环境化学课件(第四章 土壤环境化学)

第四章 土壤环境化学
土壤是地球陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，
是由岩石经风化发育而成的历史自然体。
土壤的两个重要功能： （1）肥力作用：土壤具有供应与调控植物根系所 需水、气、热和养料的能力； （2）净化作用：土壤具有同化和代谢外界进入土 壤中的物质的能力，所以土壤又是保护环境的重要 净化剂。 土壤环境化学主要介绍土壤的形成、组成和性质， 污染物在土壤-植物系统中的迁移、转化、降解与归 趋。其重点是研究和掌握污染物在土壤中的分布、 迁移、转化和归趋的规律，为防治土壤污染奠定理 论基础。

⑵水铝片：铝八面体（或称铝氧八面体）是由一个 铝原子和六个氧原子或氢氧原子团构成的。铝原子 在中央，上下各为三个氧原子或氢氧原子团交错排 列，构成一个八面体。在同一平面上，由许多相邻 的铝八面体通过共用氧原子相联结，形成铝八面体 层，称水铝片，水铝片也是晶层的基本单元。
层状硅酸盐矿物种类： 1:1型矿物:由一片硅氧片和一片水铝片叠合而成，主要为高岭 石类矿物； 2:1型矿物:由两片硅氧片中间夹一片水铝片叠合而成。这类矿 物又分为膨胀型（蒙脱石类和蛭石）和非膨胀型矿物（主要有 水云母类）。 （1）高岭石：风化程度极高的矿物，主要见于湿热的热带地 区的土壤中，在花岗岩残积母质上发育的土壤中含量也较高。 颗粒粗大，厚0.1~5.0 m；比表面小，膨胀性小，阳离子代换 量低；富含高岭石的土壤，透水性良好，植物可获得的有效水 分多，但供肥、保肥能力低，植物易感养分不足； （2）蒙脱石：基性岩在碱性环境条件下形成的，在湿带干旱 地区的土壤中含量较高。其颗粒直径小于1 m，阳离子代换量 极高。植物难以利用它所吸收的水分，因此富含蒙脱石的土壤， 植物易感水分缺乏，同时干裂现象严重而不利于植物生长。 （3）水云母：一种风化程度较低的矿物，一般土壤中均有分 布，但以湿带干旱地区的土壤中含量最多。其颗粒直径小于2 m，膨胀性较小，具有较高的阳离子代换量，并富含钾 （K2O 4~7%）。
0~15
15~25 15~25 15~25 25~45 25~45 25~45
45~100
0~30 20~45 45~75 0~20 45~75 0~45
0~55
55~85 30~55 0~40 55~75 0~30 10~55
粘壤土
粘土
重粘土
45~65
65~100
0~55
0~35
0~55
0~35
四、土壤的物理化学性质
（一）土壤矿物质 土壤矿物质按其成因可分为原生矿物和次生矿物。 1. 原生矿物 原生矿物是指那些在风化过程中未改变化学组成的原始 成岩矿物。它构成了土壤的骨架，土壤矿质元素主要来源于 土壤矿物质。 特征：具有坚实而稳定的晶格，不透水，不具有物理化 学吸收性能，不膨胀，粒径较大，如砂粒的粒径为0.02～2 mm，粉砂粒为0.002～0.02 mm。 。
二、土壤的基本物质组成
固体部分 土壤组成 孔隙部分 无机体––––土壤矿物质 有机体––––土壤有机质、土壤生物 液 体––––土壤水分和土壤溶液 气 体––––土壤空气
有机质 12％ （>95％固体质量） （<5％固体质量）
矿物质 38％
土壤水分 15%~35%
土壤空气 15%~25%
图 土壤中固相、液相、气相结构示意图
硅
氧 铝 氧和氢 氧离子
晶层的基本单元 ⑴硅氧片：硅四面体结构单元中，硅原子以共价键方 式将四个氧原子联结成为一个原子团(SiO4)4–，电性未 中和，通过与其相邻的另一个硅四面体共用一个氧原 子，如此相联，成为由六个硅四面体构成的六角形网 孔，然后再与另外的六角形网孔通过共用氧原子来联 结，如此继续联结，在水平方向上构成一层硅氧片， 成为晶层的基本单元。
原生矿物种类：
（1）硅酸盐类矿物； （2）氧化物类矿物； （3）硫化物类矿物； （4）磷酸盐类矿物。
2. 次生矿物 次生矿物是岩石经历化学风化（氧化、水解和酸 性水解）形成的新矿物，其化学组成和晶体结构都发 生了改变。次生矿物粒径较小，大部分以黏粒和胶体 （粒径小于0.002 mm）分散状态存在。 分类：根据次生矿物的性质与结构划分为简单盐 类、氧化物类和次生铝硅酸盐类。 氧化物类和次生铝硅酸盐类是土粒中最细小的部 分，比表面积大，在物理性质上表现为强烈的吸水膨 胀、失水收缩的特点， 称为黏土矿物。有明显的胶 体特征，所以土壤学中习惯把黏土矿物视为土壤矿物 胶体。次生矿物是构成土壤的最主要组成部分，对土 壤中无机污染物的行为和归宿影响很大。
质 地 分 类 类别 砂土 壤土 质地名称 砂土和壤砂土 砂壤土 壤土 颗 粒 组 成 （W/W %） 粉砂粒 粘粒 <0.002mm 砂粒 2~0.02mm 0.02~0.002mm 0~15 0~15 85~100 0~15 0~15 0~45 30~45 55~85 40~55
粉砂壤土
砂粘壤土 粘壤土 粉砂粘壤土 砂粘土 粘土 粉砂粘土 壤粘土
（一）土壤的吸附性 土壤具有吸附性能是因为土壤中存在具有巨大表面能，并带有电荷的矿物胶 体和有机胶体，能吸附气体或液体、分子或离子。 1. 土壤胶体的性质 (1)土壤胶体具有巨大的比表面和表面能：比表面是单位体积或重量物质的 总表面积。土粒愈细，总表面积愈大，比表面也愈大，表面能也越大。
(2) 土壤胶体具有带电性：所有土壤胶体都带有电荷，一般讲，土壤胶体带负电 荷，在某些情况下也会带正电荷。
三、土壤的机械组成和质地分类 （一）土壤的机械组成和粒级划分
土壤的机械组成(土壤质地):
土壤学上将由不同粒级混合在一起所表现出来的土壤 粗细状况称为土壤的机械组成，也称为土壤质地.
表 土粒分级
粒 砾 石 级 大砾石 小砾石 粗 砂 粒 细 砂 砂 颗粒直径（mm） 20~6 6~2 2~0.6 0.6~0.2 0.2~0.06 0.06~0.02 0.02~0.006 0.006~0.002 <0.002 100000 10000 100 1 10 土粒比表面增长（倍）

（四）土壤生物 土壤中存在着大量的生物群落，包括微生物和土壤动物两大类。他们不 仅参与岩石的风化，而且是成土作用的主要因素。 土壤动物分类：包括原生动物、线虫类、蚯蚓、节肢动物、腹足动物、 脊椎动物和掘土动物等。 土壤动物作用：是进入土壤的有机物料的第一消费者，有机物料经土 壤动物嚼细、破碎、吞食和消化等过程使之初步降解或释放养分。这些 作用对于纤维素和木质素的分解十分重要，因为微生物很难分解这些物 质。 土壤微生物分类：包括细菌、放线菌、真菌和藻类。 土壤微生物作用： 是土壤有机物的第二消费者，可使有机物彻底分解释放出碳、氮、磷、 硫等元素供自身生长和植物利用； 土壤生物生命活动过程中还会向土壤释放多种多样、功能各异的酶类， 如水解酶、氧化还原酶、转化酶等，这些酶类对于土壤中的物质循环、 有机、无机污染物的迁移、转化起着十分重要的作用。 土壤中的各种生物群体与所处土壤环境之间构成土壤生态系统，在系 统中各种生物间存在着复杂的食物链和食物网的关系，它们之间的相互 作用和相互影响使系统处于相对平衡状态，使土壤表现出特定的功能状 态。通常生物的种类和数量更丰富的土壤，具有更高的土壤肥力和对污 染物净化能力。
极细砂 砂质粉砂 粉 砂 粘 粒 中粉砂 细粉砂 粘 粒
胶
体
<0.0002
1000000
（二）土壤质地分类和主要特性 土壤质地：土壤粒级组合体所表现的粗细程度称为质地 .
土壤质地分类是以土壤中各粒级含量的相对百分 比作标准的。主要有国际制、美国制和前苏联制。
（二）土壤质地分类
表 土壤质地的国际制分类
（二）土壤有机质 土壤有机质包括土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的 有机物质。土壤有机质是土壤的重要物质组成，尽管它在土壤中的含量一 般在5%以下，但它对土壤功能的影响是很深刻的。 土壤有机质的种类繁多，性质各异，主要包括碳水化合物、含氮化合物 和腐殖质三大类，此外还有数量极少的其他类别化合物，如脂蜡类等。 腐殖质是一般的有机化合物经微生物作用后，在土壤中新形成的一类性 质稳定、结构极其复杂的特殊的高分子化合物。腐殖质的主要组成元素有 碳、氢、氧、氮、硫、磷等，还有少量的钙、镁、铁、硅等。整个分子含 有多种功能团，重要的有羧基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、氨基等 功能团。它们表现多种活性。腐殖质对于土壤结构形成、提供植物养分等 方面具有重要作用。同时，由于其强烈的吸附性能，对于有机、无机污染 物在土壤中的迁移、转化和生物活性具有重要影响。
（三）土壤水与土壤空气 土壤矿物质和有机体构成土壤的固体骨架，而土壤空隙部分 充满了土壤空气和土壤水。 土壤水主要来源: ① 降水与灌溉; ② 地下水:在地下水位较高时，地下水也是上层土壤水分 的重要来源。 水分进入土壤后，土壤中的各种可溶成分会被溶解。所 以，所谓的土壤水分，实际上是浓度不等的土壤溶液。土壤 水分是影响土壤功能重要物质基础，它不但影响土壤的物理 性质，对土壤中生物及化学性质的影响也具有举足轻重的作 用。 土壤空气存在于无水的土壤空隙中，所以，土壤空气含量决 定于土壤空隙度和含水量。土壤空气组成与大气基本一致， 主要成分也为氮气、氧气和二氧化碳等。但与大气相比，土 壤空气中的氧要少一些，二氧化碳要多一些。(why?)
Hubble等（1983年）从成土过程的共性出发，把主要 的成土过程归纳为： 1. 消耗过程：包括淋溶、分解、溶解等，其中也 包括盐基及其它可溶物质在土壤中的重新分配以及新 矿物的形成； 2. 有机物质的循环：包括生物对养分的选择吸收 和积累，有机物质的分解对消耗过程的补偿，可溶性 有机物在矿物风化、元素的活化和迁移中的作用； 3. 无机物质的循环：包括矿物由物理力引起的加 成、混合和分离。 总之，成土过程是在物理风化、化学风化和生物风 化作用下进行的。
（1）简单盐类：如方解石（CaCO3）、白云石（CaCO3、 MgCO3）、石膏（CaSO42H2O）、泻盐（MgSO47H2O）、岩 盐（NaCl）和芒硝（Na2SO410H2O）等，常见于干旱和半干旱 地区的土壤中。 （2）氧化物类：如针铁矿（Fe2O3H2O）、褐铁矿 （2Fe2O33H2O）和三水铝石（Al2O33H2O）等，它们是硅酸 盐矿物彻底风化后的产物，在热带和亚热带土壤中，这类矿物 占优势。 （3）次生铝硅酸盐类：是由长石等原生硅酸盐矿物风化后形 成的次生矿物。由两个基本结构单元——硅四面体和铝八面体 所组成的矿物（层状硅酸盐矿物 ）