土壤膠體

膠體是指直徑在1—100nm之間的顆粒，但是實際上土壤中直徑<1000 nm的粘性顆粒都具有膠體的性質，所以通常所說的土壤膠體實際上是指直徑在1—1000 nm之間的土壤顆粒，它是土壤中最細微的部分，表現出強烈的膠體的特徵。

基本介紹

• 中文名：土壤膠體
• 外文名：soil colloid
• 直徑：1—100nm之間
• 類型：顆粒
• 種類：無機膠體、有機膠體、複合膠體
• 學科：土壤學
• 特性：帶電性、凝聚和分散作用

主要分類

土壤膠體一般可分為無機膠體、有機膠體、有機—無機複合膠體。下面我們介紹這三類膠體。

黏土礦物

土壤無機膠體主要指土壤黏土礦物，它包括次生的鋁矽酸鹽黏土礦物和氧化物，前者是晶體結構，後者一般呈非晶體結構，其中次生鋁矽酸鹽黏土礦物是組成土壤無機膠體的主要成分。

（一）層狀矽酸鹽類礦物

層狀矽酸鹽類礦物，從外部形態上看是極細微的結晶顆粒，從內部構造上看，都是由兩種基本結構單位矽氧四面體和鋁氧八面體所構成，並且都含有結晶水只是化學成分和水化程度不同而已。

（二）土壤氧化物

土壤中的氧化物類礦物又稱為非矽酸鹽黏土礦物。土壤中的氧化物主要是鐵、鋁、錳、矽等氧化物及其水合氧化物類。土壤氧化物有的是晶型礦物，如三水鋁石、水鋁石、針鐵礦、赤鐵礦、a-石英等。非晶型的氧化物如蛋白石、水鋁英石等。土壤氧化物的表面積較大，表面活性高，其電荷數量隨土壤酸鹼度而變化，對土壤的理化性質影響很大，尤其在南方的紅色土壤中對土壤養分、重金屬元素的形態、活性、遷移和有效性有重大的影響。這些礦物都是在高溫多濕條件下形成的，南方土壤呈紅色主要是由於土壤中赤鐵礦染色的結果。

腐殖質

腐殖質是土壤有機物質在微生物的作用下形成的一類結構複雜、性質穩定的特殊性質的高分子化合物。這類化合物都具有三種基本成分，即芳核結構、含N有機化合物及復環形式碳水化合物，其特殊性在於其主體不同於生物體中已知的高分子有機化合物。它是一種經微生物作用重新合成的棕褐色富有小孔隙的膠體物質，這些特殊的物質在形成過程中，往往和微生物本身及其代謝。產物結合得很緊密，以致難以完全分離。它是土壤有機質的主體，一般占土壤有機質的60%～80%。土壤腐殖質分子質量大，結構複雜，性質穩定，具有明顯的膠體性質。土壤腐殖質是非晶態物質，它具有高度的親水性，最高可達自身重量的500%。

複合膠體

土壤中無機膠體和有機膠體往往很少單獨存在，而是相互聯結在一起的。有機膠體與礦質膠體通過表面分子縮聚、陽離子橋接及氫鍵合等作用聯結在一起的複合體稱為土壤有機一無機複合體。通常把土壤有機一無機複合體中的有機碳數量占土壤全碳的百分比稱為複合度。一般有50%～90%的有機質與無機膠體複合在一起。土壤中的黏土礦物有巨大的表面積，而腐殖質的性質也十分活躍，二者之間可以通過范德華力、氫鍵、靜電引力、陽離子鍵橋、水膜等方式結合起來。但有機無機複合體的形成機制十分複雜，主要取決於土壤腐殖質類型、黏土礦物類型、膠體表面的離子組成、表面酸度、含水量等。

土壤有機-無機複合體的形成過程十分複雜。通常認為范德華力、氫鍵、靜電引力、陽離子鍵橋等是土壤有機一無機複合體鍵合的主要機理，複合體形成過程中可能同時有兩種或多種機理起作用。

基本特性

土壤膠體的比表面和表面能

土壤膠體的表面按位置可分為：

外表面：粘土礦物、Fe、Al、Si等氧化物、腐殖質分子暴露在外的表面。

內表面：主要指的是層狀矽酸鹽礦物晶層之間的表面以及腐殖質分子聚集體內部的表面。

比表面：單位重量或單位體積物體的總表面積，很顯然顆粒越小，比表面越大，從P72頁的表3—4可以看出，砂粒與粗粉粒的比表面相對於粘粒來講很小，可以忽略不計，所以土壤的比表面實際上主要取決於粘粒。另外土粒的表面凸凹不平，並非光滑的球體，它的比表面比光滑的球體要大，而且粉粒和粘粒大多呈片狀比表面更大。

另外有些無機膠體（比如蒙脫石類粘土礦物）除了有巨大的外表面，而且表面可向晶層之間擴展，還有巨大的內表面。

有機膠體除了有巨大的外表面，同樣也有巨大的內表面。所以有機膠體同樣有巨大的比表面。比如腐殖質分子比表面可高達1000㎡/g。

由於土壤膠體有巨大的比表面，所以會產生巨大的表面能，我們知道物體內部的分子周圍是與它相同的分子，所以在各個方向上受的分子引力相等而相互抵消。而表面分子則不同，它與外界的氣體或液體接觸，在內外兩面受到的是不同的分子引力，不能相互抵消，所以具有剩餘的分子引力，由此而產生表面能，這種表面能可以做功，吸附外界分子，膠體數量越多，比表面越大，表面能也越大，吸附能力也愈強。

土壤膠體的帶電性

土壤膠體的種類不同，產生電荷的機制也不同，根據土壤膠體電荷產生的機制，一般可分為永久電荷和可變電荷。

（一）永久電荷：這是由於粘土礦物晶格中的同晶置換所產生的電荷，我們前面介紹過，粘土礦物的結構單位是矽氧四面體和鋁氧八面體，矽氧四面體的中心離子Si4+和鋁氧八面體的中心離子Al3+能被其它離子所代替，從而使粘土礦物帶上電荷。如果中心離子被低價陽離子所代替，粘土礦物帶負電荷；如果中心離子被高價陽離子所代替，粘土礦物帶正電荷。多數情況下是粘土礦物的中心離子被低價陽離子所取代：比如Al3+→Si4+，Mg2+→Al3+，所以粘土礦物以帶負電荷為主，由於同晶置換一般發生在粘土礦物的結晶過程中，存在於晶格的內部，這種電荷一旦形成就不會受到外界環境（pH、電解質濃度）的影響，稱永久電荷。

（二）土壤中有些電荷不是永久不變的，這些電荷的數量和性質會隨著介質pH的改變而改變稱為可變電荷，可變電荷是因為土壤膠體向土壤中釋放離子或吸附離子而產生。

土壤膠體的凝集作用和分散作用

土壤膠體有兩種不同的狀態，一種是土壤膠體微粒均勻地分散在水中，呈高度分散的溶膠，一種是膠體微粒彼此凝集在一起呈絮狀的凝膠。

土壤膠體受某些因素的影響，使膠體微粒下沉，由溶膠變成凝膠的過程稱土壤膠體的凝集作用，反之，由凝膠分散成溶膠的過程稱膠體的分散作用。

土壤膠體是凝集還是分散主要取決於電動電位：通常土壤膠體是帶負電荷的，土壤膠體之間帶有負的電動電位，是相互排斥的，這種負電動電位越高，排斥力越強，越能成為穩定的溶膠，但當這種負電動電位降低到土壤膠體之間分子引力大於靜電排斥力時，膠體就會相互凝集形成凝膠。

比如向溶液中加入多價離子就能降低負電動電位促使膠體凝集。

凝集力：Fe3+ >Al3+>Ca2+> Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+

在土壤中土壤膠體處在凝膠狀態時，有利於水穩性團粒的形成，有利於改善土壤結構，所以向土壤中施用石灰能促進膠體凝集，有利於水穩性團粒的形成，對改良土壤結構有良好作用。當土壤膠體處在溶膠狀態時，會使土壤粘結性、粘著性、可塑性增加，降低宜耕期，降低耕作質量。