http://s10/mw690/003ODzsxgy6MBnuXImZa9&690

四、土壤的物理化学性质
  （一）土壤的物理性质。土壤的物理性质包括土壤的颗粒组成、排列方式、结构、孔隙度以及由此决定的土壤的密度、容重、粘结性、透水性、透气性等。
  （二）土壤胶体及土壤吸附交换性 。土壤胶体是指土壤中颗粒直径小于2mm或小于1 mm，具有胶体性质的微粒。一般土壤中的粘土矿物和腐殖质都具有胶体性质。直径小于2mm的胶粒带有大量的负电荷。
  1、土壤胶体的类型 。一般可分为无机胶体、有机胶体、有机—无机复合胶体。
   Ⅰ无机胶体：无机胶体在数量上远比有机胶体要多，主要是土壤粘粒，它包括Fe、Al、Si等含水氧化物类粘土矿物以及层状硅酸盐类粘土矿物。

（1）Fe、Al、Si等含水氧化物

含水氧化硅：多写成SiO2·H2O，也可写成偏硅酸H2SiO3，SiO2·H2O发生电离时能解离出H+而使胶体带负电荷。

含水氧化Fe、Al：多写成Fe2O3·nH2O、Al2O3·nH2O，也可用Fe（OH）3、Al（OH）3的形式来表示，它是硅酸盐矿物彻底风化的产物，在风化程度高的土壤上这类矿物较多。

这类矿物属两性胶体，它的带电情况主要取决于土壤的酸碱反应，酸性条件（pH<5）带正电荷，碱性条件下带负电荷。

（2）层状硅酸盐类矿物

层状硅酸盐类矿物，从外部形态上看是极细微的结晶颗粒，从内部构造上看，都是由两种基本结构单位硅氧四面体和铝氧八面体所构成，并且都含有结晶水只是化学成分和水化程度不同而已。

构造特征：P69图3—5、图3—6

a：基本结构单位：构成层状硅酸盐矿物的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。

硅氧四面体：由一个硅离子（Si4+）和四个氧离子（O2-）组成，其中三个氧离子（O2-）构成三角形为底，Si4+属于这个三角形之上，三个氧离子（O2-）的中心底凹处，第四个O2+属于顶部，恰好把Si2+盖在下面，象这样的构造体从外表面看有四个面，每个面有三个O2+组成，Si4+居于四个面的中心，我们称为硅氧四面体。

铝氧八面体：由一个铝离子（Al3+）和六个氧离子O2-（或氢氧离子）组成，六个O2-排成上下两层，每层三个O2-（或OH—）构成三角形，但上层的O2-和下层的O2-位置相互交错，Al3+居于两层之间的中心孔穴内，这种结构体从外表上看有八个面，每个面都有三个O2+组成，Al3+居于八个面的中心，我们称为铝氧八面体。

b：单位晶片：从化学式上看，硅氧四面体（SiO4）4-和铝氧八面体（AlO6）9- 都还不是化合物，在形成硅酸盐矿物之前，硅氧四面体和铝氧八面体需要各自分别聚合，在平面上这种成单位晶片：硅氧四面体通过共用底部氧的方式在平面上连接成四面体片——硅片，硅片顶端的氧仍带有负电荷。

铝氧八面体通过共用两端氧的方式在平面上连接成八面体片——铝片，铝片上下两端的氧都带有剩余负电荷。

c：单位晶层：由于硅片n（SiO10）4-、铝片n（Al4O12）12-都还带有负电荷，不稳定，必需重叠化合以后，才能形成稳定的化合物，硅片和铝片以不同的配合方式在垂直方向上重叠成单位晶层，根据形成单位晶层时硅片和铝片的配合比例不同可形成2：1型、1：1型、2：1：1型的单位晶层。

1：1型单位晶层：由一层硅片和一层铝片组成，硅片顶端的活性氧、铝片底层的活性氧通过共用的方式连接在一起。

2：1型单位晶层：由两层硅片夹一层铝片组成，两层硅片顶端的活性氧都朝向铝片、铝片两端的氧分别与两层硅片顶端的氧通过共用的方式连接在一起。

2：1：1型的单位晶层：在2：1型单位晶层的基础上多了一个水镁片和水铝片。

d：层状硅酸盐矿物：单位晶层相互重叠后形成层状硅酸盐矿物，根据构成层状硅酸盐矿物的单位晶层类型的不同，可以把层状硅酸盐矿物分为以下几类：

蒙脱石类矿物：2：1型膨胀性矿物，比如蒙脱石、蛭石、绿泥石

（1）2：1型晶层结构：单位晶层是由两层硅片夹一层铝片组成，硅片：铝片=2：1，以蒙脱石最为典型。

（2）胀缩性大：这组矿物相邻两个晶层的层面都是Si—O面，晶层与晶层之间只能形成很小的分子引力，连接力弱，晶层间胀缩性大，晶层之间随着水分的进入而膨胀，失去水分则收缩。

（3）电荷数量大：电荷数量大的原因是因为该组矿物同晶代换比较普遍。

同晶代换：组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子代替而晶格构造保持不变的现象。

①替代与被替代的离子大小必须相近，才能保证替代后晶形不发生改变。

比如Fe3+的半径为0.064nm，八面体的中心离子Al3+的半径为0.057nm，半径相近可以发生替代而不会改变晶体形状，而La（镧）和Al是同族元素，性质更相近，但是La3+的半径比Al3+大一倍以上，La3+不能代替Al3+。

②替代与被替代的离子电性必须相同，电价可以同价或不同价。

如果互换的两个离子是同价的，互换后不仅晶形不变，而且仍保持电荷中性，如果互换的两个离子是不同价的，就会使晶体带正电荷或带负电荷。

晶体的中心离子被低价阳离子取代——晶体带负电荷

晶体的中心离子被高价阳离子取代——晶体带正电荷

实际上硅酸盐矿物中最常见的是晶体中心离子被低价阳离子取代：比如四面体中心离子Si4+被Al3+所取代，八面体中心离子Al3+被Mg2+所取代，所以粘土矿物是以带负电荷为主的。

同晶置换是发生在晶体形成过程中，同晶置换产生的负电荷是存在于晶体内部，晶体一旦形成后，这种负电荷就被包蔽在晶体内部，它不会随着外界环境（pH、电解质浓度）的改变而改变，所以同晶置换所产生的负电荷属永久电荷。

同晶置换的结果，使蒙脱石类矿物带有大量的负电荷，能吸附保存大量的阳离子，所以含蒙脱石类矿物高的土壤，其保肥性能良好。蒙脱石的同晶代换主要发生在铝片中，以Mg2+代替Al3+，蛭石的同晶代换主要发生在硅片中，以Al3+代替Si4+。

（4）胶体特性突出：这一组粘土矿物，颗粒特别细，总表面积大，其可塑性、粘结性、粘着性、吸湿性都很显著，对耕作不利。

高岭石类矿物：也称1：1型矿物，主要包括高岭石、珍珠陶土、迪岩石及埃落石等。

（1）1：1型晶层结构：单位晶层是由一层硅片和一层铝片组成，硅片：铝片=1：1，所以这一组矿物又称1：1型矿物，以高岭石最为典型。

（2）非膨胀性：相邻两个晶层的层面，一个是硅片的Si—O面，一个是铝片的Al—OH面，这样在两个晶层之间能形成键能较强的氢键，连接力强，晶层间不易膨胀。

（3）电荷数量少：这一组矿物硅片和铝片中没有或极少有同晶代换现象，其电荷的来源主要来源于两个方面：一方面是晶体表面的断键，另一方面是晶体表面的OH基在中性或碱性条件下的解离，所以电荷数量少。含1：1型粘土矿物高的土壤其保肥性能差。

（4）胶体特性弱：虽然颗粒的大小在胶体范围内，但颗粒直径仍比其它硅酸盐粘土矿物要大，而且外形大部分呈片状，颗粒的总表面积相对较少，其可塑性、粘结性、粘着性、吸湿性小。

水云母组：2：1型非膨胀性矿物，比如水云母、伊利石。

（1）2：1型的晶层结构：晶层结构与蒙脱石相似，同样是由两层硅片夹一层铝片组成，硅片：铝片=2：1，以伊利石最为典型。

（2）非膨胀性：主要是伊利石的晶层与晶层之间吸附有K+，K+是半陷在晶层层面6个氧离子构成的六角形孔穴中，它同时受到相邻两个晶层负电荷的吸附，使相邻两个晶层产生了很强的键联效果，连接力强，晶层不易膨胀。

（3）电荷数量大：同晶置换普遍，主要发生在硅片中，以Al3+→Si4+，铝片中也有少量的Fe3+、Mg2+→Al3+，所以电荷数量大：但是因为部分的负电荷被K+中和，所以电荷数量介于高岭石和蒙脱石之间。

（4）胶体特性：因颗粒大小，总表面积介于高岭石和蒙脱石之间，所以可塑性、粘结性、粘着性、吸湿性也介于高岭石和蒙脱石之间。

Ⅱ有机胶体

有机胶体主要指的是土壤中的腐殖质。

a.腐殖质颗粒很细小，具有巨大的比表面积。

每1克腐殖质的总表面积可达1000㎡，比表面积是极其巨大的。

b.带有大量的负电荷

腐殖质组成中有很多的功能团，比如R—COOH、R—CH2—OH等这些功能团解离后能带有大量的负电荷，腐殖质所带负电荷的数量比粘土矿物要大得多，所以保存阳离子的能力也比粘土矿物要大得多。

另外腐殖质功能团中R—NH2的质子化，还能使腐殖质带正电荷。

c.腐殖质是亲水胶体，具有高度的亲水性

腐殖质可以吸附大气中的水汽分子，吸水最大量时可以达到自身重量的80—90%。

Ⅲ 有机—无机复合胶体

在土壤中有机胶体一般很少单独存在，绝大部分与无机胶体紧密结合在一起形成有机—无机复合胶体，有机胶体与无机胶体的连接方式是多种多样的，但主要是通过二价、三价等多价阳离子（Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等）作为桥梁把腐殖质与粘土矿物连在一起，或者通过腐殖质表面的功能团比如—COOH、—OH以氢键的方式与粘土矿物连在一起。
  2、土壤胶体的性质：
  ⑴巨大的表面积和表面能；
  ⑵电荷性质：以负电荷为主；
  ⑶分散性和凝聚性：
  溶胶（←分散作用）（凝聚作用→）凝胶
  3、土壤的吸附作用
  土壤的吸附作用 ：生物吸附 ——吸收  机械吸附——过滤  物理吸附——分子吸附    化学吸附——生成沉淀物  物理化学吸附——离子交换   离子交换作用： 阳离子交换 阴离子交换                    
  阳离子交换是指土壤胶体吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子进行交换，阳离子由溶液进入胶核的过程称为交换吸附，被置换的离子进入溶液的过程称解吸作用。
  各种阳离子的交换能力与离子价态、半径有关。一般价数越大，交换能力越大；水合半径越小，交换能力越大。一些阳离子的交换能力排序如下：
  Fe3+＞Al3+＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH+＞Na+
  在土壤吸附交换的阳离子的总和称为阳离子交换总量，其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH+称之为盐基性离子。在吸附的全部阳离子中，盐基性离子所占的百分数称为盐基饱和度： 交换盐基离子总量（mol/100g）  盐基饱和度——×100  阳离子交换总量（mol） 
  当土壤胶体吸附的阳离子全是盐基离子时呈盐基饱和状态，称为盐基饱和的土壤。正常土壤的盐基饱和度一般在70—90%。盐基饱和度大的土壤，一般呈中性或碱性，盐基离子以Ca2+离子为主时，土壤呈中性或微碱性；以 Na+为主时，呈较强碱性；盐基饱和度小则呈酸性。
   阴离子交换：由于在酸性土壤中有带正电的胶体，因而能进行阴离子交换吸附。阴离子吸附交换能力的强弱可以分成：①易被土壤吸收同时产生化学固定作用的阴离子：H2PO4-、HPO42-、PO43-、SiO32-及其某些有机酸阴离子；②难被土壤吸收的阴离子：Cl-、NO3-、NO2-；③介于上面两类之间的阴离子：SO42-、CO32-及某些有机阴离子。阴离子被土壤吸附的顺序为：
  C2O42-＞C6O7H53-＞ PO43- ＞ SO42 -＞ Cl- ＞ NO3-

http://s10/mw690/003ODzsxgy6MBnwW42Z59&690