环境学概论——第四章土壤环境

3、土壤矿物质的机械组成 土壤质地（机械组成）：土壤中各粒级在土壤
中所占的相对比例或重量百分数。
土壤颗粒分级：石块、石砾、砂砾、粉砾、粘粒
土壤颗粒分级
颗粒名称 石块
粒径（mm） ＞10
石砾 砂砾 粉粒 粘粒
粗砾 细砾 粗砂粒 细砂粒 粗粉粒 细粉粒 粗粘粒 细粘粒
10—3 3—1 1—0.25 0.25—0.05 0.05—0.01 0.01—0.005 0.005—0.001 <0.001
酸性条件下：解离出OH - 或吸附H+而带正电 Al(OH)3 + HCl → Al(HO)2+ + H2O + Cl Al(OH)3 + H+ → Al(HO)2( H2O) +
等电点
当土壤溶液的pH值发生变化时，两性胶体所 带电荷数量和符号也随之发生变化。
在此变化过程中总可以找到一点，即向溶液解 离的H+与OH-数量相等的点，此时胶体不带电荷， 处于电中性。这时的pH值称为该两性胶体的等 电点。
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同晶置换作用产生的电荷 O
O
与土壤溶液的pH值无直接关
O
系，因而把不受pH值影响产
Al O
生的电荷称为永久电荷。一
O
般都带负电荷，故又称永久
O
[ ]-
→ Mg O
O
负电荷。
断键现象
粘土矿物晶格边缘或棱角上，因断键也可使胶体 带电。
Si O Si Si O
带负电
Al O Al Al O
在通气良好的条件下，土壤中的根系长、颜 色浅、根毛多，根的生理活动旺盛。
缺氧时，根系短而粗、色暗、根毛大量减少， 生理代谢受阻。
当土壤空气中，氧的浓度低于9%~10%时，根系 发育就受到影响。低于5%时，大部分的植物根 系就会停止发育。
（四）土壤溶液 1.土壤水循环
2.土壤水循环
吸湿水: 土壤颗粒从空气中吸收的汽态水分子。
2、人口增长不可逆转
3、消费水平的提高不可逆转
粮食供应压力加大！
（二）土壤圈的概念
是覆盖于地球陆地表面和浅水域底部的土壤 所构成的一种连续体或覆盖层，犹如地球的地膜。 是由瑞典学者马特松（S.Matson）于1938年首先 提出来的。
土壤圈在地理环境中的地位
1 土壤圈与生物圈: 养分元素的循环，土壤支持和调节
（2）无机胶体：土壤矿物质胶体。
（3）有机—无机复合胶体：有机质和矿物质通 过各种键力相互结合而成。
2.土壤胶体的构造 胶粒
微粒团
微粒核带电是因为介
质溶液解离离子。 微粒核 -
胶粒的性质决定于直 -
+ +
+ +
+ +
+
接附着在微粒核上的离
子，即决定于内层的电 内离子层 外离子层
荷。
决定电位离子层 补偿离子层
非活性补偿离子层 活性补偿离子层
3.土壤胶体的性质 （1）巨大的比表面和表面能
比表面：单位重量固体颗粒的表面积。物体被 分割的愈细，单体数目愈多，总表面积就愈大， 比表面也愈大。
表面能：胶体的外表面受到内部和外部的吸 引，使物体具有的自由能。
（2）土壤胶体的带电性
同晶置换作用
[ ]-
Si O → Al O
（二）土壤的有机质
1.土壤有机质 土壤中动、植物、微生物等死亡残体，及其分 解和合成的各种有机质，即腐殖质。含量百分 之几，最高10%。 2、分类
普通有机质：动植物残体及其分解的中间产物， 如蛋白质、糖类、 有机酸等。
腐殖质(Humus)：动植物残体通过微生物作用， 发生复杂的转化而生成的有机胶体物质。
第一节 土壤的组成和性质
一、土壤的组成
矿物质（原生矿物、次生矿物）
固相
有机物（腐殖质、土壤生物）
土壤组成
气相 土 壤 空 气 液相 土 壤水分或 溶 液
图 土壤中固、液、气相结构示意图
（一）土壤矿物质 1.原生矿物
来源：直接来源于母岩的矿物，只受到不同程 度的物理风化作用，而化学成分和结晶构造未有 大的改变。 类型：硅酸盐、铝硅酸盐类，氧化物类，硫化 物类，磷灰石类。
胶核
M n

nNH
4

胶核

nNH
4

M n
按当量规律进行
影响因素： 阳离子的交换能力 胶体的电荷数量
衡量指标：
交换量：每千克土中所含全部阳离子总量，称 阳离子交换量，或称交换性阳离子总量，也可简 称交换量。 盐 基 饱 和 度 ： 土 壤 交 换 性 阳 离 子 ， 包 括 H+ 、 Al3+ 和 盐 基 离 子 ， 如 Ca2+ 、 Mg2+ 、 Na+ 、 K+ 、 NH4+ 等。交换性盐基离子总量占交换性阳离子总量 的百分比，称为盐基饱和度 。
pH >等电点，带负电 pH =等电点，不带电 pH <等电点，带正电
两性胶体产生的电荷与土壤溶液的pH值有直接 关系，因而把受pH值影响产生的电荷称为可变 负电荷。
（3）土壤胶体的分散性和凝聚性
溶胶：胶体微粒分散在水中成为胶体溶液 凝分 聚散
凝胶：胶体微粒相互凝聚呈无定形的凝聚体。
溶胶发生是因为胶粒带同种电荷而相互排斥。溶 液碱性增强，亦能使胶体分散。低价阳离子代换 高价阳离子也使凝胶遇水分散。
（三）土壤空气 1.土壤空气的组成 近地大气组成： 氧气20.94% ；二氧化碳0.03%； 氮气78.08% 其他气体0.95%； 相对湿度60—90 %。
土壤空气组成： 氧气10.35—20.03%；二氧化碳0.15—0.65%； 氮气78.8—80.2%；相对湿度100%。
2、对植物的直接影响 ——为植物的呼吸作用，提供必需的氧气
胶体向溶液介质解离或吸附离子而带电 某些胶体可能向溶液介质解离H+ 而带负电， 或解离OH- 而带正电。 两性胶体，解离或吸附离子受溶液的pH值影响。
碱性条件下：解离出H+或吸附OH -而带负电 Al(OH)3 + NaOH → Al(HO)2O- + H2O + Na+ Al(OH)3 + OH - → Al(HO)2O( H2O) -
毛管水：由于毛管力的作用而保持在土壤中的 液态水。
重力水: 降水或灌溉后，不受土粒和毛管力 吸持，而在重力作用下向下移动的水，称为重 力水。植物可以很容易地吸收重力水，
（五）土壤剖面形态
A——腐殖质层
A
E——淋溶层
E
B——淀积层
B
C——母质层
C R——母岩层
R
C 母质
A C 幼年土
A B C 成熟土
人类食物链基础（大量元素， 微量元素）/我们都是“孙猴 子”！
土壤资源是人类可持续发展的基础
可持续发展的条件：
人口的零或负增长 （中国每年净增人口>400万） 资源破坏的零或负增长 （中国每年减少土地>300万亩） 生态环境恶化的零或负增长 （中国荒漠化速度2620km2/年）
短期内不可逆转的趋势： 1、 耕地减少不可逆转
硅酸盐类：Na2SiO3（主要是K、Na、Mg、Ca、Al ）
长石类：KAlSi3O8、NaAlSi3O8、CaAl2Si2O8 磷灰石：是一类含钙的磷酸盐矿物总称，其化学成分为Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)
长石类宝石
磷灰石
（二）次生矿物 岩石风化和成土过程中新生的矿物
原生矿物的分解 次生矿物粘土合成 脱盐基阶段：
影响土壤与外界水分、养分，空气和热量的交换。
结构良好实质是土壤颗粒小、土粒细、粘结力 强、形成复粒。
（2）促进土壤颗粒聚合的因素
丰富的有机物、腐殖质 植物根系作用；微生物、动物活动； 物理作用：干湿交替、冻溶交接； 农业耕作。
2.土壤孔隙 （1）含义：土壤颗粒之间存在着空间称为土 壤孔隙。
A E B C 当地典型土
土壤个体发育的一般图式
典 型 土 壤 剖 面
不 同 区 域 的 典 型 土 壤 剖 面
土壤的形成： 地壳运动和火山活动等
破碎的岩石 风化
早期土壤 生物作用
现代土壤
二、土壤的物理化学性质
（一）土壤的物理性质
1.土壤结构 （1）土壤颗粒（包括单独颗粒、复粒、团聚体） 的空间排列方式及其稳定度，孔隙的分布和结合 的状况称为土壤结构。
K2Al2Si6O16 + H2O → KHAl2Si6O16 + KOH KHAl2Si6O16 + H2O → H2Al2Si6O16 + KOH
脱硅基阶段：
H2Al2Si6O16 + 5H2O → H2Al2Si2O8.H2O + 4H2SiO3
富铝化阶段：
H2Al2Si2O8 + 4H2O → 2Al(HO) 3 + 2H2SiO3
存在状态： 具有孔隙结构的疏松的 物质实体
土壤是植物性生产的基础
1、水分库的作用 2、营养库的作用 3、提供空气条件 4、提供热量条件 5、其他环境条件和支撑作用
H2O
CO2 O2 热量Q
热量Q O2 N,P K…
土壤是人类赖以生存的自然资源
在人类赖以生存的物质生活中， 人类消耗的约80％以上的热量， 75％以上的蛋白质和大部分的 纤维都直接来源自土壤。
凝胶产生主要是降低胶体的电动电位。
4.土壤的吸附作用
（1）土壤的机械吸附 （2）土壤的物理吸附（正吸附、负吸附） （3）化学吸附（养分的固定作用）
3Ca(HCO3)2 + 2H3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + H2CO3 Fe(HO)3 + H3PO4 → FePO4↓ + H2O
（4）生物吸附
第四章 土壤环境
民以食为天，食以土为本 万物土中生，有土斯有财
关于土壤、土壤圈与土地
（一）土壤的概念 是指陆地地表具有肥力并能生长植物的疏
松表层（包括海、湖浅水区）。
土壤
位置：
地球陆地表面
主要功能： 能生长植物，具有生物 多样性—生产功能
本质特征： 具有肥力
物质组成： 矿物质、有机质、生物、 水和空气
5、土壤的离子交换
土壤胶体表面吸收的离子与溶液介质中其电荷符 号相同的离子相交换，称为土壤的离子吸收和土壤 的离子交换作用。
根据土壤胶体吸收与交换的离子不同，可分为 阳离子的吸收和交换作用与阴离子的吸收和交换 作用。简称土壤的离子交换，其中主要是土壤阳 离子的交换。
土壤中阳离子的交换作用
特点： 可逆反应，迅速达到平衡
（三）土地的概念
1972年，在荷兰瓦格宁根召开关于土地评 价的专家会议上，对土地下了科学的定义， 并被联合国粮食与农业组织所接受，该组织 于1976年，在《土地评价纲要》中，对土地 作了如下定义：
土地是地球表面的区域，其特点包含上下
与该区域垂直的生物圈的所有相当稳定或周 期地循环的属性，包括大气、土壤、下面的 地质、水文和动植物群的属性以及过去和现 在人类活动的后果。这些属性对人类现在和 将来的土地利用有明显的影响。
4 土壤圈与岩石圈：进行金属元素和微量元素的循环，
土被覆盖在岩石圈的表层，对其具有一定的保护作用， 减少各种外营力的破坏。
*土壤圈的研究方向
（1）土壤圈与生物圈之间养分元素的交换与平衡， 土壤圈与水圈之间的水分循环与物质运动，土壤 圈与大气圈之间的大量气体及痕量气体的交换与 平衡，以及土壤圈与岩石圈之间元素迁移与转化； （2）土壤圈物质和能量循环与地球生命、人类生 存条件、自然环境及全球变化之间的关系。
（2）土壤孔隙的分类： 非毛管孔隙 孔径大于0.1毫米；持水能力差， 易通气、透水；土壤团聚体间以非毛管孔隙为 主。
毛管空隙 孔径小于0.1毫米；持水能力强， 不易通气透水；团聚体内部以毛管孔隙为主。
（二）土壤胶体及土壤的吸收交换性
1.土壤胶体的种类
（1）有机胶体：包括腐殖质、蛋白质、有机 酸及其衍生物等大分子有机化合物。
（四）土壤与土地的关系 从上述土地的定义中可以看到，土地是具有
一定面积并且边界多少的地理单位，是一个 立体的地理综合体，而土壤是土地的组成部 分。
二者不是同一范畴的概念。 土壤是土地的物质组成部分，而土地不仅包 括土壤要素，还包括地形、植被、水文、人文 等要素。
（五）土壤环境问题 1、由于人类不合理的活动，改变了影响土壤发 育的生态环境，使土壤本身受到破坏。 2、现代化工农业对土壤的污染。
土壤孔隙度：自然状态下，单位体积土壤 中孔隙体积所占的百分率。 土壤孔隙度的大小与土壤的质地、结构和 有机质含量有关。
砂土是33—35%，细砂土和砂壤土40—47%，粘 土47—55%。有结构土壤的孔隙度为55—65%， 有时可达70%，有机质含量多的泥炭土孔隙度可 达85%，一般作物适宜的孔隙度为50%左右。
生物的生长和发育过程，提供植物所需养分、水分和 适宜的理化环境，决定自然植被的分布。
2 土壤圈与水圈: 水分平衡与循环，影响降水在陆地和
水体的重新分配，影响元素的表生地球化学迁移过程 及水平分布，也影响水圈的化学组成。
3 土壤圈与大气圈：大量及痕量气体的交换，影响大气
圈的化学组成，水分与能量平衡；吸收氧气，释放CO2、 CH4、H2S、氮氧化合物和氨气，影响全球大气变化。