第4章土壤环境化学.

1、第国章土壤环境化学LithosphereDepartment of Environmental Science and Engineering1 土壤有哪些组分？2什么是盐基饱和度？比较土壤阳、阴离子交换吸附的 主要作用原理与特点？3 什么是土壤的活性酸度和潜性酸度?4举例说明土壤的缓冲作用°5影响土壤中农药扩散的因素。6土壤中氮素的形态和流失。7 土壤的固磷作用。而且对环境的自净能力和:土壤的组成与性质（土壤组成、牡级分组与质地分组、浹附性、酸碱性、氧化还原丿:土壤污染:污染杨柱土壤-植杨体糸中的迁移及其机制:土壤中农药的迁移转化 :氮.璘肥料在土壤环境中的迁移榷寡惟實"

2、第一节土曝的蛆成与性墳1 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, 它们的相对含量因时因地而异。 2030%的空气 | | 2030%的水.45%的矿物质.5%的有机质09 4-1 土壤中固、液、气相结构03（自 S.F. Manahan. 1984）8 w Aztai血念丘田8 w Aztai血念丘田金淋 /土土层O）淀O151TYO,M盖层（AJ母瞬（C物最活跃它来自上一层机质大淋溶出来的有机物.盐类和一粘土颗粒类Br 二由风化的成土母岩构成向过渡层积层CaSO< W积层 槽育层（灰帖展）8 w Aztai血念丘田8 w Aztai血念丘田基岩（D）D8 w Azta

3、i血念丘田土壤矿物质是岩石经过物理风化和化学风化形成的。严原生矿物：它们是各种岩石(主要是岩浆岩)受到程度 不同的物理风化而未经化学风化的碎屑物，其原来的化学 组成和结晶构造都没有改变；A次生矿物：它们大多数是由原生矿物经化学风化后形成 的新矿物，其化学组成和晶体结构都有所改变。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。榷寡惟實"土壤中最主要的原生矿物有四类：硅酸盐类矿物、氧化 物类矿物、硫化物类矿物和磷酸盐类矿物.其中硅酸盐类矿物占岩浆岩重童的80 %以上。a、硅酸盐类,如长石、云母等，容易风化而释放出K、Na. Ca、Mg、Al等元素可供植物吸收，同时

4、形成新的次生矿物。 b氧化物类，如石英、赤铁矿等，稳定、不易风化，对 植物养分意义不大。c、硫化物类,如黄铁矿.白铁矿(FeS2),极易风化，为 丄壤中硫元素的主要来源；d、磷酸盐类,如磷灰石、磷酸铁等，是土壤中无机磷的重 要来源。岩石化学风化过程A氧化：以橄榄石(Mg、Fe)SiO4为例2(Mg、Fe)SiO4(s)4- O2(g) + 5H2O f Fe2Or3H2O(s)+ Mg2SiO4(s) +H4SiO4(aq)2(Mg、Fe)SiQ(s)+4H2O2Mg2+(aq)+OH(aq)+ Fe2SiOl(s)+H4SiQ(aq)"It性水解：(Mg、Fe)SiQ(s)+4H+

5、(aq)2Mg2+(aq)+Fe2+(aq)+ H4SiQ(aq)Fe2+> Mg2+等离子，一部分被植物吸收；一部分则水迁移， 最后进入海洋。Fe2O33H2O等形成新矿；SiO44也可与某些阳 离子形成新矿。（2）次生矿物:为原生矿物经风化后重新形成的新矿物，其化学组成和构造都有所改变而不同于原来的原生矿物。口颗粒小（一般025inn）,具有胶体性质，既是土壤中 粘粒和无机胶体的组成部分，也是固体物质中最有影响 的部分。化物类和次生铝硅酸盐类.(MgCl2-6H2O) 0方解石（CaCOJ、白云石Ca、Mg(CO3)2】石膏(CaSO4-2H2O).渴M(MgSO4-7H2O).岩盐

6、(NaCl)、芒硝(Na2SO410H2O)> 水氯镁石口与土壤中很多重要物理性质（如粘结性、膨胀性等） 和化学性质（如吸收、保蓄性等）密切相关。三氧化物类：三氧化物和次生铝硅酸盐粒径小于025pm,称之为次生粘土矿物.如针铁矿(FOHqO)、褐r(2Fe2O3-3H2O).三水铝 石(Al2Oy3H2O)等，它们是硅酸盐矿物彻底风化后的产 物，结晶构造较简单，常见于湿热的热带和亚热带地区 土壤中。次生硅酸盐类：这类矿物是由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成。它 们是构成土壤的主要成分,故又称为粘土矿物或粘粒矿 物，与土壤彳艮多重要物理、化学过程和性质有关。次生硅酸盐可分为三大类：即伊利石、

7、蒙脱石和高岭石.它所吸收的水分植物Q S一宀难以利用，同时干裂J 朋性现象严重而不利于植2土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称。一般占固 相总重量的10%以下，是土壤的重要组成部分，也是土 壤形成的主要标志。土壤有机质主要来源于动植物和微 生物残体。k非腐殖物质（蛋白质、糖类、树脂、有机酸）k腐殖质（腐殖酸、富里酸、腐黑酸等）。1.1.3 土曝水分I土壤水分是土壤的重要组成部分，主要来自大气降水和灌溉，在地下水位接近地面（23m）的情况下,地下水也是上层土壤水分的重要来源.此外空气中水 蒸气遇冷凝成为土壤水分。土壤水分并非纯水！ ！ ！实际上是土壤中各种成分和污染物溶解形成的溶液。 因此土壤

8、水分既是植物养分的主要来源，也是进入土 壤的各种污染物向其他环境圈层（如水圈、生物圏等）迁移的媒介。土壤是一个多孔体系，在水分不饱和的情况下，孔 隙中充满空气。土壤空气主要来自大气，其次来自土 壤中的生物化学过程。土壤空气是不连续的,它存在于被土壤固体隔开 的土壤孔隙中，其组成在不同位置是有差异的。土壤空气的含量和组成在很大程度上取决于土水 关系。在土壤孔隙里贮存的水分和空气，它们的相对 含量经常随自然条件的改变而变化。(1) 土壤空气是一个不连续的体系。(2) CC)2含量一般远比在大气中高，氧的含量则低于大气. 造成这种差别的原因是土壤中植物根系的呼吸作用、微生 物活动中有机物的降解及合成

9、时消耗其中的O?,放出CO(3) 土壤空气一般比大气含有的咼。土壤含水量适宜时，相对湿度接近100%。(4) 除此之外，由于土壤空气经常被水汽所饱和，在通气 不良情况下，厌氧细菌活动产生的少量还原性气体如CH, HS、町也积累在土壤空气中。1.2 土壤的粒级分组与质地分组1.2.1 土圾炉质的杜级划分土壤矿物质是以大小不同的颗粒状态存在的。不同 粒径的土壤矿物质颗粒(即土粒)，其性质和成分都不 _样。为了研究方便，人们常按粒径的大小分为若千组， 称为粒组或粒级,同组土粒的成分和性质基本一致，组 间则有明显差异。粒径(mm)ooO«4-l我国土粒分级标准颗粒名称石块石砾 i粗砾细砾砂粒

10、粗砂粒细粗粒 粉粒粗粉粒细粉粒粘粒 O粗粘粒细粘粒石英为次生矿物，土壤营养元素含量丰富，团聚能力较强，保水保肥性好,但通气和透水性差。f*0.005-000<0.001矿物的粒级不同，其化学成分有较大的差异。一般来说, 土粒越细，所含养分越多；越粗，所含养分越少。表44不同粒径土粒的化学组成()粒径(mm)SiO2ai2o3Fe2O3CaOMgOk2op2o510.-0.293.6>< 1.61.20.40.60.80.050.2-0.0494.02.01.20.501.50.10.04-0.0189.45.01.50.80.32.30.20.01-0.00274.213.2

11、51.60.34.20.1<0.00253.221.5、< 62、,1.6、< 1°、<4®< °令:定义:1.2.3 土壤廣地分类及其林性由不的粒级混合在一起所表现出来的土壤粗细状况，称为土壤质地（或土壤机械组成）。:依据：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。:分类方法：国际制.美国制和前苏联制。国际制和美国制均釆用三级分类法，即按砂粒. 粉砂粒、粘粒三种粒级的百分数，划分为砂土. 壤土、粘壤土和粘土四类十二级。I三竺巴级分组与质地分组1土壤矿物质的粒级划分1各粒级的主要矿物成分_和理化建性逹4乙4 |1土壤质地

12、分类及其特征J451表45国际制土壤质地分类Y 671质地 组质地 号质地名称各粒级百分含量砂粒(1-0.05mm)粗粉粒(0.05-0.001 mm)胶粒(<0.001 mm)1粗砂土>70砂土2细砂土60-70<303面砂土50-604砂性两合匕>20>40<30两合5小粉土<20>40<30土组6两介七>20<40<307胶性两合土<20<40<308粉粘土30-35粘土9壤粘土35-4010粘土>40表46我阿土圾质地分英标准质地分类各级土粒重量（）类别质地名称粘粒(<0.002mm)

13、粉砂粒(0.02-0.002mm)砂粒(2-0.02mm)砂土类砂土及壤质砂土0-150-1585-100砂质壤土0-150-4555-85壤土类壤土0-1535-4545-55粉砂质壤土0-1545-1000-55粘壤 土类砂质粘壤土15-250-3055-85粘壤土15-2520-4530-55粉质粘壤土15-2545-850-40砂质粘土25-450-2055-75壤质粘土25-450-4510-55粘土类粉质粘土25-4545-750-30粘土45-650-350-55重粘土65-1000-350-35土壤质地可在一定程度上反映土壤矿物质组成和化学组 成，同时土壤颗粒大小与土壤的物理性

14、质有密切关系， 并且影响土壤孔隙状况，因此对土壤水分、空气、热量 的运动和养分转化有彳艮大影响。质地不同的土壞表现出 不同的性状。土壤性状土壤质地砂土壤土粘土比表面积小中等大紧密性小中等大孔隙状况大孔隙多中等细孔隙多通透性大中等小有效含水量低中等保肥能力小中大保水分能力低中等高在春季的土温凉冷触觉砂滑粘壤土兼有砂土和粘土的优点3 V _土壤胶体的比表面积和带电性，使土壤具有吸附性。1.3.1体的性贋（1） 土壤胶体具有巨大的比表面和表面能:比表面：单位重量（或体积）物质的表面积。 一定体积的物质被分割时，随着颗粒数的增 多，比表面也显著地增大。蒙脱石比表面积最大（600800 m2/g ）高岭

15、石最小（730m2/g）惟克惟鹫有机胶体比表面积也大（70°m2/g）（2） 土壤胶体的电性:土壤胶体微粒内部一般带负电荷，形成一个负离子层 （决定电位离子层），其外部由于电性吸引而形成一个 正离子层（反离子层或扩散层），即合称双电层.凝聚，性5由于胶体的比表面和蠢鱼J 面能，必o相 的凝聚性.为减小表 体J VH* VM严<K+<NH<Ca2*<AF* < Feu土壤溶液中常见阳离子的凝聚能力顺序如下：Na*排 越高，分散性：由于土斥，具有分散性相互排斥力越强，影响因素：土壤胶体的电动电位和扩散层厚度及土壤溶 液中电解质浓度.pH值影响土壤凝聚性能。在

16、土壤胶体双电层的扩散层中，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，称为离子 交换(或代换)离子交换作用包括阳离子交换吸附作 用和阴离子交换吸附作用。(1) 土壤胶体的阳离子交换吸附：土 攘胶休仃J：+ C?+ 二 土壌狡体=Ca+ +2Na+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，离子半径越大， 水化离子半径就越小，因而具有较强的交换能力。Fe3 + > Al3+ > l+> Ba2+ > Sr2+>Ca2+ > Mg2+ > Cs+ > Rb+

17、 > NH4+ >K+> Na+ > Li+° (三价离子二价离子>一价 离子)(cmol/kg),不同土壤的阳离子交换量不同：不同种类胶体的阳离子交换量的顺序为：有机胶体蒙脱石水化云母高岭土含水氧化铁、铝。 土壤质地越细，阳离子交换量越高。 土壤胶体中SiOg/RgO?比值越大，其阳离子交换量越大, 当SiO?/R2OdV2,阳离子交换量显著降低。 pH值下降阳离子交换量降低；反之，交换量增大。另一类是盐基离子,Ca2+、Mg2+、NHf、K+、Na+等。当土壤胶体上吸附的阳离子均为盐基离子，且已达到吸 附饱和时的土壤，称为盐基饱和土壤.当土壤胶体上吸

18、附的阳离子有一部分为致酸离子，则这 种土壤为盐基不饱和土壤.在土壤交换性阳离子中盐基离子所占的百分数称为盐基饱和度：盐基饱和度购墙器鬆群:箴卩狀(2) 土壤胶体的阴离子交换吸附:土壤中阴离子交换吸附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。阴离子的交换吸附比较复杂，能与溶液中阳离子形成 难溶性沉淀的被强烈地吸附。Cl . NO八NO2等不能形成难溶盐，很少被土壤吸附.1.4 土壤酸破性莎据土壤的酸度可以将其划分为9个等级。表48 土壤酸碱度分级我国土壤的pH大多在4.5-S.5范围内，并有由南向北土壤酸碱度分级pH土壤酸碱度分级pH极强酸性<4.5弱碱性7075强酸性4

19、555碳性75&5酸性5.56.0强碱性8.5 9.5弱酸性6065极强碱性>9.5中性6570pH值递增的规律性。长江（北纬33。）以南的土壤多为酸性和强酸性，华南、西南地区广泛分布的红壤、黄壤，pH值大多 在4555之间，有少数低至3638;A华中华东地区的红壤，pH值在5565之间；长江以北的土壤多为中性或碱性，华北、西北的土壤大多含CaCO3, pH值一般在75 8.5之间，少数强碱性土壤的pH值高达105。土壤的活性酸度是土壤溶液中H+浓度的直接反映, 又称为有效酸度,通常用pH表示。土壤溶液中H+的来源：# 土壤中CO?溶于水形成的碳酸；分有机物分解产生的有机酸；J

20、土壤中矿物质氧化产生的无机酸；莎无机肥料中残余的无机酸；大气污染形成的大气酸沉降。(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 A1"。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，即可增加上壤溶 液的浓度，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。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：用过量中性盐溶液淋洗土壤,溶液中金属 离子与土壤中H+和A2+发生离子交换作用，而表现出的 酸度，称为代换性酸度/V f'、土壌昭土壌胶体

21、-H代换性A1山是矿物质土壤中 潜性酸度的主要来源.红壤的潜性酸度95 %以上是由代MB MBMM 子彳艮少，c金务殖质中的腐 殖酸可/生较多的氢离子.y/<Z-XQ+ OH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+和A 2+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。CH3COONa+H2O-*CH3COOH + Na+土壌胶休Al3+ + 4 CH3COONa Na土壤胶体aa aNNNA1(OH)3+ 4 CH3COOH土壤的活性酸度与潜性酸度是同一个平衡体系的两种酸度. 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