全 文 ：中国生态农业学报 2012年 7月 第 20卷 第 7期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2012, 20(7): 850−854


* 国家科技支撑计划项目(2007BAD89B06, 2012BAD14B05)、现代农业(肉牛)产业技术体系专项经费(CARS-38)和吉林省科技厅项目
(20060212)资助
** 通讯作者: 吴景贵(1965—), 男, 博士, 教授, 主要从事土壤环境优化与农业废弃物资源化研究。E-mail: jgwu68@sohu.com
李建明(1986—), 男, 硕士研究生, 主要从事农业废弃物资源化与土壤培肥方面研究。E-mail: ljmok1986@163.com
收稿日期: 2011-11-28 接受日期: 2012-03-07
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00850
不同有机物料对黑土及其复合胶体比表面积
和电荷性质的影响*
李建明 吴景贵**
(吉林农业大学资源与环境学院 长春 130118)
摘 要 通过盆栽试验研究了施用动物粪便、动物残体、草本残体、木本残体 4 种不同有机物料对黑土胶体
及黑土阳离子交换量(CEC)的影响。结果表明: 不同来源有机物料对黑土胶体及黑土 CEC 的影响存在差异。
与 CK相比, 动物粪便处理下黑土胶体比表面降低 7.33%, 而动物残体处理下提高了 59.58%, 木本残体提高了
57.46%, 草本残体提高了 100.18%。pH<6时, 各处理土壤胶体表面可变电荷量(Q表面)的曲线大致相似; 在 pH>6
时, 各有机处理土壤胶体样的表面电荷(Q 样)均高于CK, 并且动物粪便与木本残体的Q 表面曲线相似且数值较高,
CK 与动物残体 Q表面的曲线大致相同且数值较低。在 pH 为 8~10 时, 各处理 Q样由大到小依次为: 动物粪便>
木本残体>动物残体>草本残体>CK, 动物粪便土壤胶体参比的表面电荷(Q参)与动物残体Q 参的曲线大致相同并
且数值较高, CK 与草本残体 Q参曲线相似且数值较低。不同来源有机物料对黑土 CEC 的影响也有所不同, 动
物粪便、动物残体、木本残体显著提高黑土 CEC, 而草本残体作用不明显。
关键词 有机物料 黑土 比表面 土壤胶体特性 可变电荷 阳离子交换量(CEC)
中图分类号: S153.3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)07-0850-05
Effect of different organic materials on specific surface area
and charge property of black soil colloid
LI Jian-Ming, WU Jing-Gui
(College of Resources and Environment Sciences, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)
Abstract Soil colloidal particles have high specific surface area and numerous reaction sites, which modify soil aggregate
structures, contribute to soil-water erosion and are crucial for soil integrity. The principal scope of the wide use of organic
amendments of various origins and natures in modern agriculture was to increase and/or restore organic matter contents in
organically poor or depleted soils. This is needed to maintain and/or increase crop production and reduce soil exposure to degradation,
erosion, desertification and pollution. Such amended soils could, however, be affected in different ways and at various degrees
depending on the nature, origin and rate of amendments. Thus in this paper, a pot experiment was conducted to determine the effects
of different organic materials on the colloidal properties and cation exchange capacity (CEC) of black soils. The results showed that
colloidal properties and CEC of black soils varied with different organic materials. Compared with control treatment (CK), animal
excrement decreased soil colloidal specific surface area (SSA) by 7.33%. The treatments of animal remnants, woody residues and
herb residues increased soil colloidal SSA by 59.58%, 57.46% and 100.18%, respectively. At pH<6, similar surface negative charge
load (Qv)-pH curves were noted in all the treatments. Application of organic materials resulted in higher contents of sample Qv (Qvs)
than in CK at pH>6. Furthermore, Qv-pH curve of animal excrement treatment was similar to that of woody residues treatment. Also
Qv contents of animal excrement and woody residues treatments were higher than that of CK and animal remnant, while animal
remnant treatment Qv-pH curve was similar to that of CK. At pH 8~10, the order of Qvs content was animal excrement > woody
residues > animal remnant > herb residues > CK. Whereas animal remnant and excrement reference fluid Qv (Qvr)-pH curves were
第 7期 李建明等: 不同有机物料对黑土及其复合胶体比表面积和电荷性质的影响 851


similar, their Qvr contents were higher than that of CK and herb residues, Qvr-pH curve of CK was similar to that of herb residues
treatment. The effects of different organic materials on CEC of black soils were also different. Animal excrement, animal remnant
and woody residues significantly increased black soil CEC, while herb residues showed less effects.
Key words Organic material, Black soil, Specific surface area, Soil colloidal property, Variable charge, Cation exchange
capacity (CEC)
(Received Nov. 28, 2011; accepted Mar. 7, 2012)
土壤比表面是许多土壤过程的重要参数, 土壤离
子交换、化学元素的保持等都与比表面密切相关[1−3],
土壤有机质的周转及其稳定性同样也受到比表面的
重要影响[4]。土壤表面电荷可以显著影响阳离子和
阴离子在固/液相间的分配, 是控制微量元素移动性
和生物有效性的重要土壤性质之一[5−6]。土壤胶体是
土壤中最细小且最活跃的部分, 与其他粒径组分相
比具有较大的比表面积和丰富的表面电荷[7−8]。土壤
胶体与土壤溶液交界处形成的微界面是土壤中最活
跃的点位, 对土壤中污染物的迁移、转化、降解及
其生态环境效应起决定性作用 [9−11], 而各种胶体颗
粒相互作用的速度和方式可能控制了团粒结构的形
成与稳定[12], 进而在很大程度上决定了土壤肥力的
高低、土壤抗侵蚀能力的强弱和有害物质的传播速
率等宏观效应[13]。阳离子交换量(CEC)是土壤的基本
特性和重要肥力影响因素之一, 可直接反映土壤保
蓄、供应和缓冲阳离子养分(K+、NH4+等)的能力, 傅
积平等[14]、刘忠翰等[15]研究表明, 土壤有机无机复
合胶体性质对土壤 CEC有一定贡献。有机物料是农
业生产中重要的物质基础, 是农业生产中的重要肥
源, 有机物料的施用将对土壤性质产生重要影响。
然而目前国内外有关施用有机物料对土壤胶体性质
影响的研究较少, 为此本文通过盆栽试验, 研究不
同来源有机物料施用 5年后对黑土胶体性质的影响,
其研究结果将对有机物料的高效利用、土壤化学方
面的研究、农业及环境可持续发展有着深远意义。
1 材料与方法
1.1 供试土壤
试验地选择在吉林农业大学试验站。供试土壤
为黑土, 采于吉林农业大学西南区。试验始于 2005
年。土壤基本性质为: 有机碳 26.7 g·kg−1、全氮 1.26
g·kg−1、全磷 1.07 g·kg−1、碱解氮 90.44 mg·kg−1、速
效磷 34.15 mg·kg−1、速效钾 92.50 mg·kg−1, pH 6.36。
1.2 盆栽试验设计
试验在吉林农业大学资源与环境学院培养试验
场网室中进行。试验用盆为高 40 cm, 平均直径 30
cm的塑料盆。将准备好的土壤和有机物料风干, 土
壤过 20 目筛, 有机物料粉碎过 20 目筛。然后测定
土壤和有机肥料的含水量。每盆施入相当于烘干土
14.5 kg的风干土。装盆时, 施入有机物料量(按烘干
重计)占烘干土重的 1.5%(只在第 1年施用)。各盆均
施入化肥, 其中尿素(含 N量 45.8%)10 g·盆−1, 过磷酸
钙(含 P2O5 14%)5 g·盆−1, 硫酸钾(K2O 50%)7 g·盆−1。试
验共设 5个处理, 即: (1)对照 CK; (2)草本残体; (3)
动物残体; (4)动物粪便; (5)木本残体。每个处理设 3
次重复, 共计 15盆。供试有机物料具体性质、盆土
的管理方法及种植植物情况见参考文献[16]。试验开
始后的第 5年采集土壤样品进行胶体性质测定。
1.3 分析方法
1.3.1 土壤胶体的制备
黑土胶体的分离与提取采用超声分散及虹吸
法。土样经风干后过 0.25 mm孔筛, 称取 40 g土样
于 400 mL烧杯中, 加 200 mL蒸馏水配成土水比为
1︰5 的悬液, 用探针型超声波处理器在 21.5 kHz、
300 mA下振动分散 20 min, 将分散的土样用蒸馏水
洗入 1 000 mL 烧杯, 加水配成水中含土壤约为 40
g·L−1 的悬液, 用多孔圆盘搅拌均匀后在 25 ℃恒温
条件下采用静水沉降虹吸法提取小于 0.2 μm的黑土
胶体, 反复提取至悬液清亮。将提取的黑土胶体加
氯化钙制成其钙质胶体, 磨细过 0.25 mm 孔筛, 装
瓶备用。
1.3.2 指标的测定
胶体比表面的测定采用乙二醇乙醚吸附法 [17],
可变电荷量的测定采用返电位滴定法[18], 土壤 CEC
的测定采用常规方法。
1.4 数据处理
数据经 Excel 2003整理后, 采用DPSv 7.05统计
软件进行相关分析和 Duncan 新复极差 5%水平的差
异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 添加有机物料对黑土胶体比表面的影响
不同有机物料对黑土胶体比表面的影响如图 1
所示。与 CK相比, 除动物粪便处理使胶体比表面降
低 7.33%外 , 其他有机物料处理均使比表面升高 ,
其中动物残体处理提高了 59.58%, 木本残体处理提
高了57.46%, 草本残体处理提高了 100.18%, 且各处
852 中国生态农业学报 2012 第 20卷




图 1 添加不同有机物料下黑土的胶体比表面
Fig. 1 Effects of different organic materials on the specific
surface area of black soil colloids
1: 对照 CK; 2: 草本残体 Herb residues; 3: 动物残体 Animal
remnant; 4: 动物粪便 Animal excrement; 5: 木本残体 Woody resi-
dues. 不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P<0.05) Different
small letters mean significant difference among different treatments at
0.05 level; 下同 The same below.

理之间差异显著。这可能是由于不同种类有机物料
对土壤有机质影响不同[19], 进而造成胶体比表面存
在显著差异。
2.2 添加有机物料对黑土胶体可变电荷的影响
图 2A 为不同有机物料对黑土胶体样品的表面
电荷(Q样)随 pH变化曲线的影响, 从中可看出用土壤
胶体悬液测定时, 各处理 Q样增加均较平稳, 无明显
拐点出现, 这与吴金明等[20]用返滴定法测定我国 7
个不同地带土壤无机胶体的 Q样随 pH变化曲线出现
拐点的结果不相吻合, 原因可能是本试验中各处理
胶体并未去除有机质而造成的。从图中还可看出
pH>5 时, 动物粪便处理 Q样始终高于其他处理, 在
pH>6 时, 各有机物料处理的 Q 样均高于 CK, 在 pH
为 8~10 时, 各处理 Q 样为: 动物粪便>木本残体>动
物残体>草本残体>CK, 这可能是由于不同有机物
料的有机质种类及数量不同引起的。
图 2B 为不同有机物料对黑土胶体参比液的表
面电荷 Q 参随 pH 变化曲线的影响, 从中可看出, 用
土壤胶体的离心液测定时, Q参的变化与图 1A有一定
不同, 这可能是由于离心时一些物质与固相分离留
在离心液内, 而在土壤无机胶体的悬液中, 这些物
质与固相组分混在一起[20]。从图中还可看出, 动物
粪便处理与动物残体处理 Q参的曲线大致相同, 并且
值较高, CK 与草本残体处理 Q参曲线相似且值降低,
而木本残体处理 Q参居中。
不同有机物料对黑土胶体表面负电荷量 Q表面随
pH变化曲线的影响见图 2C, Q表面是由各样品在图 2A
中的曲线与图 2B中的曲线相减而得[20]。由图 2C可
知, pH<6时各处理Q表面曲线大致相似, 在 pH>6时动
物粪便与木本残体的 Q 表面曲线相似且值较高, 草本
残体 Q表面居中, 而 CK 与动物残体 Q表面的曲线大致
相同且值较低 , 这主要是由于在给定的 pH 范围 ,
可变电荷(Qv)来源于土壤中的有机质、氧化物、黏
土矿物的边面断裂 [21], 其大小与有机质含量和矿
物的边面状态有关 , 王代长等 [22]研究表明不同处
理对有机质有不同影响, 因此对表面电荷也产生不
同影响。
2.3 添加有机物料对黑土阳离子交换量的影响
图 3 为不同来源有机物料对黑土阳离子交换量
(CEC)的影响。由图可知, 与 CK 相比, 施用动物粪
便、动物残体、木本残体可以显著提高黑土 CEC, 并
且表现为木本残体>动物粪便>动物残体, 草本残体
与对照之间差异不显著, 这可能是由于有机物料来
源不同造成的。贺纪正等 [23]分析鄂西山地土壤后,
认为有机质和无机组分对胶体阳离子交换量的相对
贡献分别为 31%和 69%。而不同有机物料对 CEC的
影响与胶体性质的影响有所不同 , 这可能是由于
CEC土壤阳离子交换量受上壤质地、黏土矿物类型、



图 2 不同有机物料对黑土胶体样品负电荷量 Q 样(A)、参比液负电荷量 Q 参(B)和表面负电荷量 Q 表面(C)随 pH 变化曲线
的影响
Fig. 2 Effects of different organic materials on sample Qv (Qvs)-pH curves (A), reference fluid Qv (Qvr)-pH curves (B) and surface
negative charge load (Qv)-pH curves (C) of black soil colloids

第 7期 李建明等: 不同有机物料对黑土及其复合胶体比表面积和电荷性质的影响 853




图 3 不同有机物料对黑土阳离子交换量的影响
Fig. 3 Effects of different organic materials on CEC in black soil

氧化物数量、土壤有机质含量及其与矿质部分相互
结合的形式等多种因素有关。而张水清等[24]对河南
3种土壤 CEC与土壤有机质、pH、黏粒含量、粉粒
含量和砂粒含量的关系研究表明, 对砂姜黑土和褐
土来说, 其 CEC与 pH和 0.02~2 mm砂粒含量呈显
著负相关, 褐土与黏粒含量呈显著正相关; 对于水
稻土来说, 其 CEC与有机质含量和黏粒含量呈显著
正相关, 与砂粒含量呈显著负相关。
3 讨论与结论
土壤胶体表面分为内表面和外表面两种。内表
面一般指膨胀性黏土矿物的晶层表面和腐殖质分子
聚集体内部的表面。外表面指黏土矿物、氧化物和
腐殖质分子暴露在外的表面。马毅杰[25]研究表明有
机质对胶体比表面有着重要影响。Burford等[26]根据
有机质对土壤比表面的影响 , 将有机质区分为 :
(1)“游离态”有机质 , 即相当于未腐殖化的有机质 ,
其具有一定量的表面积 , 将这部分有机质去除后 ,
土壤比表面降低; (2)“结合态”有机质, 存在于土壤
有机无机复合胶体中, 因为这部分腐殖质多以胶膜
形态包被于黏粒矿物表面, 能引起其本身和被包被
的黏粒矿物的表面积减小, 一旦用过氧化氢去除腐
殖质后, 通常其比表面增加。
本研究表明, 不同来源有机物料对黑土胶体比
表面的影响有明显差异。魏朝富等[27]研究指出紫色
水稻土有机无机复合胶体的比表面主要取决于复合
体中蒙脱石和蛙石的含量以及有机无机胶结物质在
黏粒矿物表面复合的状态。中性和石灰性紫色水稻
土复合胶体经 H2O2 去除有机质后, 比表面有所减
少。以上研究都表明土壤中有机质对于胶体比表面
有影响, 而以前的研究表明, 不同有机物料对黑土
腐殖质组成性质有不同影响 [28]。本试验结果表明 ,
与 CK 相比, 动物粪便处理使胶体比表面降低 7.33%,
而动物残体处理提高了 59.58%, 木本残体处理提高了
57.46%, 草本残体处理提高了 100.18%。这可能是因
为不同有机物料对土壤有机质组成性质产生不同影
响, 进而造成不同处理土壤胶体比表面存在差异。
土壤胶体表面电荷根据其产生的机制及载体的
不同, 可将区分为两大类: (1)永久电荷, 起源于黏
土矿物晶格中产生的同晶置换, 电荷密度不受溶液
pH和电解质离子种类和浓度制约, 也称为恒电荷或
结构电荷; (2)可变电荷, 又称 pH因变电荷, 起源于
表面羟基从介质中吸收介质或释出质子, 包括可变
负电荷和可变正电荷两种[29]。王昌全等[30]研究表明,
引起黄壤中可变负电荷变化的因素主要是腐殖质的
羧基和酚羟基的 H 离子的解离对负电荷的贡献, 而
红壤中可变电荷也与土壤有机质呈极显著相关性。
同样崔桂芳等 [31]研究也表明 , 棕壤去除有机质后 ,
土壤胶体表面正电荷量增加 , 可变负电荷量减少 ,
永久负电荷量增加。这可能是由于有机质带有大量
的可变负电荷, 掩蔽了一部分永久负电荷点位, 同
时中和了一部分土壤表面正电荷所致。因此, 不同
来源有机物料可通过对黑土有机质产生不同影响 ,
进而对黑土胶体可变电荷也产生不同影响。在 pH>6
时, 各有机处理Q样均高于 CK, 在 pH为 8~10时, 各
处理 Q 样由大到小依次为: 动物粪便>木本残体>动
物残体>草本残体>CK。动物粪便 Q参与动物残体 Q参
的曲线大致相同并且较高, CK 与草本残体 Q 参曲线
相似且降低, 而木本残体 Q参居中。Q表面曲线变化变
现为, pH<6时各处理大致相似, 在 pH>6时动物粪便
与木本残体的 Q 表面曲线相似且较高, 草本残体 Q 表面
居中, 而CK与动物残体 Q表面的曲线大致相同且较低。
由试验还可知, 不同来源有机物料对黑土 CEC
的影响也有所不同, 施用动物粪便、动物残体、木本
残体可以显著提高黑土 CEC, 而草本残体作用不明
显。正如本研究组以前的试验结果中不同来源有机物
料对土壤腐殖质元素组成的影响存在差异性 [19,28],
本试验也表明了不同来源的有机物料对土壤胶体性
质的影响也不同, 这可能是由于有机物料影响土壤
有机质, 进而影响胶体性质的间接作用。因此, 有必
要对不同有机物料组成及其对土壤的影响做系统研
究, 以便为有机物料的高效利用、农业及环境可持
续发展提供依据。
参考文献
[1] Parfitt R L, Whitton J S, Theng B K G. Surface reactivity of A
horizons towards polar compounds estimated from water ad-
sorption and water content[J]. Aust J Soil Res, 2001, 39(5):
854 中国生态农业学报 2012 第 20卷


1105–1110
[2] Hedley C B, Saggar S, Theng B K G, et al. Surface area of
soils of contrasting mineralogies using para-nitrophenol ad-
sorption and its relation to air-dry moisture content of soils[J].
Aust J Soil Res, 2000, 38(1): 155–167.
[3] Theng B K G, Ristori G G, Santi C A, et al. An improved
method for determining the specific surface areas of topsoils
with varied organic matter content, texture and clay mineral
composition[J]. Euro J Soil Sci, 1999, 50(2): 309–316
[4] 张玉革 , 姜勇 , 张玉龙 . 不同利用方式对潮棕壤比表面影
响的研究[J]. 土壤通报, 2006, 37(3): 438–442
[5] Li X Y, Ling W T, He J Z. Interaction between charge charac-
teristics and Cu2+ adsorption-desorption of soils with variable
or permanent charge[J]. Pedosphere, 2002, 12(4): 321–328
[6] Liu F, Xu F L, Li X Y, et al. Types of crystalline iron oxides
and phosphate adsorption in variable charge soils[J]. Pe-
dosphere, 1994, 4(1): 35–46
[7] 熊毅, 许翼泉, 陈家坊. 土壤胶体[M]. 北京: 科学出版社 ,
1983
[8] 于天仁, 季国亮 , 丁昌璞 . 可变电荷土壤的电化学[M]. 北
京: 科学出版社, 1996
[9] 贺纪正 , 郑袁明 , 曲久辉 . 土壤环境微界面过程与污染控
制[J]. 环境科学学报, 2009, 29(1): 21–27
[10] Karathanasis A D, Johnson D M C. Subsurface transport of Cd,
Cr and Mo mediated by biosolid colloids[J]. Science of the
Total Environment, 2006, 354(2/3): 157–169
[11] Massoudieh A, Ginn T R. Modeling colloid-enhanced con-
taminant transport in stormwater infiltration basin best man-
agement practices[J]. Vadose Zone Journal, 2008, 7(4):
1261–1268
[12] Bolt G H, De Boodt M F, Hayes B M H, et al. Soil colloid and
soil aggregates[M]//Interactions at the soil colloid-soil solu-
tion interface. Netherlands: Springer Published, 1991: 25–28
[13] 贾明云 , 朱华铃 , 李航 . 光散射技术在土壤胶体颗粒相互
作用研究中的应用[J]. 土壤学报, 2010, 47(2): 253–261
[14] 傅积平 , 张敬森 , 熊毅 . 太湖地区水稻土复合胶体的特性
[J]. 土壤学报, 1983, 20(2): 112–127
[15] 刘忠翰, 蒋剑敏, 熊毅. 稻草、紫云英对土壤复合体性质的
影响[J]. 土壤学报, 1984, 21(1): 10–20
[16] 金慧. 不同来源有机肥及其配施对辣椒生长发育及品质的
影响[D]. 长春: 吉林农业大学, 2007
[17] 马毅杰 . 测定土壤比表面的乙二醇乙醚吸附法 [J]. 土壤 ,
1981(3): 105–107
[18] Duquette M, Hendershot W. Soil surface charge evaluation by
back-titration: I. Theory and method development[J]. Soil Sci
Soc Am J, 1993, 57(5): 1222–1228
[19] 李建明 , 吴景贵 , 王利辉 . 不同有机物料对黑土腐殖质结
合形态影响差异性的研究 [J]. 农业环境科学学报 , 2011,
30(8): 1608–1615
[20] 吴金明, 刘永红, 李学垣, 等. 我国几种地带性土壤无机胶
体的表面电荷特性[J]. 土壤学报, 2002, 39(2): 177–183
[21] Evans L J. Chemistry of metal retention by soils[J]. Environ
Sci Technol, 1989, 23(9): 1046–1056
[22] 王代长, 蒋新, 贺纪正, 等. 应用 Multi-Langmuir模型评价
土壤的表面电荷特性[J]. 土壤学报, 2009, 46(4): 611–616
[23] 贺纪正 , 李学垣 , 徐凤琳 . 鄂西山地土壤胶体阳离子交换
量与其固相组成的关系 [J]. 中国农业科学 , 1992, 25(1):
68–74
[24] 张水清 , 黄绍敏 , 郭斗斗 . 河南三种土壤阳离子交换量相
关性及预测模型研究[J]. 土壤通报, 2011, 42(3): 627–631
[25] 马毅杰 . 粘粒矿物和有机质对土壤胶体比表面的影响[J].
土壤学报, 1988, 25(4): 374–378
[26] Burford J R, Deshphande T L, Greeland D J, et al. Influence
of organic materials on the determination of the specific sur-
face areas of soils[J]. J Soil Sci, 1964, 15(2): 192–201
[27] 魏朝富, 高明, 谢德体, 等. 不同紫色水稻土有机无机复合
胶体表面性质的研究[C]//中国土壤学会. 中国地壤学会第
十次全国会员代表大会暨第五届海峡两岸土壤肥料学术交
流研讨会文集. 沈阳: 科学出版社, 2004
[28] 李建明 , 吴景贵 . 不同有机物料对黑土腐殖质元素组成的
影响[J]. 水土保持学报, 2011, 25(5): 238–241, 246
[29] 杨芳. 两性有机改性土表面化学特征和离子交换模式的研
究[D]. 陕西: 西北农林科技大学, 2008
[30] 王昌全, 李叔南, 夏建国, 等. 西南红、黄壤粘粒组成及土
壤保肥性能的研究 [J]. 四川农业大学学报 , 1996, 14(2):
211–214, 218
[31] 崔桂芳, 关连珠, 孙琳, 等. 有机质含量对棕壤表面电荷及
NH4+的吸附解吸特性的影响[J]. 土壤, 2006(1): 17–20