表面电荷surface chrge

土壤矿质胶粒表面因晶体结构缺陷和表面的不完整而带电荷。表面电荷因发生机理不同，而可分为永久电荷和可变电荷(见永久电荷、可变电荷)。2:1型粘土矿物大部分是永久负电荷，可变电荷只占总电荷量的5%～10%，而1:1型粘土矿物则可占总电荷量的50%以上。赤铁矿、针铁矿和三水铝石不存在永久负电荷(表1)。土壤是一个既有永久电荷，又有可变电荷的混合体系，寒温带土壤的粘土矿物以2:1层状硅酸盐为主，胶体表面主要是硅氧烷型表面，表面电荷以永久负电荷为主。热带、亚热带土壤富含铁铝氧化物和高岭石，胶体表面主要是水合氧化物型表面，表面电荷以可变电荷为主。

表1 土壤矿物成分的电荷分配

矿 物	负电荷(cmol(+)/kg)			电荷分配(占总负电荷的%)
	永久负电荷	可变负电荷	总负电荷	永久负电荷	可变负电荷
蒙脱石 蛭石 水化云母 埃洛石 高岭石 水铝英石 三水铝石 针铁矿 赤铁矿	112.0 85.0 11.5 5.5 1.1 10.3 0 0 0	6.0 0 7.7 12.3 3.3 40.7 5.5 4.1 2.7	118.0 85.0 19.2 17.8 4.4 51.0 5.5 4.1 2.7	95 100 60 31 25 20 0 0 0	5 0 40 69 75 80 100 100 100

电荷数量及其影响因素 土壤电荷的数量一般用每千克土的厘摩来表示。各种土壤的电荷数量相差较大，可达几倍到十倍以上。
土壤胶体组成分 影响土壤电荷数量的主要因素。❶粘土矿物类型的不同使其带有的负电荷量有很大的差异。表1仅为一例。实际上，蒙脱石所带负电荷变动在每千克80～150厘摩(+)之间，蛭石在每千克100～150厘摩(+)之间，绿泥石和高岭石分别在每千克10～40和3～15厘摩(+)之间变动。含大量蒙脱石的黑土和栗钙土的胶体其负电荷一般在每千克40～60厘摩(+)，某些以蒙脱石为主要粘土矿物的暗栗钙土胶体可高达90厘摩(+)/千克。以水化云母为主要粘土矿物的棕钙土和灰钙土胶体负电荷多为35～40厘摩(+)/千克，以水化云母为主伴有一定量蛭石的褐土胶体在45～60厘摩(+)/千克之间，以水化云母为主伴有高岭石的黄棕壤胶体其负电荷在40厘摩左右。华中地区红壤胶体粘土矿物主要为高岭石和水化云母，其负电荷在15～25厘摩之间。华南的赤红壤胶体以高岭石为主，伴有水化云母，其负电荷多在10～20厘摩之间。热带砖红壤胶体中高岭石占绝对优势，其负电荷量多在10厘摩以下。
❷腐殖质带有大量负电荷，在200～500厘摩(+)/千克之间，一般为200厘摩(+)/千克左右。例如，黑钙土和栗钙土中胡敏酸的负电荷为410～440厘摩(+)/千克。除了某些腐殖质土壤的胶体，其腐殖质对胶体负电荷的贡献可能超过粘土矿物外，因一般土壤的腐殖质多在30克/千克以下，土壤胶体主体是粘土矿物，它对土壤胶体负电荷的贡献大于有机质，如中国水稻土有机部分的负电荷平均约占土壤负电荷总量的20%。
❸在酸性条件下土壤的游离氧化铁带有正电荷，它是土壤可变正电荷的主要来源，其贡献因土壤而异。中国几种红壤胶体的游离氧化铁对正电荷的贡献在pH3时为每克Fe₂O₃ 0.15～0.25毫摩。如玄武岩发育的砖红壤胶体约为0.22毫摩。在高pH情况下，游离氧化铁也可产生负电荷。
粒径 不同粒径部分的负电荷数量决定于其矿物组成和腐殖质含量，它们对土壤负电荷的贡献大小则与该粒径部分的含量有关。大部分中国水稻土的负电荷的80%以上集中在粒径小于2微米的粘粒部分(表2)。
pH ❶对永久负电荷量没有影响，主要影响可变负电荷量，随pH升高可变负电荷量增加。如第四纪红色粘土发育的红壤胶体，在pH低于5时约有16厘摩(+)/千克的永久负电荷，pH升高到7.7时产生约7厘摩(+)/千克可变负电荷；玄武岩发育的砖红壤胶

表2 不同母质发育的水稻土的不同粒径部分的负电荷量

地 点	成 土 母 质	负电荷cmol(+)/kg
		<2微米	2～10微米	10～20微米	20～100微米
广西宜山 广西南宁 广西南宁 云南曲靖 云南曲靖 湖南长沙 浙江义乌 福建漳州 福建海澄 福建海澄	石灰岩（底土） 第四纪红土（表土） 第四纪红土（底土） 紫色土（表土） 紫色土（底土） 第四纪红土（潜育层） 第四纪红土（潜育层） 红壤（底土） 冲积物（表土） 冲积物（底土）	16.6 18.4 15.8 23.2 26.6 18.3 19.9 16.0 26.6 23.2	6.3 2.4 3.4 5.6 5.3 痕迹 痕迹 6.1 3.2 3.4	3.9 1.3 2.9 5.4 4.6 痕迹 痕迹 2.9 3.2 1.9	1.4 1.4 1.7 4.5 5.5 痕迹 痕迹 1.4 4.1 3.6

体永久负电荷在3厘摩(+)/千克左右，而pH7时可变负电荷量已超过永久负电荷量。
❷土壤的正电荷量随pH降低而增加。上述红壤和砖红壤胶体在pH2.5左右时，正电荷量分别为每千克4.5和5.5厘摩，pH上升到7.0左右时，红壤胶体已不带正电荷，而砖红壤也只剩下1厘摩的正电荷。
阴离子的专性吸附 土壤胶体表面吸附磷酸根、硫酸根和硅酸根等含氧酸根后，可使表面负电荷增加。
特点 土壤电荷的特点是非加和性。土壤中的有机部分和矿质部分并不是机械混合存在的。大部分通过各种键力结合在一起，如范德华力、氢键、离子键、配位键和共价键等。这种结合对土壤胶体的电荷有明显的影响，其中一个重要表现是： 土壤的有机矿质复合体的负电荷数量小于有机部分和矿质部分各自负电荷数量的总和，这样就出现了土壤电荷的非加和现象。非加和性是土壤胶体组成分之间相互作用的结果。常把土壤腐殖质的“表观负电荷”（由去除腐殖质前后土壤的负电荷量之差除以除去的腐殖质量计算而得）作为这种非加和性的一个粗略指标。例如中国红壤类腐殖质的表观负电荷量多在80～120厘摩(+)/千克之间，而黄棕壤的腐殖质则为250厘摩左右，这说明红壤的矿质部分与有机质组成复合体后，其负电荷总量较矿质部分与有机质各自数量之和为低，表现为明显的非加和性。
表面电荷的测定 一般用离子吸附平衡法来测定土壤的正电荷、负电荷和净电荷。最常用的是斯科菲尔德(R.K.Schofield)的NH4Cl法。使用给定pH的0.2摩/升NH₄Cl溶液饱和土壤，土壤中的负电荷即为NH4+离子所补偿，正电荷为Cl-离子所占。接着用0.5摩/升KNO₃溶液进行提取，测定提取液中被洗代下来的NH4+和Cl-离子。从土壤对NH4+和Cl-离子的吸附量，可计算出给定pH条件下土壤的正电荷、负电荷和净电荷量。