第四章 土壤环境化学

第四章土壤环境化学

第一节土壤的组成与性质

土壤是自然环境要素的重要组成之一，它是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，被称为土壤圈。它具有独特的组分、结构与功能且与大气、水、生物、岩石等圈层相互作用、相互依存的疏松堆积物的连续圈层，同时具有复杂多变的组成，特定的结构、功能和演变规律。在土壤生态系统中，物质和能量流不断地由外界环境向土壤输入，通过土壤本身的迁移转化，引起土壤成分、结构、性质和功能的转变，从而推动土壤的发展和演变，物质和能量流从土壤向环境的输出，也必然会导致环境成分、结构和性质的转变。所以，土壤在整个地球环境系统中具有独特的空间特性，是人类生活的一项极其宝贵的自然资源。

一、土壤的形成和剖面形态

1.土壤的形成

裸露在地球表面的岩石，在变化的环境条件长期作用下，逐渐被破坏，形成疏松的、大小不等的矿物颗粒，产生了形成土壤的材料，即母质。上述作用，称为岩石风化作用。岩石风化形成土壤母质，并具有某些岩石所不具备的特性，如透气性，透水性和蓄水性等，且含有少量可溶性矿物元素。但是，此时的土壤母质并不是土壤，原因是他还缺乏完整的肥力，尤其缺少植物最需要的氮素。

土壤母质必须在一定的水、气、热和生物的作用下，通过一系列的物理化学和生物化学的作用，逐渐具有土壤肥力，并由此与其他自然体区分开来。土壤的形成是漫长而复杂的过程，受到各种因素的影响，而生物作用是土壤形成中主导因素，在以生物为主的综合因素作用下，土壤母质逐渐具有肥力形成土壤的过程为成土作用。在土壤肥力和土壤成土作用的共同影响下，母质开始积累一定的氮素养料，绿色植物出现，生物体的生命活动进过新陈代谢作用合成各种有机物，生物死亡后，经过微生物活动，各种营养元素随生物残体留在母质中，周而复始，

是土壤肥力组成逐渐完善，形成真正意义上的土壤。

2.土壤剖面形态

均质的母质，在区域成土因素综合作用下，经一定的成土过程，产生一定的剖面形态特征，这种剖面形态特征代表了土壤作为一个历史自然体的一系列发生学特征，也代表了它作为农业生产资料的一系列肥力特征。

土壤剖面(soil profile)是一个具体土壤的垂直断面，一个完整的土壤剖面应包括土壤形成过程中所产生的发生学层次，以及母质层次。不同发生层的组合就构成了各种类型的土体构型，也就是各种各样的土壤类型。

依据土壤剖面中物质累积、迁移和转化的特点，一个发育完全的土壤剖面，从上到下可划出三个最基本的发生层次，即A，B，C层，组成典型的土体构型。森林土壤，A层的上面为枯枝落叶层所覆盖，传统上称覆盖层，或有机层O，以

A OO 来表示枯枝落叶层,以A

O

来表示粗有机质层,以A表示腐殖质层。示意图见图

4-1。

由于自然因素的原因，相邻土层间的界限不一定是清晰的，层间可以形成逐

渐过渡的亚层，层内也可以细分为各个亚层。在另外的角度上，土壤亦可局部缺失一个或多个土层。见图4-2。

二、土壤的组成

土壤是由矿物质、有机质和活的生物有机体以及水分、空气等固、液、气三相组成。其相对含量因地因时而异。按重量计，固相物质约占土壤总容量的50%左右，而矿物质可占固相部分的90％～95％以上，有机质约占：1％～ 10％；液相和气相之和约占土壤总质量的50%。土壤三相物质的比率处于动态平衡状态。基本比例见图4-3。

1.土壤无机矿物质

土壤矿物是岩石经过物理风化和化学风化形成的。按其成因分为原生矿物、次生矿物。在土壤形成过程中，原生矿物以不同的数量与次生矿物混合成为土壤矿物质。

土壤中最主要的原生矿物包括长石类、云母类、辉石类、角闪石类、石英、赤铁矿、金红石、黄铁矿、磷灰石等。

原生矿物中，石英最难风化，长石次之，辉石、角闪石、黑云母易风化。因而石英常成为较粗的颗粒，遗留在土壤中，构成土壤的砂粒部分；辉石、角闪石和黑云母在土壤中残留较少，一般都被风化为次生矿物。

次生矿物主要是由原生矿物经风化而重新形成的新矿物，其化学组成与结构已发生了变化。据其性质与结构可分为三类：简单盐类、三氧化物类、次生铝硅酸盐类。土壤中次生矿物的颗粒很小，粒径一般<0.25mm，具有胶体的性质。

常见的次生矿物有方解石（CaCO

3）、白云石[Ca Mg（CO

3

）

2

]、石膏（CaSO

4

·2H

2

O）、

芒硝、针铁矿（Fe

20

3

·H

2

O）、褐铁矿（2Fe

2

O

3

·3H

2

O）、伊利石、蒙脱石和高岭石

等。

2.土壤有机质

土壤有机质是由各种有机物质组成的复杂系统，是土壤中含碳有机化合物的总称。主要可分为两类：非特异性土壤有机质和土壤腐殖质。普通有机物包括碳水化合物、蛋白质、木质素、有机酸以及含N,P,S的有机物等。腐殖质是土壤中一种特殊的有机物，其约占有机质总量的50％～65％。它的主要成分为胡敏酸、宫里酸和胡敏素。腐殖质通常带有电荷，并具有较强的吸收、缓冲性能。腐殖质

对土壤的理化性质和生物学性质有重要影响。腐殖质胶体中多种能解离的官能团，可与重金属离子等形成络合物或鳌合物，增加其水溶性，使之随水迁移或吸附、固定，减轻其危害。因此，提高土壤腐殖质含量是减轻污染危害及增强土壤自净能力的重要措施。

土壤有机质一般占固相总重量的10%以下，是土壤的重要组成部分，是土壤形成的主要标志，对土壤性质有很大的影响。

3.土壤生物

土壤生物指土壤中活的有机体。包括微生物（细菌、放线菌、真菌和藻类等）土壤微生物（原生动物、蠕虫、和节肢动物等）和土壤动物（两栖类、爬行类等）。土壤生物参与岩石的风化和原始土壤的生成，对土壤的生长发育、土壤肥力的形成和演变，以及高等植物营养供应状况有重要作用。土壤物理性质、化学性质和农业技术措施，对土壤生物的生命活动有很大影响。

4.土壤空气

土壤空气，是指存在于相互隔离的土壤孔隙中大气，主要成分与大气基本相

似，为N

2、O

2

、CO

2

。但与大气相比还存在以下特点：

(1)土壤空气存在于孔隙中，是一个不连续的体系；

(2)比大气有较高的含水量；

(3)在CO

2

含量上有很大差异；

土壤空气中还含有少量还原性气体，如CH

3、H

2

、H

2

S、NH

3

等。如果是被污染

的土壤，其空气中还可能存在污染物，且组成和数量处于变化中。

5.土壤水分

土壤水分是土壤的重要组成成分，主要来自大气降水、降雪和灌溉。土壤水是植物吸收水分的主要来源（水培植物除外），另外植物也可以直接吸收少量落在叶片上的水分。水进入土壤以后，由于土壤颗粒表面的吸附力和微细孔隙的毛细管力，可保持一部分水。不同土壤对水分的保持能力不同。同时，气候条件对土壤水分含量影响也很大。

土壤水分并非纯净水，实际上是土壤中各种成分和污染物溶解形成的溶液，即土壤溶液。因此，土壤水分是植物养分的主要来源，也是进入土壤的各种污染