要有两类，一类是
5、由一层硅氧片和一层水铝片叠合成的，称11型矿物，主要为高岭石类矿物。,高岭石晶体构造示意图,高岭组粘土矿物是南方热带和亚热带土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。,蒙脱石晶体构造示意图,蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广,高岭石和蒙脱石的构造特点及其性质的差异,其晶层结构与蒙脱石相近，但水云母晶层中硅氧片中的硅约有15%为铝所取代，产生正电荷不足，由层间的钾离子补偿。该类矿物的胀缩性、粘结性、可塑性以及阳离子吸附能力均不如蒙脱石类矿物。,水云母晶体构造示意图,伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含
6、量很低。,三种主要粘土矿物的特性比较,土壤中常见的铝氧化物是三水铝石 Al（OH）3 土壤中三水铝石的含量可作为脱硅作用和富铝作用的指标。大致在北纬30以南地区的土壤中才出现三水铝石。主要分布在热带和亚热带高度风化的酸性土壤中。,含水铁、铝氧化物,氧化铁 赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿等土壤中常见的氧化铁矿物是赤铁矿和针铁矿,起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝氧化物。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子，如土壤中磷酸根离子的吸附，使磷被固定，失去其有效性。,扩散层,三、土壤胶体的基本构造,胶核：是胶粒的基本部分，由粘粒矿物、腐殖质、蛋白质等成分所组成。决定电位离子层：胶核表面带电的离子层，这
7、层带电的离子决定着胶粒的电荷符号和电位大小。,补偿离子层：决定电位离子层产生的静电引力吸附粒间溶液中带相反电荷的离子，形成补偿离子层。其中，距离近的受静电引力大，离子活动性小，只能随胶核移动，称非活性补偿离子层。距离远的受静电引力较小，离子活动性大，疏散分布，称扩散层。,土壤胶体的性质,（一）巨大的比表面（二）带电性（三）分散性与凝聚性,（一）巨大的比表面,比表面是指单位重量胶体的总表面积。常用每克土壤胶体的总表面积即m2/g来表示。土壤胶体的表面可分为内表面和外表面两种。内表面是指膨胀型粘土矿物（如蒙脱石、蛭石等）层间的表面。外表面是指粘土矿物的外部表面及腐殖质、游离氧化铁和铝等胶膜的表面。
8、,蒙脱石晶体构造示意图,不同土壤胶体的比表面,（二）带电性,土壤胶体的电荷产生的原因：,同晶置换 2.表面分子解离 断键 4.胶体表面从介质中吸附离子,土壤胶体一般带负电荷，但在某些情况下也会带正电荷。,1.同晶置换,同晶置换是指硅酸盐矿物中的硅氧片或水铝片中的配位中心离子，被大小相近而电性符号相同的离子所取代，化学组成发生改变，但其晶层结构未变。一般同晶置换发生于矿物的结晶过程，一旦晶体形成，它所具有的电荷就不受外界环境（如pH、电解质浓度等）的影响，故称为永久电荷。同晶置换主要发生在2：1型矿物，而1：1型矿物较少发生。,2.表面分子解离,表面分子解离是指土壤胶体上的一些基团，由于解离出H
9、+，使胶核表面带负电荷。腐殖质胶体上的羧基、酚羟基、醇羟基等基团解离出H+，而使腐殖质胶体的胶核表面带负电荷。硅酸盐粘土矿物的晶层表面有许多暴露的OH原子团，也常解离出H，而使粘土矿物带负电。,表面分子解离受介质pH的影响，当介质pH升高时，解离H的能力强，因而产生的负电荷也多。介质pH下降时，解离H受到抑制。当介质pH低于胶体等电点时，则会使胶体电荷符号发生改变。,Al3+,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,H+,H+,H+,Zero charge,Al(OH)30 两 性胶体,Al3+,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,H+,H+,H+,+,OH-,pH,Al3
10、+,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,H+,H+,1-,H+,H+,O2-,Al(OH)4-,Al3+,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,H+,H+,H+,+,H+,pH,Al3+,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,O2-,H+,H+,H+,H+,1+,Al(OH)2+,Al(OH)30,两 性胶体Al(OH)30,Al(OH)2+,+H+,Al(OH)30,Al(OH)2+,Al(OH)4-,恒电位表面正、负电荷的代数和为零时溶液的pH值。称为等电点。等电点是固定值。这时没有专性吸附。pH Point of zero charge(PZC),+H+,+OH-
11、,三水铝石等电点为pH4.8，当介质pH低于此值时：Al2O33H2O2Al(OH)2+2OH,可见，三水铝石在其介质pH值低于等电点时，不是解离H，而是解离羟基离子，使胶体带正电荷。氧化铁的水合物以及硅酸盐粘土矿物晶层表面的OH原子团都是这样。,硅酸盐粘土矿物在破碎时，引起晶层断裂，使硅氧片和水铝片的断裂边角上出现电性未中和键，如SiO、AlO。,3.断键,一般认为断键是引起高岭石带电的主要原因。腐殖质胶体也常发生碳键断裂，从而也产生剩余负电荷。断键引起的电荷，随着胶体破碎程度的加剧而增大。,铁铝氢氧化物在低于其等电点的介质中，会从介质中吸附H，而使其质子化，使这类胶体表面带正电荷。硅酸盐或
12、铁铝氢氧化物胶体从介质中吸附PO43、OH等而使这类胶体产生负电荷。腐殖质胶体中的NH2基在低pH的介质中，可质子化，使腐殖质产生带正电荷的NH3基团。,4.胶体表面从介质中吸附离子,表面分子解离、断键、胶体表面从介质中吸附离子等原因引起的胶体带电荷，受介质pH的影响。这种因受介质pH影响而产生的电荷称为可变电荷。,（三）分散性与凝聚性,土壤胶体分散在土壤溶液中，由于胶粒有一定的电动电位，有一定厚度的扩散层相隔，而使之能均匀分散呈溶胶态，这就是胶体的分散性。,当加入电解质时，胶粒的电动电位降低趋近零，扩散层减薄进而消失，使胶粒相聚成团，此时由溶胶转变为凝胶，这就是胶体的凝聚性。胶体的凝聚性有助
13、于土壤结构的形成。,胶体的分散和凝聚主要与加入的电解质种类和浓度有关。不同的电解质使胶体呈现不同的电动电位，一般是一价离子二价离子三价离子。电动电位大的离子，分散性强，凝聚性弱；反之，则分散性弱，凝聚性强。,第三节 土壤的吸附保肥作用,一、土壤吸附性能的一般概念二、土壤阳离子吸附与交换作用三、土壤对阴离子的吸附与交换作用,第三节 土壤胶体对阳离子的吸附交换反应,一、离子吸附的一般概念,根据物理化学的反应，溶质在溶剂中呈不均一的分布状态，溶剂表面层中的浓度与溶液内部不同的现象称为吸附作用。,凡使液体表面层中溶质的浓度大于液体内部浓度的作用称为正吸附，反之则称为负吸附.,双电层模型,按照吸附机理可
14、以把土壤吸附性能分为交换性吸附、专性吸附和负吸附等三种。,（二）土壤吸附性能的类型,交换性吸附（物理化学吸附），是借静电引力从溶液中吸附带异电荷离子的现象。土壤固相从溶液中吸附离子的同时，必然伴随着固相表面上交换性离子的解吸。,1.交换性吸附,专性吸附是非静电因素引起的土壤对离子的吸附，它是指离子通过表面交换与晶体上的阳离子共享1个（或2个）氧原子，形成共价键而被土壤吸附的现象。产生阳离子专性吸附的土壤胶体主要是铁、铝、锰等的氧化物及其水合物。,2、专性吸附(specific adsorption),阳离子的专性吸附,阴离子的专性吸附,负吸附是指土粒表面的离子浓度低于整体溶液中该离子的浓度现象。,3、负吸附(negative adsorption),
