土壤化学1高教课堂

1、environmental chemistry1.环境化学：是一门研究潜在有害化学物质在环境介质中的存在、行为、效应环境化学：是一门研究潜在有害化学物质在环境介质中的存在、行为、效应以及减少或消除其产生的科学。以及减少或消除其产生的科学。2.地球环境系统：包涵大气圈、水圈、土壤圈及地球环境系统：包涵大气圈、水圈、土壤圈及“化学圈化学圈”。“化学圈化学圈”（chemosphere)：自然界产生的和人类活动排放的各种化学物质：自然界产生的和人类活动排放的各种化学物质组成的。组成的。3.环境化学研究范围：水环境化学、大气环境化学、土壤环境化学及化学物质环境化学研究范围：水环境化学、大气环境化学、土壤

2、环境化学及化学物质的生物效应和生态效应。的生物效应和生态效应。1教学运用基本概念1、环境背景值(environmental background value)：又称环境本底值，是指自然环境在未受污染的情况下，各种环境要素中的化学元素或化学物质的基本含量。2、环境容量（environmental capacity)：是指一个特定的环境或环境单元所能容纳某污染物的最大负荷量。公式： wc= ws - bwc：环境容量； ws ：环境标准值；b：环境背景值 。3、浓缩系数（concentration factor)：又叫富集系数或生物积累率，是指生物体内某种元素或难分解的化合物的浓度与生物生存的环境

3、中该物质的浓度之比。4、生物半衰期（biological half life ,bh)：环境中的污染物进入生物体后，由于生物的代谢作用和排泄作用，使污染物在生物体内的量减少到原有量的一半所需的时间（t1/2)。生物半衰期是评定环境中污染物在生物体内毒性积累程度的重要指标。任何时候生物体内积累的污染物浓度：ct=c0(1/2)t/t1/2毒物在体内积累的极限值经验公式：l=abh 1.44式中：l为毒物极限值；a为毒物吸收量；bh为生物半衰期。2教学运用例1 60年代日本发现的“骨痛病”病人的体内，含镉量平均为5000ppm，若镉在全身的半衰期为13年，试计算当体内含镉量代谢衰减至美国正常人的平

4、均值4ppm时，需要多长时间，并求其消除常数。解 设需要时间为t年, ct=c0(1/2)t/t1/2 t=133.75(年) k2=0.693/t1/2=0.0533例2 某毒物每日经口给动物染毒2毫克，吸收率为100%。生物半衰期为5天。求（1）毒物积累的极限值l；（2）经5天和10天后毒物在动物体内的积累量。3教学运用5、生物效应（biological effect)：对生物来说，任何物质只有在符合生物生理代谢所需要的适当含量时才是有益的，过量和不足对生物都会引起危害，这叫化学物质的生物效应。6、协同作用和拮抗作用协同作用（synergism)：在环境中同时存在两种以上的污染物时，若一种

5、污染物能加强另一种污染物的危害性，这种现象叫污染物的协同作用。拮抗作用（antagonism):一种有毒物质的作用被另一种物质抑阻，使其效果相互抵消或减弱的现象，称之为物质间的拮抗作用。如硒对汞的毒性，锌对镉的毒性有拮抗作用。7、阈值（threshold value)：是指生物接触毒物后，使机体产生异常生理的、生化的或某种潜在的病理学改变的最小剂量。8、富营养化（eutrophication)：由于人类活动产生的大量氮磷等营养物质排入湖泊、河口，从而引起藻类和浮游生物的迅速繁殖，使水体溶解氧减少，透明度下降，水质恶化，甚至导致鱼类和其他生物大量死亡，这种现象叫富营养化。水华赤潮4教学运用基本单

6、位： mg/l mg/kg mg/m3nm3 (normal cubic meters) ppm(parts per million) 10-6ppb(parts per billion)10-9ppt(parts per trillion) 10-12ld(lethal dose)致死剂量ld100(100% lethal dose)绝对致死剂量ld50(50% lethal dose)半致死剂量ld0(lethal dose)最大耐受剂量mld(minimum lethal dose)最小致死剂量5教学运用chapter 4 soil environment chemistry 4.1土壤

7、的组成土壤的组成(composition of soil) 一、一、composition 固：矿物质和有机质（占总量固：矿物质和有机质（占总量9095%） 组成组成 液：水分及其水溶物液：水分及其水溶物 气：孔隙中空气气：孔隙中空气6教学运用二、土壤的形态二、土壤的形态(formation of soil) 土壤剖面分四个基本层次：覆盖层、淋溶层、沉积层、土壤剖面分四个基本层次：覆盖层、淋溶层、沉积层、母质层、基岩。母质层、基岩。 如图如图4-27教学运用三、土壤矿物质土壤矿物质(minerals in soil)1、原生矿物质：岩石受到不同程度的物理风化而未经化学风化的碎屑物。、原生矿物质

8、：岩石受到不同程度的物理风化而未经化学风化的碎屑物。 四类：四类： （1） 硅酸盐类矿物：如长石类等。易风化释放出硅酸盐类矿物：如长石类等。易风化释放出k、na、ca、fe、mg、al等等（2） 氧化物类：如石英、赤铁矿、金红石、蓝晶石等。不易风化。氧化物类：如石英、赤铁矿、金红石、蓝晶石等。不易风化。 （3） 硫化物类：如黄铁矿和白铁矿，是土壤硫元素的主要来源。硫化物类：如黄铁矿和白铁矿，是土壤硫元素的主要来源。（4） 磷酸盐类：如磷灰石，是土壤中无机磷的主要来源。磷酸盐类：如磷灰石，是土壤中无机磷的主要来源。2、次生矿物：原生矿物经化学风化后形成的新矿物，具有胶体性质。、次生矿物：原生矿物

9、经化学风化后形成的新矿物，具有胶体性质。 三类：三类：（1）简单盐类：如方解石、石膏、泻盐等，常见于干旱和半干旱地区。）简单盐类：如方解石、石膏、泻盐等，常见于干旱和半干旱地区。（2）三氧化物：如针铁矿、褐铁矿、三水铝石等，常见于热带和亚热带。）三氧化物：如针铁矿、褐铁矿、三水铝石等，常见于热带和亚热带。（3）次生硅酸盐类：如伊利石、蒙脱石、高岭石等，构成土壤粘粒的主要成分。）次生硅酸盐类：如伊利石、蒙脱石、高岭石等，构成土壤粘粒的主要成分。8教学运用四、土壤有机物（四、土壤有机物（organic matter in soil)1、土壤有机质：是土壤中含碳有机物。（主要来源于动植物和微生物残体

10、）、土壤有机质：是土壤中含碳有机物。（主要来源于动植物和微生物残体）两类：两类：（1）非腐殖质物质：组成有机体的各种有机物，如蛋白质、树脂、糖类、有）非腐殖质物质：组成有机体的各种有机物，如蛋白质、树脂、糖类、有机酸等。占有机总量机酸等。占有机总量1015%。（2）腐殖质：特殊有机化合物，是动植物残体通过微生物作用转化而成，占）腐殖质：特殊有机化合物，是动植物残体通过微生物作用转化而成，占有机总量有机总量8590%。2、腐殖质（、腐殖质（humic substances):是一类特殊的有机化合物，它不是化学上单一是一类特殊的有机化合物，它不是化学上单一的物质，而是结构上和性质上有共同特点，又有

11、差异的一系列高分子化合物的物质，而是结构上和性质上有共同特点，又有差异的一系列高分子化合物组成的一类有机质，它不属于有机化学中现有的任何一类。组成的一类有机质，它不属于有机化学中现有的任何一类。三类：三类：腐殖质酸（腐殖质酸（ humic acid)：可溶于稀碱液，不溶于酸的部分，分子量较大。：可溶于稀碱液，不溶于酸的部分，分子量较大。富里酸（富里酸（ fulvic acid)：可溶于稀碱液，又溶于酸的部分，分子量较小。：可溶于稀碱液，又溶于酸的部分，分子量较小。腐黑物（腐黑物（ humin）：不能被酸碱提取的部分。）：不能被酸碱提取的部分。水中腐殖质酸是胶体，最易处理；富里酸不易降解。水中腐

12、殖质酸是胶体，最易处理；富里酸不易降解。9教学运用五、土壤中的水分五、土壤中的水分主要来自大气降水和灌溉。主要来自大气降水和灌溉。 水汽蒸发水汽蒸发 返回大气返回大气水循环：大气降水水循环：大气降水 渗入土壤渗入土壤 超过土壤渗入能力超过土壤渗入能力 地表径流地表径流 土壤中水土壤中水 植物吸收植物吸收 地下渗漏，补充地下水地下渗漏，补充地下水注意：土壤水分并非纯水，是土壤溶液，是各种污染物向其他环境圈层迁注意：土壤水分并非纯水，是土壤溶液，是各种污染物向其他环境圈层迁移的媒介。移的媒介。10教学运用六、土壤中的空气六、土壤中的空气 1、土壤空气：土壤孔隙中所存的各种气体的混合物。、土壤空气：

13、土壤孔隙中所存的各种气体的混合物。 2、与大气比较：、与大气比较： 相同点：组成成分基本相似，主要为氧气、氮气、二氧相同点：组成成分基本相似，主要为氧气、氮气、二氧化碳及水汽。化碳及水汽。 不同点：（不同点：（1）土壤空气是不连续的）土壤空气是不连续的 （2）土壤空气比大气有较高的含水量）土壤空气比大气有较高的含水量 （3）土壤空气中二氧化碳的含量比大气中含）土壤空气中二氧化碳的含量比大气中含量高，氧含量低。量高，氧含量低。11教学运用4.2土壤的物理化学性质 一、土壤吸附性（soil adsorption) 1、土壤的胶体性质 土壤胶体（ colloids of soil) ：由土壤胶粒（胶

14、粒范围1100nm)分散在土壤溶液中而形成，包括无机胶体（矿物mineral、水合氧化物hydrated oxide)和有机胶体（腐殖质） （1）土壤胶体具有巨大的比表面和表面能 a：比表面：单位重量（或体积）物质的表面积 如；蒙脱石类表面积最大（700800m2/g），伊利石次之（100120m2/g ）高岭石最小（520m2/g），有机胶体（700m2/g） 。 b：表面能：物体内部分子受到吸引力处处相等，而处于表面的分子受到吸引力是不相等的，表面分子具有一定的自由能，即表面能。物质比表面积越大，表面能越大。12教学运用（2）土壤胶体的电性a: 永久负电荷（permanent charge

15、)：当原先处在土粒晶格上的离子被外来的大小相近的离子取代时，即发生同晶置换现象，当外来离子价态低于内在离子的价态时，土粒整体带负电，且不随外界条件的变化而变化，形成了土粒的永久负电荷。b:可变电荷(variable charge)：胶体电性随介质ph值的变化而变化，它所带电荷为可变电荷。例如：高岭土边面产生ph可变电荷 oh oh o(-1) si h+ si 2oh- si oh2(+1/2) oh2 (+1/2) oh (-1/2) + 2h2o al h al al oh(+1/2) oh(-1/2) oh(-1/2) 酸性 中性 碱性b: 净电荷：土壤的正电荷和负电荷的代数和就是土壤的

16、净电荷。13教学运用2.土壤胶体的离子交换吸附交换吸附（exchange adsorption)：在土壤胶体中，吸附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，称为交换吸附。（1）阳离子交换吸附（cation exchange adsorption)a: 交换反应 na+ na+ + ca2+ ca2+ + 2 na+ b: 阳离子交换量（ cation exchange capacity)：每千克干土所含的全部交换性阳离子的总量（单位：c mol/kg)。c: 盐基饱和度(base saturation percentage bsp) 致酸离子：h+、al3+可交换离子 盐基离子

17、：ca2+ 、mg2+、 k+、 na+等土壤胶体土壤胶体14教学运用 盐基饱和土壤：土壤胶体吸着的阳离子都属于盐基离子吸附离子的土壤 盐基不饱和土壤：土壤胶体吸着的阳离子一部分为盐基 离子，另一部分为致酸离子。土壤盐基饱和度：在土壤交换性阳离子中盐基离子所占的百分数 交换性盐基总量（cmol/kg）盐基饱和度（%）= 100% 阳离子交换量（cmol/kg）(2)阴离子交换吸附(anion exchange)：是指带正电荷的胶体所吸附的阴离子与溶液中阴离子的交换作用。15教学运用二、土壤的酸碱性1.酸碱分级：强酸性土壤 ph8.5中性土壤ph6.57.0我国土壤“东南酸西北碱”，长江以南土壤

18、中硅、铝、铁含量高，多为酸性土壤，ph最低为3.6，长江以北碳酸钙、碳酸钾含量高，多为中性或碱性土壤，ph最高为10.5.2.土壤的酸度（soil acidity)（1）活性酸度（ active acidity)：土壤溶液中氢离子的活度，用ph表示。来源：a.矿物质分化过程产生的无机酸和co2 。 b.有机物厌氧产酸 c.无机肥料残留的酸 d.酸雨（2）潜性酸度（potential acidity)：由土壤中处于被吸附状态且能通过解吸进入土壤溶液的h+和al3+所显示的酸度。16教学运用根据提取液不同分两类：a:代换性酸度：用过量中性盐淋洗，金属离子与h+和al3+交换，而表现的酸度。例如：

19、h+ +kcl k+ +hcl r cooh + kcl rcook + hcl =al3+ + 3kcl+3h2o 3k+ +al(oh)3 + hclb. 水解性酸度：用弱酸强碱盐淋洗土壤，生成的弱酸，而表现的酸度。 h+ =al3+ +4ch3coona +h2o 4na+ +al(oh)3 +4ch3cooh土壤胶体土壤胶体土壤胶体土壤胶体土壤胶体土壤胶体17教学运用(3)活性酸度与潜性酸度的关系h+ =al3+ +4kcl 4k+ + alcl3 + hcl 潜性酸 活性酸关系：是同一平衡体系的两种酸度，土壤活性酸度是土壤酸度的根本起点和现实表现。3.土壤碱度：碳酸盐和重碳酸盐的总和

20、称总碱度。（1）土壤液相碱度指标：碳酸根和重碳酸根的含量（2）土壤固相碱度指标：钠离子的饱和度或土壤碱化度当钠离子占交换量15%以上时，土壤呈强碱性 土壤胶体土壤胶体18教学运用3.土壤碱度(soil alkalinity).土壤总碱度：碳酸盐和重碳酸盐的总和称总碱度。（1）土壤液相碱度指标：碳酸根和重碳酸根的含量不同溶解度的碳酸盐和重碳酸盐对土壤碱性 的贡献不同：含碳酸钙和碳酸镁多的土壤（石灰性土壤）呈弱碱性（ph7.58.5），含碳酸钠的土壤呈强碱性（ph10)（2）土壤固相碱度指标：钠离子的饱和度(土壤碱化度) （x-y)na+ xna+ + yh2o + yna oh yh+当钠离子占

21、交换量15%以上时，土壤呈强碱性 ，土壤发生碱化作用。土壤胶体土壤胶体19教学运用三、土壤的缓冲性能1.土壤的缓冲性能（buffer action of soil)：是指土壤具有抵抗土壤溶液中h+和oh-浓度改变的一种能力。2.土壤缓冲作用的原因（1）土壤溶液的缓冲作用：土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸等弱酸及其盐类，构成一个良好的缓冲体系，对酸碱具有缓冲作用。例如：h2co3na2co3缓冲体系当加入少量盐酸时： na2co3 + hcl nacl + h2co3 抑制酸度提高当加入ca (oh)2时 : h2co3 + ca (oh)2 caco3 + 2 h2o 限制碱度变化(2)

22、土壤中两性物质的缓冲作用：蛋白质、氨基酸例如：r-ch-cooh + hcl r-ch-cooh nh2 nh3cl r-ch-cooh+ naoh r-ch-coona + h2o nh2 nh220教学运用（3）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蚀作用。a.对酸的缓冲作用 m + hcl h + mclb .对碱的缓冲作用 h + moh m + h2o(4)铝离子对碱的缓冲作用：ph700mv 有机质被迅速氧化有机质被迅速氧化分解，养分贫乏；分解，养分贫乏； eh400mv反硝化开始发生；反硝化开始发生； eh200mv硝酸根离子消失，产

23、生亚硝酸根离子，植物受到毒害作用；土硝酸根离子消失，产生亚硝酸根离子，植物受到毒害作用；土壤浸水：壤浸水： eh-100mv fe2+高于高于 fe3+； eh-200mv产生大量产生大量h2s，植物根系腐烂，植物根系腐烂， fe2+变成变成 fes沉淀，迁移能力下降。沉淀，迁移能力下降。24教学运用keywords：1.土壤矿物质 minerals in soil 2 .土壤有机质organic matter in soil3.原生矿物primary mineral 4.次生矿物secondary mineral5.腐殖质 humic substances 6.腐殖酸humic acid7.

24、富里酸fulvic acid 8.腐黑物humin9.土壤溶液soil solution 10.土壤胶体soil colloid11.土壤吸附性 soil adsorption 12.永久电荷permanent charge13.同晶置换isomorphous substitution 14.可变电荷variable charge15.交换吸附 exchange adsorption 16.交换容量exchange capacity17.阳离子交换吸附 cation exchange adsorption 18.阴离子交换吸附anion exchange adsorption 19.盐基饱和度

25、base saturation percentage 20.土壤酸度soil acidity21.活性酸度active acidity 22.潜性酸度potential acidity23.土壤碱度soil alkalinity 24.酸性土壤acid soil 25.中性土壤 neutral soil 26.碱性土壤alkaline soil 27.土壤缓冲作用buffer action of soil 28.土壤氧化还原oxidation and reduction of soil29.氧化还原电位redox potential25教学运用4.3土壤中的生化过程一、有机质的转化方向1.矿化

26、过程（minerallization）：把复杂的有机物分解转化为简单的无机物，如co2、nh3、h2o、h2、h2po4-、so42-等，称为矿化过程。2.腐质化过程(humification)：在矿化过程中形成的某些中间产物，经缩合变成新的复杂有机化合物即腐殖质，称为腐质化过程。二、有机质的转化方式1糖类、蛋白质、氨基酸等：在好氧条件下，转化为co2；在厌氧条件下转化为有机酸，再转化为ch4、h2等。2.难降解的纤维素：在好气性纤维菌和厌气性纤维菌作用下，进行分解。3.尿素：（nh2)2co + 2h2o 尿酶 （nh4)2co3 nh3 + co2 + h2o4.氮的转化方式：通过硝化菌和

27、反硝化菌进行转化。 矿化 亚硝化 硝化（1）总过程：有机态氮 nh4+ no2- no3- 吸收 反硝化 还原 植物吸收26教学运用（2）土壤中氮的主要类型：无机氮（）土壤中氮的主要类型：无机氮（nh4+、no2-、no3-）、活有机氮）、活有机氮（nlo）、死有机氮（）、死有机氮（ndo）、气态结合氮（）、气态结合氮（ngf）（3）反应方程：i、氮的生物固定 ngf nlo ii、氨化作用 ndo nh4+ iii、生物的硝化作用 nh4+ nh3 no2- no3- iv、 生物反硝化作用 no3- no2- ngf v、植物吸收 nh4+ nlo， no3- nlo vi、排泄和死亡 n

28、lo ndo27教学运用（4）氮的转化图 图4-1土壤中氮的生物转化注意：土壤微生物吸收nh4+或氨基酸，少量固氮菌吸收n2，不能直接吸收硝酸盐；而植物根系能吸收氨和硝酸盐。 动植物残体腐殖质微生物氨硝酸盐动物植物植物根氮亚硝酸盐28教学运用4.4土壤污染土壤污染（soil pollution)：人类生产和生活活动产生的污染物，输入土壤的数量和速度超过土壤的自净能力时，破坏土壤原来的平衡，引起土壤的结构、性质改变，功能减退，影响生物的正常生长和繁衍时，就发生土壤污染。土壤污染物（ soil pollutant)：重金属、农药、化肥、放射性元素、有害微生物、还原性气体（ch4、h2s）。一、土壤环境容量和污染指数1.土壤环境容量（soil environmental capacity)：在人类生存和自然生态不致受害的前提下，土壤所能容纳污染物质的最大数量。污染物的平衡式：cs =w + s + r + f -p -o -a式中：cs：土壤污染物含量；w：污水灌溉输入量；s：肥料使用输入量；r：降水输入量；f：降尘输入量；p：农作物吸收量；o：径流输出量；a：淋溶输入量。2.