6.2 土壤胶体及其基本性质

学时分配： 50 分钟

教法： 用模型和图示法阐明土壤胶体的构造

内容：

一、 土壤胶体的种类

土壤胶体是指土壤中最细微的固体颗粒，胶粒直径一般在 1-100nm 。实际上土壤中有效粒径 <1000nm 的粘粒都具有胶体的性质。直径为 1-1000nm 之间的土粒均属于土壤胶体的范围。

① 矿质胶体

矿质胶体包括成分简单的晶质和非晶质的 Si 、 Fe 、 AI 的氧化物及其含水氧化物、成分复杂的各种类型的层状硅酸盐（主要是铝硅酸盐）矿物，这二者常称为土壤粘土矿物。二者均为岩石风化和成土过程的产物，影响着土壤的肥力性质。

②有机胶体

有机胶体主要是腐殖质，还包括少量的木质素、蛋白质、纤维素等。腐殖质胶体含有多种官能团（羧基和酚羟基），属两性胶体，所以在土壤中一般带负电，对土壤胶体电荷影响较大，因而影响到土壤的保肥与供肥性。但有机胶体的稳定性低于无机胶体，容易被微生物所分解，要通过施用有机肥加以补充。

有机 - 无机（矿质）复合体

在农业土壤上，有机胶体一般很少单独存在，约有 50-90% 是与矿质胶体结合，形成有机无机复合体（又称吸收性复合体）。

有机胶体和无机胶体可以通过多种方式结合。

二、 土壤胶体的构造

用图示法了解土壤胶体的构造。从 p126 图 6-5 可知： 土壤胶体由下列几部分构成。

1 ．胶核

这是胶体的固体部分，由粘土矿物 SiO 2 、 Fe 2 O 3 、 AI 2 O 3 、 铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质等成分所组成。

2 ．双电层

①决定电位离子层

这 是胶核表面带电荷的部分，所带电荷的符号微粒核的组成和所处条件（如土壤溶液 pH 等）而定，若微粒核由铝硅酸盐类或腐殖质分子构成，在一般的条件下带负电荷。这层带电的离子决定着胶粒的电荷符号和电位的大小，所以称决定电位离子层或双电层内层。

②补偿离子层

由于胶粒的表面带电荷，能借静电引力吸引土壤溶液中相反的电荷离子，形成补偿离子层，又称双电层外层。

1 ． 土壤胶体具有巨大的比表面和表面能

比表面：是指单位重量或单位体积物体的总表面积（ cm 2 /g ， cm 2 /cm 3 ）

因为土壤胶体有巨大的比面，所以能产生巨大的表面能，这是由于物体表面分子所处的条件特殊引起的。物体内部分子周围相同分子之间，在各个方向上受到的吸引力相等而相互抵消：表面分子则不同，由于它们与外界的液体或气体介质相接触，因此在内、

外方面受到的是不同的吸引力，不能相互抵消，所以具有多余的表面能。这种能量产生于物体表面，故称表面能。不同土壤胶体的比表面差异较大。

2 ．带电性

所有的土壤胶体都带有电荷。土壤胶体一般带负电荷，但某些情况下也会带正点荷。土壤胶体产生电荷的原因如下：

① 同晶置换（同晶替代）是指铝硅酸盐矿物中的硅氧片或水氧片中配位中心电子，被大小相近，而电性符号相同的离子所取代，但晶层结构不发生变化的作用，称为同晶置换。

如硅氧片中的 Si 4+ 被 AI 3+ 所取代； 水铝片中的 Al 3+ 被 Mg 2+ 、 Fe 2+ 所取代，同晶替代的结果使粘土矿物晶层产生剩余的负电 荷，属于永久电荷。

永久电荷：由于粘土矿物晶层内的同晶置换所产生的电荷。由于同晶替代作用是在粘土矿物形成时产生于粘土晶层内部，这些电荷一旦产生即为该矿物永久所有，不受外界条件（ pH 、电解质浓度等）的影响，因此称为永久电荷。又称内电荷、恒电荷或结构电荷

表面分子解离

是由于土壤胶体上的一些基团，由于解离出 H + ，使胶核表面带负电荷，如腐殖质胶体上的羧基、酚羟基等基团解离出 H + ， 硅酸盐粘土矿物的晶层表面暴露的 OH 原子团解离出 H + 等，这些作用使腐殖质胶体与粘土矿物带负电荷。

表面分子解离受介质 pH 的影响，当介质 pH 值升高时，粘土矿物解离 H + 的能力强，产生负电荷的量也多。

铝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和的键，如 Si-O- ， AL-O- 。表面分子解离的断键是引起高岭石带电的主要原因。断键引起的电荷，随胶体破碎程度的加剧增大。

胶体表面从介质中吸附离子

这种过程使胶体带电。（如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 + ，产生质子化，使这类胶体表面带正电荷。）

可变电荷。

可变电荷：表面分子解离、断键、胶体表面从介质中吸附离子所产生的电荷，由于电荷的数量和性质随介质 pH 而改变，称可变电荷。

土壤胶体的分散性和凝聚性

土壤胶体有两种不同的状态，一种是胶体微粒均匀分散在土壤溶液中，由于胶粒有一定的电动电位，有一定厚度的扩散层相隔，而使之均匀分散称溶胶态，这种现象称土壤胶体的分散性。

另一种状态是胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状的凝胶状态。

胶体凝聚性：当加入电解质时，胶体的电动电位降低趋近于零，扩散层的厚度降低进而消失，使胶体相聚成团，此时由溶胶转变为凝胶，这种作用称胶体的凝聚性。胶体的凝聚作用有助于土壤结构的形成。

影响胶体分散与凝聚的因素主要有：

H + ，产生质子化，使这类胶体表面带正电荷。）

可变电荷。

可变电荷：表面分子解离、断键、胶体表面从介质中吸附离子所产生的电荷，由于电荷的数量和性质随介质 pH 而改变，称可变电荷。

土壤胶体的分散性和凝聚性

土壤胶体有两种不同的状态，一种是胶体微粒均匀分散在土壤溶液中，由于胶粒有一定的电动电位，有一定厚度的扩散层相隔，而使之均匀分散称溶胶态，这种现象称土壤胶体的分散性。

另一种状态是胶体微粒彼此联结凝聚在一起而呈絮状的凝胶状态。

胶体凝聚性：当加入电解质时，胶体的电动电位降低趋近于零，扩散层的厚度降低进而消失，使胶体相聚成团，此时由溶胶转变为凝胶，这种作用称胶体的凝聚性。胶体的凝聚作用有助于土壤结构的形成。

影响胶体分散与凝聚的因素主要有：

① 电解质的种类

不同的电解质使胶体呈现不同的电动电位，其规律是一价离子 > 二价离子 > 三价离子。

电解质的浓度

增加电解质浓度，可降低电动电位，使扩散层变薄，有利于转化为凝胶（胶体的凝聚），如烂泥田排水以增加电解质浓度，有利于土壤胶体的凝聚作用。

6.3 土壤的吸附保肥作用

学时分配： 75 分钟

教法： 课堂教学与多媒体结合

内容：

一、 土壤的吸附性能的一般概念

1 ． 土壤吸附

土壤是一个多孔体，同时在土壤表面具有大的表面能及电荷，是土壤具有明显的吸附性能，表现在土壤颗粒表面具有能够吸附阴阳离子、气体、液体等物质的能力，称土壤的吸附性能。土壤由于具有吸附性能，是土壤起到 “ 库 ” 的作用，避免了土壤养分的淋失，从而达到保蓄养分的能力，这对于植物营养、土壤肥力以及污染土壤的自净能力等方面起极其重要的作用。

2 ． 土壤吸附的类型

是土壤胶粒带有电荷借静电引力从溶液中吸附带异号电荷的离子或极性分子。土壤固相从溶液中吸附离子的同时，也伴随着固相表面上交换离子的解吸。

是非静电因素引起的土壤对离子的吸附作用。它是指离子通过表面交换与晶体的阳离子共用 1 个或 2 个氧原子，形成共价键而被土壤吸附的现象。

是指土粒表面的离子或分子浓度低于整体溶液中该离子或分子的浓度的现象。

二、土壤阳离子吸附与交换作用

1 ． 阳离子的静电吸附

带有负电荷的土壤胶体具有吸附多种带正点荷的阳离子的能力，被吸附的阳离子处于胶体表面双电层扩散层中，成为扩散层中离子的组成部分。一般而言，土壤胶体表面带负电荷越多，吸附阳离子的数量也越多。土壤胶体表面的电荷密度越大，阳离子所带电荷越多，则离子吸附的越牢。

需的各种养分能够全面、充分、持续地供应，以保证作物的高产、优质，具体措施如下：

1 ． 合理施肥，提高供肥性能

合理施肥是调节和改善土壤养分供应状况，改良和培肥土壤，保证作物丰产的基本条件。因此，建立有机肥料为基础，有机无机相结合，并配合各种肥料的施肥体系，对土壤供肥性和保肥性的调节均是有意义的。

2 ．合理耕作和灌溉，促进养分的转化供应

① 精耕细作，疏松耕层，以耕促肥

深耕可以疏松土壤，促进微生物的活性，加速土壤矿物质养分的风化释放和有机物质的分解转化，提高土壤有效养分质量分数。

② 合理灌排，调节水、热、气状态，达到以水促肥的目的

土壤适应的水分含量，可以加速矿质养分的溶解、水解及氧化作用，及有机质的矿化作用，从而提高土壤肥力。一般要求控制土壤含水量如田间持水量的 60-80% ，水、气、热状况较好，对养分的释放和根系吸收养分有利。

3 ．用养结合，进行合理的轮、间、套作

不同的作物由于其生物学特性有较大差异，对于营养物质的种类和数量的需求也不相同。长期连种一种作物，必然会引起土壤中某种养分的过度消耗。

4 ．消除有害物质，改善养分的供应状况

土壤中有害物质的存在，会降低土壤微生物的活性并影响到土壤养分的转化及作物对养分的吸收，消除土壤有害物质以及改善植物生长环境，对养分的调节起重要的作用。

具体包括：消除酸害和碱害 ； 消除盐害；消除还原性物质毒害；消除污染的毒害。

6.5 影响 土壤的供肥性的化学条件

学时分配： 75 分钟

教法： 课堂讲授

一、 土壤溶液的组成和浓度

1 ．土壤溶液的组成

土壤溶液中物质的形态多种多样，包括无机物、有机物、胶体物质。无机物包括 Ca 、 Mg 、 K 、 Na 、 NH 4 + 等各种盐类。

有机物主要包括可溶性蛋白、糖类、氨基酸、腐殖质和它们的盐类，胶体物质（一般质量分数不多），主要是硅酸、铁、铝的氢氧化物和一些有机化合物。

2 ．土壤溶液的浓度

土壤溶液是非常稀薄的不饱和溶液，其浓度随土壤类型、土体深度、水、气、热状况及外界施肥、耕作合理措施不同而异。一般正常的土壤溶液中总浓度 200-1000 mg.kg -1 ，即很少超过 0.1% （相应的渗透压也小于一个大气压），可保证植物对养分的正常吸收。

3 ． 土壤溶液组成、浓度与养分的有效性

土壤溶液的组成和浓度与养分的有效性密切相关。在一定（低）浓度范围内，土壤养分离子的有效性，随溶液浓度的增高而加大；在浓度较高时，随浓度增高而减少；此外，土壤溶液组成不同，也会影响有关离子的有效性。如铁铝等物质质量分数过高时，会增加磷的固定，降低其有效性。

二、土壤酸碱反应

土壤酸碱性既是土壤溶液的性质，又与固相与气相密切相关，当土壤溶液中 [H + ] 大于 [OH - ] 时，呈酸性反应；反之， [OH - ] 离子占优势时，呈碱性反应；而 [H + ] 与 [OH - ] 相等时，呈中性反应。

1 ． 土壤酸性反应

①活性酸

土壤活性酸是由土壤溶液中游离的 [H+] 所表现出的酸度。

我国土壤的酸碱度绝大多数 pH 为 5-8.5 之间，北纬 33 o C 以北，大部分土壤呈中型至碱性反应；在 33 o C 以南，土壤多酸性至强酸性。

② 土壤潜性酸是由于土壤胶体上吸附的 H + 和 Al 3+ 所引起的酸度。这些离子呈吸附态是不表明酸性，当它们从胶体上解离或被其他阳离子所交换而转移到溶液中后，才表现出来；而吸附性 Al 3+ 被解析到溶液中后，通过水解作用产生 H + 而导致酸性。

分为交换性酸和水解性酸。

2 ．土壤碱性反应

① 土壤碱性的来源

除了用平衡溶液的 pH 值表示以外，还可用土壤中碱性盐类特别是 Na 2 CO 3 和 NaHCO 3 来表示。碱性土壤中氢氧离子的来源主要是弱酸强碱盐水解的结果。土壤中常见的弱酸强碱盐有磷酸根及重磷酸根的钾、钠、钙、镁盐。

②碱性的表示方法

土壤碱性可用 pH 值来表示，土壤中的 pH 值越大，碱性越强，另外，总碱度和碱化度可用来表示碱性的强弱。也可以用总碱度和碱化度表示。

3 ． 影响土壤酸碱性的因素

①气候

高温多雨易引起岩石的风化作用，土壤中盐基离子的淋溶作用较强，盐基离子容易淋失形成酸性土壤。

② 地形

在同一气候带的微域内，地形高的土壤（处于高坡地形部位的土壤）淋溶作用较强，其 pH 值较地形地的部分低。

③母质

在其他成土因素相同的条件下，酸性的母盐（如花岗岩流纹岩等）常较碱性母盐（如石灰岩大理盐）所形成的土壤有较低的 pH 值。

④植被

不同植被因其成分有差异而对土壤酸碱度产生不同的影响，如针叶林灰分组成中的盐基成分常较阔叶林少，因此针叶林下发育的土壤酸性较强。

⑤ 人类活动

施肥对耕作土壤的酸碱度的影响很大。如酸性土壤可施用石灰、草木灰等碱性肥料以中和土壤酸度。

⑥盐基饱和度

在一定的范围内，土壤的 pH 值随盐基饱和度的增加而增高。

⑦ 氧化还原条件

如水稻土淹水后 pH 有显著的变化 ， 酸性土壤 pH 升高 ， 而碱性土壤 pH 下降 。

4 ． 土壤酸碱性对土壤养分和作物生长的影响

① 土壤酸碱性和土壤养分

土壤中的有机态养分要经过微生物参与活动，才能转化为速效养分以供植物吸收，而适合大多数微生物生长发育的土壤酸碱度微弱酸性至弱碱性，因此土壤养分的有效性一般以 pH6-8 的范围内有效性最高。

② 土壤酸碱性与作物生长的影响

不同作物，由于其生物学特性有差异，对土壤 pH 值的要求也不同，当对大多数植物而言，以 pH 为 6.0-7.5 。

5 ． 土壤酸碱反应的调节

对于不适应作物生长的过酸或过碱的土壤，应该因地制宜采用适当的措施进行调节，使其适应高产作物发育的要求。酸性土通常用石灰进行改良；草木灰可以作为钾肥来施用，同时有可起到中和土壤酸性的作用；对于碱性土壤，可用石膏、硫磺或明矾（硫酸铝钾）来改良。

三、土壤的缓冲性

1 ．土壤的缓冲作用及其重要性

土壤的缓冲性（缓冲作用）是指将酸或酸性盐，碱或碱性盐施入土壤后，在一定限度内土壤具有抵抗这些物质改变土壤酸碱反应的能力。

重要性：由于土壤具有缓冲性，使它可以稳定土壤溶液的反应，使土壤的酸碱变化保持在一定的范围内。如果土壤没有这种特性，那麽微生物和根的呼吸，施用肥料，有机物质的分解等过程均会引起土壤反应的剧烈变化，同时也会引起养分形态的改变而影响养分的有效性，使作物难以适应变化了的环境。

2 ． 土壤缓冲作用的机制

土壤胶体的阳离子交换作用是土壤具有缓冲性能的主要原因。这种作用是通过阳离子的交换作用来实现的。当增加土壤溶液中 [H + ] 浓度时，胶体表面的交换性盐基离子与溶液中的 H + 交换，使溶液中 H + 的浓度基本上无变化或变化很小。

土壤溶液中弱酸及其盐类的存在也是土壤具有缓冲性能的原因。

土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖质及其它有机酸及其盐类构成一个良好的缓冲体系，所以对酸碱具有缓冲作用。

3 ．土壤中两性物质的存在

土壤中存在的两性物质包括蛋白质、氨基酸、胡敏酸（有机磷酸）等，这些物质对酸碱均具有缓冲能力，如氨基酸的氨基可以中和酸、羧基可以中和碱。

四、土壤氧化还原反应

土壤中存在着一系列参与氧化还原反映的物质，并不断地进行着包括化学的和生物化学的复杂的氧化还原反应。这些过程对土壤的肥力和植物生长带来深刻的影响，是土壤溶液中一种重要的化学性质。

1 ．土壤的氧化还原电位体系

氧化还原反应中氧化剂（电子供体）和还原剂（电子受体）构成了氧化还原体系。土壤中能够产生氧化还原的物质很多，存在有多种氧化还原体系。如土壤中的氧化剂有 O 2 、 NO 3 - 、 Fe 3+ 、 Mn 4+ （ MnO 2 ）、 SO 4 2- 等，依次作为电子受体被还原。

土壤中的还原剂主要包括有机物质，尤其是新鲜的未分解的有机物质，包括有机酸、酚类、醛类和糖类等化合物。它们在适应的温度、湿度、 pH 条件下具有较强的还原能力。

2 ．土壤氧化还原电位

土壤中氧化物质和还原物质的相对比例，决定着土壤的氧化还原状况。当土壤中某一氧化物质转变为还原态物质时，土壤溶液中的氧化态物质的浓度减少，而还原态物质的浓度增加，随着这种浓度的变化，溶液的电位也就相应的发生改变。这种由于氧化态物质和还原态物质的浓度关系而产生的电位称为氧化还原电位（ Eh 。单位为 V （伏）和 mV （毫伏）。所以氧化还原电位可以作为土壤通气的指标。

3 ． 氧化还原电位与土壤养分的有效性和作物生长的关系

作物所需的矿质养分有些需要是呈氧化态是才能被植物吸收。如磷以 H 2 PO 4 - 或 HPO 4 - 形态被吸收，硫以 SO 4 2- 形态被吸收。有效养分则需要还原态才能被吸收，如铁、锰分别以 Fe 2+ 、 Mn 2+ 形态被吸收。而对于氮素而言，无论氧化态（ NO 3 - ）或还原态 NH 4 + 都能被植物吸收，然而旱地以 NO 3 -N 为主，水地以 NH 4 + 为主。所以氧化还原电位的高低

能影响到各种变价养分元素的有效性，过高或过低均会影响到作物的生长。

4 ．影响土壤氧化还原电位的因素

① 土壤的通气性

土壤通气状态直接确定了土壤中氧的浓度，在通气良好的土壤中土壤与大气间气体交换迅速，使得土壤中氧浓度较高， En 值高。在排水不良的土壤中，通气空隙减少，使得大气与土壤交换缓慢， O 2 的浓度降低，再加上微生物消耗氧， Eh 下降，所以同一土壤， Eh 可以作为土壤通气状况的相对指标。

② 土壤中易分解的有机质

土壤中许多易分解的有机质可作为微生物需要的养分和能量的来源。在嫌气分解的过程中，微生物夺取有机质中所含的氧，形成多种还原性的物质，所以在淹水条件下，施用新鲜的有机肥料，使土壤的 En 值急剧下降，这种现象在保肥田旱稻苗期经常发生。

③土壤中易氧化物质或易还原物质

土壤中易氧化的物质如 Fe 2+ 、 Mn 2+ 等含量多，说明该土壤具有较强的还原性，并且抗氧化能力也强；反之，易还原物质如 Fe 3+ 、 Mn 4+ 较多时，抗还原能力也大。含铁、锰较多的土壤，灌水后 Eh 不易迅速下降，其原因是具有这种 “ 缓冲能力 ” 。

④ 植物根系的代谢作用

植物根系在其生命活动中，能分泌有机酸物质，降低根际 pH 值，对于一般旱地植物，根际土壤 En 较根外低数十 mv ，而水稻根系能分泌氧，使根际土壤 En 值较根外（非根际土壤）为高。

本章小结 ：

1. 土壤胶体的性质；保肥性和供肥性的调节（掌握）

2. 土壤的吸附保肥作用（掌握）

3 ． 掌握影响土壤供肥性的条件