环境管理_环境土壤学概述

环 境 土 壤 学 ENVIRONMENTAL SOIL SCIENCE,安徽师范大学环境科学学院 芜湖市北京东路1号 (241000),博 士 教授,戴万宏,Soil Environmentology,Unite 1. 土壤组成和性质 Soil constituents and properties,The soil can be viewed as a three-phase system comprising solid, liquid and gaseous constituents.,Solid phase mineral and organic material Parent material Vegetation Liquid phase soil water Precipitation Ground-water Gaseous phase soil atmosphere (air) Above-ground atmosphere Respiration of soil organisms,Unite 1. 土壤组成和性质 Soil constituents and properties,1. 土壤矿物质 Soil mineral material 2. 土壤有机质 Soil organic matter 土壤生物 Soil organisms 土壤质地和结构 Soil texture and structure 土壤水分 Soil water (moisture) 土壤空气和热量 Soil air and heat regime ，,Unite 1. 土壤组成和性质 Soil constituents and properties,第一章 土壤矿物质 Soil mineral material,Introduction 第一节 土壤矿物质的矿物组成和化学组成 第二节 粘土矿物 第三节 中国土壤粘土矿物分布规律,地壳物质组成： 元素 矿物 岩石,Introduction,矿 物 地壳及上地幔中的化学元素在各种地质作用下形成的具有相对固定化学组成和物理性质的均质单质或化合物。是组成岩石的基本单位。 岩 石 在各种地质作用下，按一定方式结合而成矿物复合体。是构成地壳和地幔的主要物质。,岩石按形成方式分类 岩浆(火成)岩 地球内部岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝形成的岩石。 沉积岩 由地壳表面早期形成的岩石经风化、搬运、沉积、 压实、胶结硬化而形成的岩石。 变质岩 原来存在的岩石在新的地壳变动或岩浆活动产生的高 温、高压下，使岩石的矿物重新结晶，重新排列，改 变其结构、构造和化学成分，而形成的新岩石。,The mineral fraction of soils is derived largely from weathering of the underlying parent material, which may consist of consolidated bedrocks or unconsolidated superficial deposits.,Bedrock,Igneous(火成岩） Sedimentary(沉积岩） Metamorphic（变质岩）,Deposit,Riverine alluvium（河流冲积物） Glacial till (冰积物） Lacustrine clays (湖积粘土）,土壤矿物来源,第一节 土壤矿物质的矿物组成和化学组成 Soil mineral constituents and chemical compositions,一、元素组成 二、矿物组成,一、土壤矿物质的主要元素组成 地壳和土壤的平均化学组成（W%）,几乎包括元素周期表中所有元素； 土壤矿物质元素的相对含量与地球表面岩石圈元素的平均含量及其化学组成相似。 O、Si、Al、Fe为主，四者共占88.7%以上； 植物必需营养元素含量低，分布不平衡。 化学组成既继承了地壳化学组成的特点，又反映了成土过程中元素的分散、富集特性和生物积聚作用。O、Si、C、N等增加，Ca、Mg、K、Na等减少。,土壤矿物质元素组成特点：,二、土壤的矿物组成,原生矿物 经过不同程度的物理风化，未改变化学组成和晶体结构的原始成岩矿物。土壤粗粒部分主要由原生矿物组成。 硅（铝硅）酸盐矿物：长石类、辉石、角闪石、云母类 碳酸盐矿物：方解石、白云石 (氢)氧化物矿物：石英、赤铁矿、褐铁矿、金红石 磷酸盐矿物：鳞灰石 次生矿物(粘土矿物) 由原生矿物经过风化、成土过程分解转化而形成的矿物。粘粒主要由次生矿物组成。 高岭石、蒙脱石、伊利石 、蛭石、 绿泥石、 氧化物,土壤原生矿物简介,土壤原生矿物简介,以硅酸盐和铝硅酸盐为主 氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。 如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。 原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性 石英最稳定,是粗土粒的主要成分；白云母和长石较稳定,在粗土粒中较多；黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物易风化。 原生矿物对土壤肥力的贡献 构成土壤的骨骼土粒 原生矿物是植物养分的重要来源, 通过风化提供养料Ca、Mg、K、P、S等,硅酸盐矿物 Silicate mineral,闪石 amphibole,辉石 augite,长石 feldspar,云母 mica,Oxide 氧化物,石英 quartz,金红石,赤铁矿 hematite,Phosphate 磷酸盐,磷灰石 phosphate rock,Carbonate 碳酸盐,方解石 calcite,白云石,硅酸盐矿物构造,硅氧四面体 Silicon-oxygen tetrahedron Si4+ O2- (SiO4)4-,架硅酸盐矿物,链状硅酸盐矿物,环硅酸盐矿物,Sheet silicates 片状硅酸盐矿物,硅酸盐矿物构造与稳定性的关系,原生矿物的风化稳定性,第二节 粘土矿物 Clay mineral,Introduction 层状硅酸盐粘土矿物 Sheet silicate clay minerals 非硅酸盐粘土矿物 Non-silicate clay minerals,粘土矿物的类型特征综合反映了土壤的风化和成土条件，研究和鉴定其种类、数量和特征有重要意义. 帮助了解各种土壤在发生学上的地位； 帮助了解土壤的理化性质（如吸湿性、可塑性、胀缩性和吸附性等）; 概略评价肥力特征及质量。,粘土矿物简介,土壤中的主要次生矿物 Aluminosilicates (铝硅酸盐类) 高岭石 、 蒙脱石、 伊利石 、蛭石、绿泥石 Simple salts (简单盐类) 碳酸盐、 硫酸盐(石膏) 、氯化物 Oxides (氧化物类) 针铁矿、赤铁矿、三水铝石、锐钛矿,Aluminosilicates 铝硅酸盐类,高岭石 Kaolinite,蒙脱石 Montmorillonite,绿泥石 Chlorite,Simple salts 简单盐类,方解石 calcite,白云石,Oxide 氧化物类,针铁矿 goethite,褐铁矿,三水铝石 gibbsite,第二节 粘土矿物 Clay mineral,Introduction 层状硅酸盐粘土矿物 Sheet silicate clay minerals 非硅酸盐粘土矿物 Non-silicate clay minerals,一、层状硅酸盐粘土矿物 Sheet silicate clay minerals,（一）构造特征,1.基本结构单位 2.单位晶片 3.单位晶层 4.同晶替代,(二) 硅酸盐粘土矿物的种类和一般特性,1.基本结构单位,Silicon-oxygen tetrahedron 硅氧四面体 (SiO4)4-,Aluminum-oxygen octahedron 铝氧八面体 (AlO6)9-,2. 单位晶片,Hexagonal arrangement,n (Al4O12)12-,Silicon-oxygen tetrahedron sheet 硅氧四面体片,Aluminum-oxygen octahedron sheet 铝氧八面体片,n (Si4O10)4-,2. 单位晶片,n (Al4O12)12-,Aluminum-oxygen octahedron sheet 铝氧八面体片,Clay minerals are made up of various combinations of three fundamental sheet structures: Si-O sheet in which the Si-O tetrahedron are linked in a hexagonal arrangement; Al-O sheet in which the Al3+ ions are surrounded by six closely packed hydroxyl (OH-) ions to form an octahedron structure; Mg-O sheet whose structure is similar to that of the Al-O sheet but contains Mg2+ ions rather than Al3+.,3. 单位晶层,3. 单位晶层,1:1 型晶层 2:1 型晶层 2:1:1 型晶层,1:1 型晶层 (Kaolinite) one silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet,1:1 型晶层 (Kaolinite) one silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet,2:1 型晶层 (Montmorillonite, illite) two silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet,2:1 型晶层 (Montmorillonite, illite) two silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet,2:1 :1 型晶层 (Chlorite 绿泥石） two silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet，forming a 2:1 layer structure, to one further Mg-O (brucite) sheet which occupies the interlayer position.,4. 同晶替代 （Isomorphous substitution）,组成矿物的中心离子被电性相通、大小相近的离子所替代而晶格构造不变的现象叫做同晶替代（同型异质替代）。 The most common substitutions involves replacement of some Si4+, in Si-O tetrahedron, by Al3+, and the substitution of Al3+, in Al-O oxtahedron, by Mg2+ or Fe3+. This substitution also can led to forming the Mg-O sheet.,同晶替代常见的是以低价代高价的金属离子，所以产生的电荷以负为主。粘土矿物以负电荷为主，通过静电引力吸附阳离子。阳离子养料吸附是土壤一个极重要特性，和肥力关系密切。 同晶替代现象在2:1和2:1:1型粘土矿物中比较普遍，而1:1型粘土矿物中则相对较少。,4. 同晶替代 （Isomorphous substitution）,一、层状硅酸盐粘土矿物 Sheet silicate clay minerals,（一）构造特征,1.基本结构单位 2.单位晶片 3.单位晶层 4.同晶替代,(二) 硅酸盐粘土矿物的种类和一般特性,Classification of clay minerals is based on three criteria: The ratio of different sheets within a unite layers, The interlayer or basal spacing between unite layers, The interlayer components or species.,土壤中层状硅酸盐粘土矿物种类很多，根据其构造特点和性质可归纳为四类： 高岭组 蒙蛭组 水化云母组 绿泥石组,(二) 硅酸盐粘土矿物的种类和一般特性,硅酸盐粘土矿物 （构造特点、性质）,高岭组 Kaolinite group 1:1 layer clay minerals 高岭石、珍珠陶土，埃洛石等,蒙蛭组 Montmorillonite group 2:1 layer and shrink-swell minerals 蒙脱石，绿脱石，拜来石，蛭石等,水化云母组 Hydrous mica group 2:1 layer and no shrink-swell minerals 伊利石等,绿泥石组 Chlorite group 2:1:1 layer clay minerals 绿泥石等，富含镁、铁,Kaolinite has a 1:1 layer structure and an interlayer spacing of around 7 (0.7nm). Layer units are attracted by hydrogen bonding and the crystals have a characteristic hexagonal appearance.,1. 高岭组 (1:1 型矿物) 高岭石、珍珠陶土，埃洛石等,高岭组粘土矿物特性 1:1型。 结构相似，分子式：Al4Si4O10(OH)8 , SiO2/Al2O3 分子比率2。 非膨胀性。 四面体片与八面体片通过共用氧原子结合成一个晶片，晶片间 以较强的氢键相连，水化时基本不膨胀。 电荷数量少。 没有或极少存在同晶替代现象。吸附阳离子的能力极弱，吸附 容量3-15cmol(+)/kg。含量高的土壤保肥性差。 OH群中H在一 定酸度下解离，使其带少量负电荷，且随酸度条件而改变。 胶体特性较弱。 呈片状，颗粒较粗、总表面积较小（10103 20103m2/kg) 。 粘结性、可塑性和吸湿能力较弱。 热带、亚热带土壤中普遍存在，北方及青藏高原土壤中少。,两个四面体片夹一八面体片组成一个晶片，八面体片中，部分Mg取代Al而使层片带负电，多余电荷由层间阳离子中和。水化时膨胀严重。,Montmorillonite (Smectite) is a 2:1 layer clay mineral with interlayer positions dominated by Na+ and Ca2+ ions, and water molecules. Although its basal spacing is approximately 14 (1.4nm), this varies somewhat due to its shrink-swell characteristics which occur on wetting and drying.,2. 蒙蛭组 (2:1 膨胀型矿物) 蒙脱石，绿脱石，拜来石，蛭石等,蒙蛭组粘土矿物特性 2:1型。 结构相似，分子式：Al4Si8O20(OH)4nH2O, SiO2/Al2O3分子比率2-4。 胀缩性大。 层间结合力（分子引力）较小。晶架间距可变， 9.6-21.4 电荷数量多。 普遍存在同晶替代现象。Si-O片，铝代硅；Al-O片中镁、铁代铝， 带有阴电荷，有较强的吸附阳离子能力，吸附容量80-150cmol (+)/kg 含量高的土壤保肥性强。 胶体特性突出。 呈片状，颗粒特别细，总表面积大（600103 800103m2/kg) 。含 量多的土壤，粘结、粘着性、可塑性和吸湿能力特别强，耕作不利。 东北黑钙土和华北栗钙土中含量较多，华北的褐土和西北的灰钙土中也有。,3. 水化云母组 (2:1 型非膨胀型或伊利组矿物) 伊利石等,Illite also is a 2:1 layer clay minerals with an interlayer spacing of approximately 10 (1.0nm) and K+ ions as the dominant interlayer component. 伊利石晶架间的钾离子同时受 相邻两晶架的阴电荷的吸附，产生 了联结的效果，使其不易胀开。这 和蒙脱石类有明显区别。,水化云母组粘土矿物特性 2:1型。 结构相似，分子式：K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/Al2O3分子比率3-4。 非膨胀性。 晶架间吸附阳离子以K+为主，半陷于晶穴内，同时受相邻两晶层 阴电荷的吸附，产生了强联结的效果，不易胀开。层间距1.0nm。 电荷数量较多。 同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间 K+中和，有效电荷量少于蒙脱石，吸附容量介于高岭石和蒙脱石之 间，为2040cmol(+)/kg. 胶体特性 介于高岭组和蒙脱组之间。 伊利石主要存在于我国北方干旱地区土壤中，南方土壤含量很低。,2:1粘土矿物的相邻晶片间加入一个八面体片，此八面体片中Mg被Al部分取代而带正电荷，中和了相邻晶片上的负电荷。由于强烈的静电吸引使其成为非膨胀粘土。,Chlorite has a 2:1:1 layer structure (two Si-O sheet to one Mg-O sheet, forming a biotite mica (滑石）layer, to one further Mg-O sheet which occupies the interlayer position) with an interlayer spacing of about 14 (1.4nm).,4. 绿泥石组（ 2:1:1 型矿物 ） 以绿泥石为代表，富含镁、铁,绿泥石组粘土矿物特性 2:1:1型。 化学式为MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 同晶替代较普遍。 硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代Si4+、铝片中 Mg2+代Al3+产生负电荷，水镁片中Al3+ 代Mg2+产生正电荷，两者 相抵为净负电荷，介于伊利石与高岭石之间，为1040cmol (+)/kg 。 颗粒较小。 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中。 土壤绿泥石主要来自母质遗留，沉积岩和沉积物中较多。,第二节 粘土矿物 Clay mineral,Introduction 层状硅酸盐粘土矿物 Sheet silicate clay minerals 非硅酸盐粘土矿物 Non-silicate clay minerals,二、非硅酸盐粘土矿物 铁、铝、硅、锰等的氧化物及其水合物 结晶质和非晶质 可变电荷，表面羟基的质子化或离解，因介质pH而异，可正可负（两性胶体） 低pH： M-OH + H+M-OH2+（水合基） 高pH： M-OH + OH-M-O- + H2O,氧化铁( Iron oxide ) 主要矿质染色剂 针铁矿(-FeOOH)：晶体较大者为黄色，较小者为棕色，存在于湿 润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核 赤铁矿(-Fe2O3) ：红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜 纤铁矿(-FeOOH) ：棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤 磁赤铁矿(-Fe2O3) ：暗红棕色, 存在于高度风化且有机质少的表土 磁铁矿（Fe3O4）：棕黑色，多存在于母质中,有时与磁赤铁矿共存 无定形铁（Fe(OH)3）：棕色，胶膜，锈水,氧化铁的形态及转化 非游离铁 全铁 （Fet） 游离铁 结晶质 （Fed） 无定形或活性铁 非络合铁 （Feo） 络合铁（Fep）,无定形隐晶质晶质,氧化铝 (Aluminium oxide) 硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石Al2O33H2O，Al(OH)3和粘土矿物。 湿热强度风化脱硅富铝化的指标之一。 我国北纬30度以南土壤(红壤、砖红壤等)中才出现。 花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中有三水铝石存在。 无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表面性质可吸附固定H2PO4-等阴离子，减低其有效性。,氧化硅 (Silicon oxide) 结晶质和非晶质 晶质以石英为主 非晶质为蛋白石(SiO2nH2O)，脱水结晶为玉髓、石英、方石英、鳞石英等变体。 土壤中部分蛋白石来源于有机体，其含量常与有机质含量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。 水铝英石(Allophane) 非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物，Si/Al变化在1-2之间。比表面较大，带较多负电荷，数量决定于水化程度和溶液pH,第三节 中国土壤粘土矿物分布规律,一、风化和成土作用与粘土矿物组成的关系 粘土矿物是次生矿物，其形成和类型分布一方面受母岩、母质的矿物学组成影响，另一方面又和风化、成土条件（气候、生物、地形等）密切相关。 气候和生物因素的分布式随纬度变化的，因而土壤粘土矿物的分布也有随生物、气候分布的纬度地带性规律。 南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化度高，粘土矿物以1:1型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率2左右，属铁铝土。 北方温带地区，粘粒矿物为各种2:1型(伊利石、蒙脱石等)，粘粒硅铝铁率多在3以上。风化度低，属硅铝土。,原生矿物风化淋溶直接演变（学说） +H2O，-K -K -Mg -Si -Si 云母类 伊利石 蛭石 蒙脱石 高岭石 三水铝石,粘土矿物形成途径,风化沉淀（自然合成）学说 原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。 SiO2nH2O