第四章-土壤环境化学
04章 土壤环境化学
粘粒类型
伊利石 0.l～2.9 不规则片状 100～120 中等 中等 中等 中等 15～40 高岭石 0.l～5.0 六方型晶体 5～20 小 无 低 低 3～15
4.1.1.2 非硅酸盐粘土矿物
氧化铁
• 赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿 • 土壤中常见的是赤铁矿和针铁矿
• 赤铁矿：(α-Fe2O3)：红色，六角板状。高温、潮湿、
– 土壤具有极大比表面、一定的催化活性；土壤所含水、空气、微生物等都 能使污染物产生一定降解。同化和代谢外来物质—保护、净化环境。
• 人类的衣食住行以及一切活动，无不直接或间接地与土壤有 关。
土壤的形成过程
风化系统
岩石 矿物 风化层
风化产物及 矿物残粒
土壤系统
土壤 成土过程
微生物碎屑系统
有机物
腐殖质及 腐败产物 有机化合物 生物
腐殖质
• • 颜色 整体呈黑色，不同组分有差别：分子量+发色团。 特点： – 表面积大，构型伸展； – 亲水性强 最大吸水量超过本身重量5倍； – 高pH电离，荷负电； – 不同地区和土层所含腐殖质的化学组成有较大差异。
①气候-climate ②地形-topographty ③母质-parent material ④生物-biology
⑤时间-time
土壤退化
• 因人类开发利用不当而加速土壤质量和生 产力下降的现象和过程。包括：
① 数量减少：表土丧失、整个土体毁失、土地 被非农业占用。 ② 质量降低：土壤物理、化学、生物学方面的 质量下降。
4、氧化作用
2FeS2 + 16H2O +7O2 2FeSO4 7H2O + 2H2SO4 (黄铁矿) (硫酸亚铁)
环境化学课后答案(戴树桂)主编_第二版(4-7章)
第四章土壤环境化学1．什么是土壤的活性酸度与潜性酸度？试用它们二者的关系讨论我国南方土壤酸度偏高的原因。
根据土壤中H+的存在方式，土壤酸度可分为活性酸度与潜性酸度两大类。
（1）活性酸度：土壤的活性酸度是土壤溶液中氢离子浓度的直接反映，又称有效酸度，通常用pH表示。
（2）潜性酸度：土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附的可代换性H+和Al3+。
当这些离子处于吸附状态时，是不显酸性的，但当它们经离子交换作用进入土壤溶液后，即可增加土壤溶液的H+浓度，使土壤pH值降低。
南方土壤中岩石或成土母质的晶格被不同程度破坏，导致晶格中Al3+释放出来，变成代换性Al3+，增加了土壤的潜性酸度，在一定条件下转化为土壤活性酸度，表现为pH值减小，酸度偏高。
2．土壤的缓冲作用有哪几种？举例说明其作用原理。
土壤缓冲性能包括土壤溶液的缓冲性能和土壤胶体的缓冲性能：（1）土壤溶液的缓冲性能：土壤溶液中H2CO3、H3PO4、H4SiO4、腐殖酸和其他有机酸等弱酸及其盐类具有缓冲作用。
以碳酸及其钠盐为例说明。
向土壤加入盐酸，碳酸钠与它生成中性盐和碳酸，大大抑制了土壤酸度的提高。
Na2CO3 + 2HCl2NaCl + H2CO3当加入Ca(OH)2时，碳酸与它作用生成难溶碳酸钙，也限制了土壤碱度的变化范围。
H2CO3 + Ca(OH)2CaCO3 + 2H2O土壤中的某些有机酸（如氨基酸、胡敏酸等）是两性物质，具有缓冲作用，如氨基酸既有氨基，又有羧基，对酸碱均有缓冲作用。
RCHNH2COOH+ HClNH3ClR CHCOOH+ NaOH + H 2ORCHNH 2COOH R CH NH 2COONa（2）土壤胶体的缓冲作用：土壤胶体吸附有各种阳离子，其中盐基离子和氢离子能分别对酸和碱起缓冲作用。
对酸缓冲（M －盐基离子）：土壤胶体 M ＋HCl 土壤胶体 H ＋MCl对碱缓冲：土壤胶体 H ＋MOH 土壤胶体 M ＋H 2OAl 3+对碱的缓冲作用：在pH 小于5的酸性土壤中，土壤溶液中Al 3+有6个水分子围绕，当OH －增多时，Al 3+周围的6个水分子中有一、二个水分子离解出H +，中和OH -：2Al(H 2O)63＋ + 2OH － [Al 2(OH)2(H 2O)8]4+ + 4H 2O3．植物对重金属污染产生耐性作用的主要机制是什么？不同种类的植物对重金属的耐性不同，同种植物由于其分布和生长的环境各异可能表现出对某种重金属有明显的耐性。
004.2土壤环境化学-土壤污染(重金属)
而不同种类的重金属，在土壤和农作物系统中迁移转化规律明 显不同。
重金属在土壤中的含量和植物吸收累积研究的结果为： Cd、As较易被植物吸收， Cu、Mn、Se、Zn等次之， Co、Pb、Ni等难于被吸收， Cr极难被吸收。
研究春麦受重金属污染状况后发现， Cd是强积累性元素， 而Pb的迁移性则相对较弱； 铬和铅是生物不易积累的元素。������
5
（3）土壤环境容量：
土壤环境单元所容许承纳的污染物质的最大 允许量或负荷量(土壤环境静容量).
土壤环境单元一定时限内遵循环境质量标准， 既保证农产品产量和生物学质量，同时也不使环 境污染时，土壤所能允许承纳的污染物的最大数 量或负荷量(土壤环境动容量)。
6
（4）当土壤中含有害物质过多，超过土壤的自净能 力，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化， 微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在 土壤中逐渐积累，通过“土壤→植物→人体”， 或通过“土壤→水→人体” 间接被人体吸收，达 到危害人体健康的程度，就是土壤污染。
4.放射性污染物
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（6）重金属污染土壤的特点：
重金属不被土壤微生物降解，可在土壤中 不断积累，也可以为生物所富集，并通过食物 链在人体内积累，危害人体健康。
重金属一旦进入土壤就很难予以彻底的 清除。日本的“痛痛病”，我国沈阳郊区张 士灌区的“镉米”事件等是重金属污染的典 型实例。
10
•克山病 •大骨节病 •水俣病 •痛痛病 •黑脚病
第四章 土壤环境化学
Chapter 4. Soil Environmental Chemistry
补充掌握
土壤污染概述
（1）土壤背景值 土壤本身含有微量的金属元素，其中很
多是作物生长必需的微量营养元素，如Mn、 Zn、Cu等。不同地区土壤中重金属的种类和 含量也有很大差别。
石大环境化学讲义04土壤环境化学
第四章土壤环境化学第一节本节内容要点：土壤环境化学的研究历史、研究热点和研究现状等。
1）研究简史早在19世纪中叶，英国学者J.T.Way和wes发现了土壤中阴离子的交换作用，开创了土壤中元素化学行为研究的新领域。
到本世纪三四十年代，对土壤胶体进行系列专门研究，并开始应用X 射线进行黏土矿物分析。
10多年后，R.K.Schofield提出了土壤矿物中同晶置换引起的永久负电荷和在酸性条件下质子化的水合氧化物带有正电荷等理论，自此，对土壤的离子吸附机理才有了明确的认识。
50年代起，随着对络合物化学和氧化还原过程的研究，人们对土壤中有机物与金属离子络合物还原作用，Fe、Mn、As、Cr等元素价态变化与pH、pE及有机质的关系等有了新的认识，进一步推动了金属，尤其是重金属的形态及其转化条件的研究。
以上这些研究为现代土壤污染化学的发展奠定了理论基础。
土壤污染化学的发展相对较晚。
70年代前后土壤污染化学的研究重点为重金属元素的污染研究；到80年代，主要研究目标转移到有机物、酸雨和稀土元素等问题上。
在金属及类金属元素的研究中，人们最关注的是硒、铅和铝等的行为；研究内容也更集中于化学物质在土壤中的转化、降解等行为及元素的形态等。
2）研究热点当前，土壤污染化学的主要研究领域如下：(1) 土壤中有毒有机污染物的降解与转化等环境行为的研究；(2) 金属存在形态及其转化过程的研究；(3) 污染物在土壤固/液界面的相互作用研究；(4) 稀土元素在土壤环境中的归宿及其生态效应研究；(5) 土壤中温室气体的释放、吸收与传输研究；(6) 土壤污染的化学与生物修复。
3）我国研究现状自70年代以来，我国在土壤污染化学方面也开展了大量研究工作，取得了可喜的进展。
70年代中期，我国对以DDT和六六六为代表的有机氯农药在粮、棉、油、烟草等主要作物区的污染状况开展了广泛的调查研究，揭示了当时我国有机氯农药污染的普遍性和某些地区污染的严重性，为农药的更新换代提供了科学依据。
第四篇土壤环境化学课件
农业面源污染控制
农业面源污染是指农业生产过 程中由于不合理的管理措施而 导致的污染物排放，如化肥、 农药、畜禽粪便等。
控制农业面源污染的措施包括 优化施肥方式、推广环保型农 业技术、建设生态拦截工程等 。
农业面源污染控制对于保护农 村生态环境、保障农产品安全 和人体健康具有重要意义。
土壤的性质
01
02
03
04
土壤质地
指土壤中矿物质颗粒的大小和 比例，影响土壤的透气性、保
水能力和肥力。
土壤结构
指土壤颗粒的排列和连接方式 ，良好的土壤结构有助于保持
水分和空气。
土壤酸碱度
指土壤的酸碱反应，影响土壤 中养分的有效性以及植物的生
长。
土壤肥力
指土壤提供养分的能力，与土 壤有机质、矿物质和微生物活
06 未来展望与挑战
未来研究重点与方向
土壤环境化学过程与机制
深入研究土壤中化学物质的迁移、转化、归 趋等过程，揭示其内在机制。
土壤质量与农产品安全
研究土壤质量与农产品安全的关系，保障食 品安全和人类健康。
土壤污染修复与治理
发展高效、环保的土壤污染修复技术，实现 土壤污染的源头控制和生态恢复。
土壤环境与全球变化
利用和改良提供依据。
03 土壤污染与自净
土壤污染的定义与来源
土壤污染的定义
土壤污染是指人类活动产生的有害物质进入土壤，导致土壤质量下降，影响生 物生长和人体健康的现象。
土壤污染的来源
土壤污染主要来源于工业生产、农业生产、城市垃圾和污水等。工业排放的废 气、废水和废渣，农业生产中使用的化肥、农药，城市垃圾和污水的不合理排 放等，都会导致土壤污染。
第四章土壤环境化学
土壤环境化学
主要内容
土壤的组成 土壤的粒级与质地 土壤的组成和性质 土壤的吸附性 土壤的酸碱性
土壤的氧化还原性
土壤的污染与修复 重金属的污染与修复 有机污染与修复
1. 土壤的组成和性质
1.3 土壤吸附性
土壤中两个最活跃的组分是土壤胶体和土壤微生物， 它们对污染物在土壤中的迁移转化有重要作用。 胶体粒子大小至少在一维方向上为30-10000 Å左右。
N δ B
– – – – – – – – –
d + + +
D
+ + + + + +
M A
+ +
C
+
1. 土壤的组成和性质
固体表面MN吸附一定量的离子， 其电位相对于CD处为φ，或者说 CD与MN间的电位差为φ，这个 电位称为总电位差，也叫热力学 电位。
– – – – – – – – –
N δ B
第一节 土壤的组成和性质
土壤氧化还原能力的大小可以用土壤的氧化还原电位 (Eh) 来衡量，以氧化态物质与还原态物质的相对浓度比为依 据的。 由于土壤中氧化态物质与还原态物质的组成十分复杂， 因此计算实际Eh很困难。主要实际测量的衡量土壤的氧化还 原性。 一 般 旱 地 土 壤 氧 化 还 原 电 位 400~700mV ， 水 田 200~300 mV。
分为代换性酸度和水解酸度。
第一节 土壤的组成和性质 ① 代换性酸度：用过量中性盐 ( 如 NaCl 或 KCl) 溶液
淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中 H+和 Al3+ 发生
离子交换作用，而表现出的酸度。
土壤环境化学
五、土壤酸度、碱度和缓冲性能
１.土壤酸度 根据土壤中H+存在的形式， 可分为：
（1）活性酸度（有效酸度） （2）潜性酸度 （3）二者的关系
活性酸度与潜性酸度是存在于同一平衡体系的两种酸度， 二者可以相互转换，一定条件下可处于暂时平衡。
2．土壤碱度
土壤溶液中的OH-离子，主要来源于碱金属和碱 土金属的碳酸盐类，即碳酸盐碱度和重碳酸盐 碱度的总量称为总碱度，可用中和滴定法测定。
（2）砂砾
主要为原生矿物，大多为石英、长石、云母和角闪石等。其中以石 英为主。粒径为1~0.05mm。空隙大，通气和透水性强，保水保肥 能力弱，营养元素含量少。
（3）粉粒
是原生矿物和次生矿物的混合体，粒径为0.05~0.005mm。物理化学 性质介于砂粒与粘粒之间。团聚、胶结性差，分散性强。保水保肥 能力较好。
3．土壤气相
指土壤中有无数的空隙充满空气，典型土 壤约35%的体积是充满空气的。 土壤中空气与大气差异：
（1）不连续体系； （2）O2和CO2含量差异大； （体3）；含有CH4、H2S、H2和NH3等还原性气 （4）存在污染物。
二、土壤的结构
土壤结构是指土壤颗粒（包括团聚体） 的排列与组合形式，按形状可分为块状、 片状和柱状三大类型；按其大小、发育 程度和稳定性等，再分为团粒、团块、 块状、棱块状、棱柱状、柱状和片状等 结构。
3．土壤的缓冲性能
（1）土壤溶液的缓冲作用（pH 6.2~7.8）
（2）土壤胶体的缓冲作用 ①土壤胶体|-M++ HCl→ 土壤胶体|-H+ + MCl（缓冲酸） ②土壤胶体|-H++ MCl→ 土壤胶体|-M++ HCl（缓冲碱） （污染修复的酸洗原理之一）
环境化学第四章土壤
价交换和受质量作用定律支配外，各种阳离子交换能力的强
弱，主要依赖于以下因素： 电荷数，离子电荷数越高，阳离子交换能力越强；
离子半径及水化程度，同价离子中，离于半径越大，水
化离子半径就越小，因而具有较强的交换能力。
第二节 土壤的性质
土壤中一些常见阳离子的交换能力顺序如下： Fe3+＞Al3+＞H+＞Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+＞Cs+＞Ru+＞
第二节 土壤的性质
b.潜性酸：
其来源是土壤胶体吸附的可代换性H+和Al3+。当这些离
子处于吸附状态时，是不显酸性的，但当它们通过离子交 换作用进入土壤溶液之后，即可增加土壤溶液的 H+ 浓度， 使土壤 pH 值降低。只有盐基不饱和土壤才有潜性酸度，其 大小与土壤代换量和盐基饱和度有关。据测定土壤潜性酸
②水解性酸度： 用弱酸强碱盐 (如醋酸钠)淋洗土壤，溶液中金属离子可
以将土壤胶体吸附的 H+ 、 A13+ 代换出来，同时生成某弱酸
(醋酸)。此时，所测定出的该弱酸的酸度称为水解性酸度。
第二节 土壤的性质
③活性酸与潜性酸的关系：
土壤的活性酸与潜性酸是同一个平衡体系的两种强度，
二者可以互相转化，在一定条件下处于暂时平衡状态。土 壤活性酸度是土壤酸度的根本起点和现实表现。土壤胶体
第二节 土壤的性质
一般土壤缓冲能力的大小顺序是： 腐殖质土＞枯土＞砂土。 土壤的可变电荷越多，缓冲能力越强。土壤缓冲能力 越大，对酸碱污染物的容量就越大。但是，土壤的缓冲能 力的大小是有一定限度的，超出这个限度，土壤的酸碱度 会发生强烈的变化。
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04土壤环境化学
五、土壤的氧化还原性
(Oxidation and Reduction of Soil)
土壤氧化还原能力的大小可以用 土壤的氧化还原电位（Eh）来衡量。
|土壤胶体|-4Na+ + Al(OH)3 + 4HAc
代换性酸度只是水解性酸度的一 部分，因此水解性酸度高于代换性酸 度。
活性酸度和潜性酸度二者的关系：
*活性酸度与潜性酸度是存在于同一平衡体 系的两种酸度，二者可以相互转换，一定条 件下可处于暂时平衡。
*活性酸度是土壤酸度的现实表现，土壤胶 体是H+ Al3+的储存库，因此潜性酸度是活性 酸度的储备。
（３）土壤胶体的凝聚性和分散性
由于胶体的比表面和表面能都很大，为减 小表面能，胶体具有相互吸引、凝聚的趋势， 这就是胶体的凝聚性。
由于土壤胶体微粒带负电荷，胶体粒子相 互排斥，具有分散性，负电荷越多，负的电动 电位越高，相互排斥力越强，分散性也越强；
土壤胶体的凝聚性主要取决于其电动电 位的大小和扩散层的厚度；
此外，土壤溶液中的电解质和 pH 值也 有影响。常见阳离子凝聚力的强弱顺序：
Na
K
NH
4
H
Mg
2
Ca
2
Al
3
Fe3
2、 土壤胶体的离子交换吸附
离子交换（或代换）：土壤胶体扩散层中的补
偿离子，可以和溶液中相同电荷的离子以离子价 为依据作等价交换。
第四章 土壤环境化学
(2)不存在竞争吸附 在土壤—水体系中土壤矿物表面除吸附离 子型物质外，还与水分子发生偶极作用，它们几乎占据了剩余 的全部吸附位，使非离于型有机物很难吸附在矿物质表面的吸 附位置上。 （3）分配作用与溶解度的关系 非离于型有机物分配作用随溶解度减小而增大。
2.土壤湿度对分配过程的影响
三、典型农药在土壤中的迁移转化 有机氮农药大部分是含有一个或几个苯环的氧的 衍生物。其特点是化学性质稳定，残留期长，易溶于 脂肪，并在其中积累。有机氯农药是目前造成污染的 主要农药。美国已于1973指年停止使用，我国也于 1984年停止使用。
三、主要重金属在土壤中的积累和迁移转化 一般来说，进入土壤的重金属主要停留在土壤的上层， 然后通过植物根系的吸收并迁移到植物体内，也可以随水 流等向土壤下层流动。 1.镉；2.铜；3.铅；4.鋅；5.汞。 四、植物对重金属污染产生耐性的几种机制 植物对重金属污染产生耐性由植物的生态学特性、遗 传学特性和重金属的理化性质等因素所决定，不同种类的 植物对重金属污染的耐性不同；同种植物由于其分布和生 长的环境各异，长期受不同环境条件的影响，在植物的生 态适应过程中，可能表现出对某种重金属有明显的耐性。 1.植物根系的作用 植物根系通过改变根际化学性状、原生质泌溢等作用 限制重金属离子跨膜吸收。
1．扩散 扩散是由于热能引起分子的不规则运动而使物质 分子发生转移的过程。不规则的分子运动使分子不均 匀地分布在系统中，因而引起分子由浓度高的地方 向浓度低的地方迁移运动。 影响扩散因素：①土壤水分含量；②吸附；③坚实度； ④温度；⑤气流速度；⑥农药种类。 2.质体流动 是由于水或土壤共同作用。几种农药在土壤中的 移动距离大小顺序为：非草隆>灭草隆>敌草隆>草不隆， 而它们的吸附系数大小顺序则相反，草不隆>敌草隆> 灭草隆>非草隆。即吸附最强者移动最困难，反之亦然。
(完整版)第四章土壤环境化学
土壤胶体|-xNa+ + yH2O → 土壤胶体|-(x-y)Na+、yH+ + yNaOH
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3、土壤的缓冲作用(Buffer Action of Soil )
27
▪ 土壤的氧化还原性质
土壤中有多种有机、无机物的氧化、还原过程。
土壤 E 与土壤通气状况的关系： ➢ 旱地通气好，游离氧占优势，E 较高，以氧化作用为主。 ➢ 水田通气差，游离氧很少，E 较低(甚至可以为负值)，以还 原作用为主。
28
▪ 土壤的自净作用
土壤有优越的自身更新能力－自净作用： ➢ 氧气氧化 ➢ 胶体吸附，配位 ➢ 微生物降解
可交换阳离子
致酸离子：Al3+、H+。 盐基离子：Ca2+、Mg2+ 、K+ 、Na+、NH4+ 等。
19
（2）土壤胶体的阴离子交换吸附
带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子交换。易被 吸附的阴离子是 PO43-、H2PO4-、HPO42- 等，与带正电荷的土壤胶体中 阳离子 Ca2+、Fe3+、Al3+ 等结合生成难溶性化合物而被强烈吸附。
土壤的自净作用决定于土壤的物质组成和其它性质， 也与污染物的种类和性质有关。
土壤的自净作用一般比较缓慢。
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第二节 土壤的化学污染 2.1 土壤污染源和土壤污染物
▪ 人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起 土壤质量恶化的现象即为土壤污染。 ▪ 土壤受到污染后，不仅会影响植物生长，同时会影响土壤 内部生物群的变化与物质的转化，即产生不良的生态效应。
电子教案四土壤环境化学
电子教案四土壤环境化学一、教学内容本节课选自《环境化学》教材第四章——土壤环境化学，详细内容主要包括：土壤的组成与性质、土壤污染及其影响、土壤环境质量评价与保护。
通过本章学习，让学生深入了解土壤环境化学的基本理论，掌握土壤污染的防治技术。
二、教学目标1. 知识与技能：使学生了解土壤的组成、性质以及土壤污染的类型和危害，掌握土壤环境质量评价的方法。
2. 过程与方法：培养学生运用所学知识分析土壤环境问题的能力，提高学生的实践操作技能。
3. 情感态度价值观：培养学生关注土壤环境问题，树立环保意识，增强社会责任感。
三、教学难点与重点教学难点：土壤环境质量评价方法的理解与应用。
教学重点：土壤的组成、性质，土壤污染的类型及防治措施。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT、教学视频、实物模型。
2. 学具：土壤样品、实验室仪器、记录表格。
五、教学过程1. 导入：通过展示土壤污染案例，引发学生对土壤环境问题的关注。
2. 新课导入：讲解土壤的组成、性质，让学生了解土壤的基本知识。
3. 土壤污染及其影响：分析土壤污染的类型、危害，介绍防治措施。
4. 实践操作：组织学生进行土壤样品采集、分析，了解土壤环境质量评价方法。
5. 例题讲解：结合实际案例，讲解土壤环境质量评价的具体步骤。
6. 随堂练习：设计相关习题，巩固所学知识。
六、板书设计1. 土壤的组成与性质2. 土壤污染类型及危害3. 土壤环境质量评价方法4. 土壤污染防治措施七、作业设计1. 作业题目：结合所学内容，分析家乡土壤环境问题，提出防治措施。
2. 答案：要求学生结合实际情况，给出合理的防治措施。
八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课学生掌握了土壤环境化学的基本知识，但在实践操作中，部分学生操作不熟练，需要在课后加强练习。
2. 拓展延伸：鼓励学生关注土壤环境问题，开展课外实践，如参观土壤污染治理项目，了解土壤环境保护的最新动态。
重点和难点解析：1. 土壤环境质量评价方法的理解与应用。
环境化学课件(第四章土壤环境化学)
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。
极细砂
0.2~0.06
100
粉砂 粘粒
砂质粉砂 中粉砂 细粉砂 粘粒 胶体
0.06~0.02 0.02~0.006 0.006~0.002
<0.002 <0.0002
10000
100000 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。
四、土壤的物理化学性质
（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。
➢气候是直接的水、热、空气条件，它使相同的母质在不同的 气候条件下产生不同的物理、化学和生物学变化。
➢地形使气候因素发生局部的重新分配，是间接的水、热、空 气条件。
➢生物通过生长繁育、新陈代谢进行着有机物质的合成与分解， 一方面充实与丰富了土壤的基质，另一方面以有机物形式为土 壤累积化学能。
环境化学(南开大学) 第四章 土壤环境化学
(OH)3]
水铝片
代表OH群
高岭石类结晶构造示意图
高岭石
单位晶层
瞧：氢键在这里
（牢固） 不易发生同晶取代 内表面 （无）
外表面
back
蒙脱石 montmorillonite
[O3 Si2 O2 OHAl2OH O2 Si2 O3] 硅氧片 水铝片 硅氧片
蒙脱石类结晶 构造示意图
弱的分子间力 极易发生同晶取代
1、土壤矿物质的粒级划分
机械组成
Mechanical composition
组
成
我国标准 mm 1-0.05
国际标准 mm 2-0.02
砂粒 Sand 粉粒 Silt 粘粒 Clay
主要是原生 矿物 主要是次生 矿物 原生与次生 矿物混合
0.05-0.005
<0.005
0.02-0.002
<0.002
粒级名称
石块каменствя 石砾гравий
粒径/mm
>3 1~3
粗砂 coarse sand 细砂 fine sand
2~0.2 0.2~0.02
粗细砂 Песок крупный 中细砂Песок средний 细砂粒 Песок мелкий
0.5~1 0.25~0.5 0.05~0.02
粒径小于1µm，阳 离子代换量极高， 它所吸收的水份植 物难以利用，属2： 1型晶格，晶层之 间主要靠弱的分子 间力连接，晶层连 接不紧，水分子易 进入，极易发生同 晶取代
风化程度极高， 粒径0.1-5.0µm， 膨胀性小，阳离 子代换量低，属1： 1型晶格，晶层之 间由氢键连接， 甚为紧密极少发 生同晶取代
土壤粒级分类系统(三级分类制) classification systems of soil separates
环境化学第四章土壤环境化学
第四章 土壤环境化学1、土壤圈：处于岩石圈最外面的一层疏松的部分，具有支持植物和微生物生长繁殖的能力。
是联系有机界和无机界的中心环节，还具有同化和代谢外界进入土壤的物质的能力。
主要元素 O 、Si 、Al 、Fe 、C 、Ca 、K 、Na 、Mg 、Ti 、N 、S 、P 等。
2、土壤是由固体、液体和气体三相共同组成的多相体系。
其本质属性是具有肥力 土壤固相包括土壤矿物质和土壤有机质。
土壤矿物质：是岩石经过物理和化学风化的产物，由原生矿物和次生矿物构成。
土壤有机质：土壤中含碳有机物的总称，是土壤形成的标志，土壤肥力的表现。
土壤水分：来自大气降水和灌溉土壤中的空气：成分与大气相似，不连续，二氧化碳比氧气多。
3、土壤具有 缓和其酸碱度 发生激烈变化的能力，它可以保持土壤反应的相对稳定，称为土壤的缓冲性能。
4、土壤中存在着由土壤动物、土壤微生物和 细菌 组成的生物群体。
5、典型土壤随深度呈现不同层次，分别为覆盖层、淋溶层、淀积层和母质层。
6、土壤的显著特点是具有：隐蔽性、潜在性 和不可逆性。
7、岩石化学风化分为氧化、水解和酸性水解三个过程。
8、什么是土壤的活性酸度与潜性酸度？根据土壤中H +的存在方式，土壤酸度可分为活性酸度与潜性酸度两大类。
（1）活性酸度：土壤的活性酸度是土壤溶液中氢离子浓度的直接反映，又称有效酸度，通常用pH 表示。
（2）潜性酸度：土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附的可代换性H +和Al 3+。
当这些离子处于吸附状态时，是不显酸性的，但当它们经离子交换作用进入土壤溶液后，即可增加土壤溶液的H +浓度，使土壤pH 值降低。
根据测定潜性酸度的提取液不同，可分为代换性酸度、水解性酸度：代换性酸度：用过量的中性盐（KCl 、NaCl 等) 淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中H +、Al 3+离子交换。
用强碱弱酸盐淋洗土壤，溶液中金属离子可将土壤胶体吸附的H +、Al 3+离子代换出来，同时生成弱酸，此时测定该弱酸的酸度称水解性酸度。
第四章-土壤环境化学
土壤矿物质
土壤固相 土壤有机质
> 90% （土壤固体总质量）
1％－10％（可耕土壤中约占5％，且绝大
部分在土壤表层）（土壤固体总质量）
土壤液相：指土壤中的水分及其水溶物。 土壤气相：指土壤中有无数的空隙充满空气，典型土壤约35%的
体积是充满空气的。
图4－1 土壤固、液、气相结构图
图4－2 自然土壤的综合剖面图
a.代换性酸度
土壤胶体
H+ + KCl
土壤胶体
K+ + HCl
R－COOH + KCl
RCOOK + H+ + Cl－ K+
代换性Al3＋是矿物质土壤中潜性酸度的主要来源。
Al3+ +3KCl AlCl3 ＋3H2O
土壤胶体
土壤胶体
K+ + AlCl3 K+
Al(OH)3+3HCl
b.水解性酸度
四、土壤酸碱性
重点
根据土壤的酸度可以将其划分为9个等级（如表4－8） 表4－8土壤酸碱度分级
1.土壤酸度
活性酸度： 土壤的活性酸度是土壤溶液中氢离子浓度 的直接反映，又称为有效酸度，通常用pH表示。 潜性酸度： 土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附的可代 换性H+和A13+。根据测定土壤潜性酸度所用的 提取液，可以把潜性酸度分为代换性酸度和水解 酸度。 代换性酸度 水解性酸度
100％
（2）阴离子交换吸附
阴离子可与胶体微粒（如酸性条件下带正电荷的 含水氧化铁、铝）或溶液中阳离子（Ca2+ 、Al3+、 Fe3+）形成难溶性沉淀而被强烈地吸附。 阴离子被土壤胶体吸附的顺序如下：
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反映有效酸度，通常用pH表示。 (2)潜性酸度 土壤潜性酸度的来源是土壤腔体吸附的可代
换性H+和A13+．
①代换性酸度:用过量中性盐(如NaCI或KCl)溶液淋洗土 壤，溶液中金属高子与土壤中H+和AI3+发生离子交换作 用，而表现出的酸度，称为代换性酸度．即
3．酶系统的作用
耐性植物中有几种酶的活性在重金属含量增加时 仍能维持正常水平，而非耐性植物的酶活性在重金属 含量增加时明显降低。
4．形成重金属硫蛋白或植物络合素
1957年Margoshes等首次由马的肾脏中提取出一种结合 蛋白，命名为“金属硫蛋白”(简称MT)，能大量合成MT的细 胞对重金属有明显的抗性。而丧失MT合成能力的细胞对重金 属有高度敏感性。MT是动物及人体最主要的重金属解毒剂。
1.镉；2.铜；3.铅；4.鋅；5.汞。
四、植物对重金属污染产生耐性的几种机制
植物对重金属污染产生耐性由植物的生态学特性、遗 传学特性和重金属的理化性质等因素所决定，不同种类的 植物对重金属污染的耐性不同；同种植物由于其分布和生 长的环境各异，长期受不同环境条件的影响，在植物的生 态适应过程中，可能表现出对某种重金属有明显的耐性。
(1)pH
pH的大小显著影响土壤中重金属的存在形态和土 壤对重金属的吸附量。
(2)土壤质地
土壤质地影响着土壤颗粒对重金属的吸附。一般 来说，质地黏重的土壤对重金属的吸附力强，降低了 重金属的迁移转化能力。
(3)土壤的氧化还原电位 土壤的氧化还原电位影响重金 属的存在形态，从而影响重金属化学行为、迁移能力及 对生物的有效性。
一、土壤中农药的迁移
化学农药在土壤中的迁移是指农药挥发到气相的 移动以及在土壤溶液中和吸附在土粒上的扩散、迁移， 是农药从土壤进入大气、水体和生物体的重要过程， 主要方式是通过扩散和质体流动等。
1．扩散
扩散是由于热能引起分子的不规则运动而使物质 分子发生转移的过程。不规则的分子运动使分子不均 匀地分布在系统中，因而引起分子由浓度高的地方
(4)土壤中有机质含量 土壤中有机质含量影响土壤颗粒 对重金属的吸附能力和重金属的存在形态，有机质含量 较高的土壤对重金属的吸附能力高于有机质含量低的土 壤。
2．重金属的种类、浓度及在土壤中的存在形态
随着土壤中重金属含量的增加，植物体内各部分的积 累量也相应增加。而不同形态的重金属在土壤中的转化 能力不同，对植物的生物有效性亦不同。重金属的存在 形态，可分为交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合 态、有机结合态和残渣态。交换态的重金属(包括溶解态 的重金属)迁移能力最强，具有生物有效性(又称有效态)。
（3）分配作用与溶解度的关系
非离于型有机物分配作用随溶解度减小而增大。
2.土壤湿度对分配过程的影响
三、典型农药在土壤中的迁移转化
有机氮农药大部分是含有一个或几个苯环的氧的 衍生物。其特点是化学性质稳定，残留期长，易溶于 脂肪，并在其中积累。有机氯农药是目前造成污染的 主要农药。美国已于1973指年停止使用，我国也于 1984年停止使用。
1.土壤矿物质 土壤矿物质是岩石经过物理风化和化学风化形成的。
（1）原生矿物
石英、长石类、云母、辉石、角闪石、黑云母、橄榄 石、赤铁矿、磁铁矿、磷灰石、黄铁矿等。风化成
0.001-1mm颗粒，化学组成和晶体结构没有改变。
（2）次生矿物
由原生矿经过化学风化后形成新矿物，化学组成和 晶体结构没有改变。
2.有机磷农药
作业： 第2.4.5.7.10题
3．土壤质地分类及其特性
三、土壤吸附性 1.土壤胶体的性质 （1）土壤胶体巨大的比表面积和表面能； （2)土壤胶体的电性； （3）土壤胶体的凝聚性（吸引）和分散性（排斥） 凝聚作用：Na+<K+<NH4+<H+<Mg2+<Ca2+<Al3+<Fe3+ 2.土壤胶体的阳离子交换吸附
四、土壤酸碱性
支持植物和微生物生长繁殖的能力，被称为土壤圈。 土壤也是很脆弱又容易被人类活动所损害的环境要素。
第一节 土壤的组成与性质
一、土壤组成
土壤是由固体、液体和气体三相共同组成的多相 体系。土壤溶质的剩含量导致土壤溶液组成成分和浓度
的变化，并影响土壤溶液和土壤的性质，土壤固相包括 土壤矿gt;小麦>水稻>玉米。重金属在植物体 内分布的一般规律为：根>茎叶>颖壳>籽实。
2．重金属在土壤剖面中的迁移转化规律
进入土壤中的重金属大部分被土壤颗粒所吸附。土 壤柱淋溶实验发现淋溶液中的Hg，Cd，As，Pb 95％以上 被土壤吸附。在土壤剖面中，重金属无论是其总量还是 存在形态，均表现出明显的垂直分布规律，其中可耕层 成为重金属的富集层。
1.植物根系的作用
植物根系通过改变根际化学性状、原生质泌溢等作用 限制重金属离子跨膜吸收。
2.重金属与细胞壁结合
某些植物对重金属离子吸收能力的降低可以通过 根际分泌螯合剂而减少重金属的跨膜吸收。跨根际
的氧化还原电位梯度和pH梯度等来抑制对重金属的吸 收。
当重金属与细胞壁结合达到饱和时，多余的金属 离子才会进入细胞质。不同金属与细胞壁的结合能力 不同，
(1)吸附等温线呈线性 土壤胶体是主要的吸附剂， 农药在其上的吸附机理很复杂，包括静电吸附、离子 交换吸附、van der Waals力吸附、有机物之间的
疏水结合和氢键结合、配位交换等。如图4-6所示。
(2)不存在竞争吸附 在土壤—水体系中土壤矿物表面除吸附离 子型物质外，还与水分子发生偶极作用，它们几乎占据了剩余 的全部吸附位，使非离于型有机物很难吸附在矿物质表面的吸 附位置上。
土壤有机质含量增加，农药在土壤中渗透深度减 小。另外，增加土壤黏土矿物的含量，也可以减少农 药的渗透深度。
不同农药在土壤中通过质体流动转移的深度不同。
二、非离子型农药与土壤有机质的作用
农药可以分为离子型和非离子型农药，应用 品种、数量最多的是非离子型农药，如有机氮、有机 磷和氨基甲酸酯等类农药。
1．非离子型有机物在土壤—水体系的分配作用
1985年Grill从经过重金属诱导的蛇根木悬浮细胞中提取 分离了一组重金属络合肽，其相对分子质量、氨基酸组成、 紫外吸收光谱等性质都不同于动物体内的MT，所以不是植物
的类MT，而将其命名为植物络合素(简称PC)它可被重金属Cd， Cu，Hg，Pb和Zn等诱导合成。未经重金属离子处理过的细胞
中则不存在这种络合素。作用都是与进入植物细胞内的重金 属结合，使其以不具生物活性的无毒的螯合物形式存在，降 低金属离子的活性，从而减轻或解除其毒害作用。当重金属 含量超过金属结合蛋白的最大束缚能力时，金属才以自由状 态存在或与酶结合，引起细胞代谢紊乱，出现中毒现象。
五、土壤的氧化还原性
第二节 重金属在土壤—植物体系中的迁移及其机制
重金属元素Cu,Zn,Mn,Mo,Fe等在植物体内作催化 剂。多少适量。在土壤中存在过量的重金属，就会限 制植物的正常生长、发育和繁衍，以致改变植物的群 落结构。
一、影响重金属在土壤—植物体系中迁移的因素
1．土壤的理化性质
向浓度低的地方迁移运动。
影响扩散因素：①土壤水分含量；②吸附；③坚实度； ④温度；⑤气流速度；⑥农药种类。
2.质体流动
是由于水或土壤共同作用。几种农药在土壤中的 移动距离大小顺序为：非草隆>灭草隆>敌草隆>草不隆， 而它们的吸附系数大小顺序则相反，草不隆>敌草隆> 灭草隆>非草隆。即吸附最强者移动最困难，反之亦然。
第三节 土壤中农药的迁移转化
农药是一种泛指的术语，它不仅包括杀虫剂，还 包括除草剂、杀菌剂、防治啮齿类动物的药物，以及 动、植物生长调节剂等。其中主要是除草剂、杀虫剂 和杀菌剂。到1988年止，我国已批准登记的农药产品 和正在试验的农药新产品，共有248种，435个产品。 全世界生产的农药品种就更多了，在世界各国注册的 农药品种已有1 500多种，年产量约为200X104t。农药 污染现已成为全球性的环境问题。
2．粒级的主要矿物成分和理化特性 由于各种矿物抵 抗风化的能力不同，它们经受风化后，在各粒级中分布 的多少也不相同。
(1)石块和石砾 多为岩石碎块，直径大于1mm。其孔隙过大，水 和养分易流失。 (2)砂砾 主要为原生矿物，大多为石英、长石， 云母、角闪石等，其中以石英为主，粒径为1一0.05 mm，孔隙大， 通气和透水性强。 (3)黏粒 主要为次生矿物，粒径小于 0.001mm。含黏粒多的土壤，营养元素含量丰富，团聚能力较强， 有良好的保水保肥能力，但土壤的通气和透水性较差。 (4)粉粒 （面砂）是原生矿物与次生矿物的混合体，原生矿物有云母、长 石、角闪石等，粒径为0.05-0.005mm，黄土中含量较多。
3．土壤对重金属离子的吸附固定原理
土壤胶体对金属离子的吸附能力与金属离于的性 质及胶体的种类有关。同一类型的土壤胶体对阳高子 的吸附与阳离子的价态及离子半径有关。阳离子的
价态越高，电荷越多，土壤胶体与阳离于之间的静电 作用越大，吸附力也越大。具有相同价态的阳离子， 离子半径越大，其水合半径相对越小，较易被土壤胶 体吸附．
土壤中各类胶体对重金属的吸附影响极大，以Cu 为例，土壤中各类胶体的吸附顺序为：氧化锰>有机质 >氧化铁>伊利石>蒙脱石>高峙石。因此，土壤胶体中 对吸附贡献大的除有机质外，主要是锰、铁等氧化物。
三、主要重金属在土壤中的积累和迁移转化
一般来说，进入土壤的重金属主要停留在土壤的上层， 然后通过植物根系的吸收并迁移到植物体内，也可以随水 流等向土壤下层流动。
3．植物的种类、生长发育期 重金属进入土壤—植物体系后，除了物理化学因素影