环境土壤学第一章(第1节)

1、第一部分 基础知识第一章 环境环境组成化学土壤的三相组成：固相、液相和气相固相物质粒间物质生物体：包括各类昆虫、线虫、节肢动物，尤其是土壤微 生物，一般1g土壤中数量可达10亿左右。 有机质：占固相重量的5%左右，总体积的12%左右。气相：组成与大气有差异，取决于生物活动及气体交换的难易程度。液相：粒间水分及溶解于其中的多种溶解性物质。矿物质：占固相重量的95%左右，总体积的38%左右。土壤第一节 土壤矿物质一、原生矿物原生矿物：指在土壤形成过程中末改变化学组成的原始成岩矿物。 1、橄榄石类 ：属岛状结构硅酸盐，其Si-O四面体以孤岛状排列，典型矿物为橄榄石(Ca，Mg)2SiO4，极易风化。

2、 其中的Si/O=1:4。橄榄石(Mg,Fe)2SiO4： 橄榄绿色，立方形晶粒，断口常为贝壳状，硬度6.57。 富含铁，易分解，为土壤提供铁、镁等养分。孔雀石孔雀石Cu2(OH)2(CO3)一、原生矿物2、辉石、角闪石类 属链状结构硅酸盐，其Si-O四面体沿一维方向延伸，又可分为单链结构的辉石类和双链结构的角闪石类。 其中的Si/O=1:3。3、云母类 属层状结构硅酸盐，常见的有白云母和黑云母，土壤中的次生粘土矿物也多为此类型。 辉石辉石Ca(Mg,Fe)Si2O6： 绿黑色,短柱状或近似粒状,硬度56,玻璃光泽; 易风化，为土壤提供钙、铁、镁等养分。角闪石角闪石Ca(Mg,Fe)Si4O1

3、2： 黑绿色，长柱状或近似细长条状，硬度56，玻璃光泽； 易风化，为土壤提供钙、铁、镁等养分。 白云母白云母(KH2Al3Si3O12)： 无色，片状，具弹性，硬度23，极完全解理。 易发生物理崩解，很发生化学分解，为土壤提供 钾。黑云母黑云母KH2(Mg,Fe)3AlSi3O12： 黑色，片状，具弹性，硬度23，极完全解理。 土壤提供钾、铁、镁等养分。 此外还有金云母。 一、原生矿物4、长石类 属架状结构硅酸盐，其Si-O四面体沿三维方向延伸，其代表性矿物为钾长石和石英，是土壤中最难风化的原生矿物。其中的Si/O=1:2。5、其他类型 土壤中常见的原生矿物还包括磷铁矿、钛铁矿(氧化物类)，黄

4、铁矿、白铁矿(硫化物类)及另一些特别稳定的原生矿物如锆英石、电气石等。 正长石正长石(KAlSi3O8)： 钾长石，肉红色，晶体为短柱状， 常具有卡斯巴双晶或穿插双星，硬度6。 易化学分解，为土壤提供钾 肾状（赤铁矿）和黄铁矿一、原生矿物抗风化的顺序1、结构：晶体的构型（Si/O）：架状硅酸盐层状硅酸盐链状硅酸盐岛状硅酸盐2、化学键：离子特征：K-O Ca-O Al-O Si-O ;电负性差值：钾长石钙长石3、颜色和同晶替代 石英是土壤中含量最丰的原生矿物 土壤矿物质原生矿物原生矿物橄榄石类橄榄石类辉石、角闪石类辉石、角闪石类云母类云母类长石类长石类其他其他次生粘土矿物次生粘土矿物（层状硅酸盐

5、矿物）（层状硅酸盐矿物）高岭（土）组（高岭（土）组（1:1型）型）蒙脱（土）组（蒙脱（土）组（2:1型）型）伊利组（伊利组（2:1型）型）蛭石类矿物（蛭石类矿物（2:1型）型）绿泥石类矿物（绿泥石类矿物（2:1:1型）型）氧化物氧化物氧化铁氧化铁氧化铝氧化铝水铝英石水铝英石次生矿物次生矿物次生粘土矿物次生粘土矿物（层状硅酸盐矿物）（层状硅酸盐矿物）硅氧四面体硅氧四面体l 硅酸盐晶体结构中的基本构造硅酸盐晶体结构中的基本构造单元。单元。l 由位于中心的一个硅原子与围由位于中心的一个硅原子与围绕它的四个氧原子所构成的配绕它的四个氧原子所构成的配阴离子阴离子SiO44-，因周围的四个，因周围的四个氧

6、原子分布成配位四面体的形氧原子分布成配位四面体的形式，故名。式，故名。l 在晶体结构中，各硅氧四面体在晶体结构中，各硅氧四面体可以各自孤立地存在，也可以可以各自孤立地存在，也可以通过共用四面体角顶上的一个、通过共用四面体角顶上的一个、两个、三个以至全部四个氧原两个、三个以至全部四个氧原子相互连结而形成多种不同形子相互连结而形成多种不同形式的络阴离子，从而形成不同式的络阴离子，从而形成不同结构类型的硅酸盐晶体。结构类型的硅酸盐晶体。铝氧八面体铝氧八面体l 层状硅酸盐晶体结构中的基本构造单元之一。层状硅酸盐晶体结构中的基本构造单元之一。l 铝（铝（Al3+）或镁（）或镁（Mg2+）离子距离稳定地配

7、上六个氧（）离子距离稳定地配上六个氧（O2-）或）或OH-，三个在上，三个在下，相互错开作最紧密的堆积，配位形成八面体三个在上，三个在下，相互错开作最紧密的堆积，配位形成八面体的形式。的形式。2:1型层状硅酸盐晶体结构l1:1型矿物：晶架结构都由一层硅氧片和一层水铝片重叠而成，结构中硅氧片和水铝片的比例为1:1；l分子式： (OH)8Al4Si4O10 。从式中可见，典型高岭石的SiO2/R2O3分子比率为2；l电荷为零；l无或很少的同晶替代，颜色纯净灰白，颗粒细小；lc轴间距为70nm 。1、高岭石（、高岭石（Kaolinite)1:1型层状硅酸盐晶体结构高岭石高岭石2、蒙脱石（、蒙脱石（M

8、ontmori)l2:1型矿物，属于胀缩型矿物；l分子式：(OH)4Al4Si8O20 。从式中可见典型蒙脱组矿物的SiO2/R2O3分子比率为4； l同晶替代：X0.66(Al3.34Mg0.66)Si8O20(OH)4 （其中X可为一价、二价或三价的离子）；lc轴间距：收缩时为140nm，膨胀时为200nm；l晶层之间容易胀缩，晶层更容易分开，颗粒更微小。2:1型层状硅酸盐晶体结构3、伊利石（、伊利石（Illite）l2:1型矿物，属于非胀缩型矿物；l分子式： (OH)4Al4Si8O20 ；l同晶替代：K1.33Al4(Si6.67Al1.33)O20(OH)4同晶替代现象主要以Al3+

9、代Si4+(发生在硅氧片中)；l存在补偿离子K+；l在我国分布最为广泛的次生矿物；lc轴间距为100nm。4、蛭石（、蛭石（Vermiculinite） 2:1型矿物，属于半胀缩型矿物； 三八面体（Mg八面体）X1.1(Al2.3Si5.7) (Al0.5Fe3+0.7Mg4.8)O20(OH)4； 同晶替代：蛭石中四面体片和八面体片都有同晶置换作用，但主要发生在四面体片中，Si被Al置换的数量比蒙脱石高，所以电荷密度比蒙皂石类高 补偿离子不确定。 晶层间距为140nm5、绿泥石、绿泥石l2:1:1型矿物，是过渡型矿物。l分子式：(MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16由2:1型云

10、母晶层和一层氢氧化物间层规则地相间。 l过渡性：多在环境不稳定状态下存在l酸性条件下：八面体被中和形成 2:1型矿物l碱性条件下：脱水形成1:1型矿物l晶层间距为140nm2:1:1型（2:2型）层状硅酸盐晶体结构氧化物氧化物 土壤粘粒矿物组成中，除层状硅酸盐外，还包含一类矿物结构比较简单，水化程度不等的铁、锰、铝和硅的氧化物及其水合物和水铝英石等。 氧化物类矿物中，部分是结晶型的，也有些是非晶质无定形的物质。 土壤中氧化物是由硅酸盐类矿物在地表特定水热条件下，经过彻底风化作用和成土作用形成的。 1、氧化铁Fe3+Fe (OH) 3-Fe2O3-FeOOHFe (OH) 2-FeOOH-Fe2

11、O3Fe2+Fe3O4OH-高温老化失 水低pH、缓慢沉淀老 化OH-O缓慢氧化脱 水OO2、氧化铝 土壤中常见的铝氧化物是三水铝矿Al(OH)3 土壤中三水铝矿的含量可作为脱硅作用和富铝风化作用的指标。 离子态(Al3+)无定形态晶质态 3、水铝英石 水铝英石是由氧化硅、氧化铝和水组成的非晶质铝硅酸盐矿物。 水铝英石外观上是呈海绵状团聚体，有许多细孔和巨大表面积。颜色随吸附的金属离子而异，常为白色，浅蓝色和浅绿色。 水铝英石是火山灰土壤的主要粘粒矿物 4、氧化硅 土壤粘粒中的氧化硅有结晶的和非结晶的两种形态 非结晶态的二氧化硅称为蛋白石，是由硅酸凝胶经部分脱水的产物，也可由硅氧四面体构成，但

12、排列没有规则。 土壤中蛋白石含量常与土壤腐殖质含量有关，蛋白石的多少也可以作为古土壤埋藏表层的指示矿物。四、粘土矿物形成规律1、脱盐基： K2Al4Si6O16+ H2O HKAl4Si6O16 +KOH KOH + H2Al4Si6O162、脱硅：H2Al4Si6O16+5H2O Al2Si2O5( OH)4+4H2SiO3由原生矿物2:1型矿物1:1型矿物四、粘土矿物形成规律3、富Fe、Al过程：Al2Si2O5( OH)4 Al(OH)3+Si(OH)4+Fe (OH)3 整个过程称为脱硅富铝化过程 同时，热带土壤中粘土含量较高，特别是Fe3+含量高，能发生胶结作用。五、粘土矿物分布规律

13、 根据我国不同地区、山地高原和平原丘陵地带土壤粘粒矿物组成，全国土壤粘粒矿物分布可划分七个区： 1水云母区2水云母蒙脱石区3水云母蛭石区4水云母蛭石高岭区5蛭石高岭区6高岭水云母区7高岭区五、粘土矿物分布规律 常用改良粘土：1、膨润土：很强反映活性，吸湿膨胀性和巨大的阳离子交换量。改性可提高对有机污染物的吸附性。2、凹凸棒石3、蒙脱石：活化与钝化六、土壤粘粒矿物的鉴定 粘粒矿物的鉴定通常用化学分析和仪器分析两种方法。 化学分析 仪器分析第二节 土壤有机质 可粗略分为非腐殖物质（30%）和腐殖物质（70%）两大类 表面积大：有机质呈链状，增大表面积，同质量的有机质表面积超过矿物质 活性基团多一、

14、非腐殖质类型1、碳水化合物 包括各种单糖、双糖和多糖类(纤维素和半纤维素)以及氨基糖、甲基化糖等 C/N=2530/1 有机物质的重要组成部分 微生物和腐殖质物质形成的能源一、非腐殖质类型2、有机酸 土壤有机酸是土壤酸类物质的重要成分之一，产生螯合作用和溶解作用，影响金属活性、矿物风化、养分释放等。 H+：土壤形成的矿物风化中具有独特作用（灰土的形成）。 离子活性（重金属离子）一、非腐殖质类型3、木质素 土壤中特别稳定的有机物质 芳香化程度高，不易分解。 植物体当中独有的，腐殖物质形成的必需元素4、含氮、磷、硫的有机物质 该类化合物大体包括氨基酸或蛋白质类、糖类、核酸类和脂类及数量很少的植酸、

15、维生素等。 二、腐殖质类型 依据其溶解性能，一般可分为富啡酸(黄腐酸，富里酸)，胡敏酸(褐腐酸)和胡敏素(黑腐素)。 除去动植物残屑的细土样品溶液黑色残余物黄色溶液富啡酸褐色沉淀胡敏酸胡敏素用NaOH溶液浸提过滤酸化过滤二、腐殖质类型1、溶解性能二、腐殖质类型2、化学基团与组成 FA ：O、 S、-COOH HA：C、酚羟基 3、化合物的溶解性 FA：一、二、三价盐可溶 HA：一价盐可溶，二、三价不可溶4、分子量 FA大约5000， HA大约100005、半衰期 FA：500年 HA：1000年三、腐殖物质的形成非腐殖物质 矿化过程：CO2、H2O、NH3、SO2 腐殖过程：腐殖质1、主要的矿

16、质化反应 不含氮有机物质的化解C6H12O6O2COOH+ECO2+H2O+EH酸+CO2+H2+CH4脂肪类好气微生物甘油脂肪酸H烃木质素芳香苯环类物质HumicCO2+H2O+Eslow三、腐殖物质的形成 含氮有机物的分解 含磷有机化合物的分解ATP H3PO4protein水解氨基酸氧化脱氨基还原脱氨基水解拖氨基CHRNH2COOHONH3+CO2+RCHRNH2COOHNH3+CHRCOOHH醇+CO2+H2O+E三、腐殖物质的形成2、腐殖化过程的经典反应途径(1)(2)CHOHCHCHOHCH2OHOHCHCHCHOHOOHOHOHOHOHOH脱水OOOHOO+氨基酸OHOHNHCHCOOHRNHCHCOOHR三、腐殖物质的形成(3)(4)OHCH2CH COOHNH2OHCH2CHNCOOHCH2CHNOOHCH2NCOOHR三、腐殖物