第四章 第一节土壤的组成和性质1

1、第四章 土壤环境化学n主要研究领域：主要研究领域：土壤中有毒有机污染物的降解与转化土壤中有毒有机污染物的降解与转化等环境行为的研等环境行为的研究；究；金属存在形态及其迁移转化与归趋金属存在形态及其迁移转化与归趋过程的研究；过程的研究；污染物在污染物在土壤固液界面的相互作用土壤固液界面的相互作用研究；研究；稀土元素稀土元素在土壤环境中的在土壤环境中的归宿及其生态效应归宿及其生态效应研究；研究；土壤中土壤中温室气体的释放、吸收与传输温室气体的释放、吸收与传输研究；研究；土壤污染的土壤污染的化学与生物修复化学与生物修复。1.1.土壤的组成和性质土壤的组成和性质一一、 土壤的组成土壤的组成 土壤由土壤

2、由固、液、气固、液、气三相物质共同组成的多三相物质共同组成的多相相体系体系。n土壤的固相土壤的固相：土壤矿物质和有机质、微生物，：土壤矿物质和有机质、微生物，占土壤总重量的占土壤总重量的90%90%-95%-95%，占体积的，占体积的50%50%左右。左右。n土壤的液相土壤的液相：土壤水份及所含的可溶物，也叫：土壤水份及所含的可溶物，也叫土壤溶液，占土壤体积的土壤溶液，占土壤体积的20%20%-30%-30%。n土壤的气相土壤的气相：土壤空气，占土壤体积的：土壤空气，占土壤体积的20%20%-30%-30%。典型土壤随深度呈现不同的层次典型土壤随深度呈现不同的层次( (如图如图42)42)1.

3、 1. 土壤矿物质土壤矿物质 土壤矿物质土壤矿物质是岩石经过物理风化和化学风化形是岩石经过物理风化和化学风化形成的。成的。 按其成因类型分类：按其成因类型分类：原生矿物原生矿物 经过物理风化而未经化学风化的碎屑经过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；物，其原来的化学组成和结晶构造都没有改变；次生矿物次生矿物 它们大多数是由原生矿物经化学风化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后形成的新矿物，其化学组成和晶体结构都有所改变。改变。 原生矿物原生矿物n 硅酸盐类矿物硅酸盐类矿物（长石类、云母类、辉石类（长石类、云母类、辉石类和

4、角闪石类），占岩浆岩质量的和角闪石类），占岩浆岩质量的80%80%以上。以上。n 氧化物类矿物氧化物类矿物 石英（石英（SiOSiO2 2) )、赤铁矿赤铁矿（FeFe2 2O O3 3) )、金红石金红石( (TiOTiO2 2) )等等 、n 硫化物类矿物硫化物类矿物（黄铁矿和白铁矿（黄铁矿和白铁矿( (FeSFeS2 2) )）n 磷酸盐类矿物磷酸盐类矿物 磷灰石（氟磷灰石磷灰石（氟磷灰石CaCa5 5(PO(PO4 4) )3 3F F、氯磷灰石氯磷灰石CaCa5 5(PO(PO4 4) )3 3ClCl。简单盐类简单盐类 方解石方解石( (CaCOCaCO3 3) )、 白云石白云石

5、CaMg(COCaMg(CO3 3) )2 2、石膏石膏CaSOCaSO4 42H2H2 2O O等等 n 二氧化物类二氧化物类 针铁矿针铁矿FeFe2 2O O3 3HH2 2O O、褐铁矿褐铁矿 2 2FeFe2 2O O3 33H3H2 2O O、三水铝石三水铝石AlAl2 2O O3 33H3H2 2OOn次生铝酸盐类次生铝酸盐类（又称为粘土矿物，如伊利石、（又称为粘土矿物，如伊利石、蒙脱石、蒙脱石、AlAl4 4SiSi8 8O O2020(OH)(OH)4 4、高岭石高岭石AlAl4 4SiSi4 4O O1010(OH)(OH)8 8）次生矿物：次生矿物： 土壤有机质土壤有机质是

6、土壤中是土壤中含碳有机化合物含碳有机化合物的的总称总称。一般占固相总重量的一般占固相总重量的1010以下以下，却是土壤的重要组，却是土壤的重要组成部分，是土壤形成的主要标志，成部分，是土壤形成的主要标志，对土壤性质有很对土壤性质有很大的影响。大的影响。n包括生物死亡的残骸、施用的有机肥料、微生物活包括生物死亡的残骸、施用的有机肥料、微生物活动生成的有机物等。动生成的有机物等。n土壤有机质的土壤有机质的化学组分化学组分有腐殖质、糖类、木质素、有腐殖质、糖类、木质素、有机氮、脂肪、蜡质、有机磷等，其中腐殖质占有有机氮、脂肪、蜡质、有机磷等，其中腐殖质占有机质总量的机质总量的70709090。和土壤

7、矿物质相比，有机。和土壤矿物质相比，有机质含量不高，只占土壤总量的质含量不高，只占土壤总量的5 5左右。但有机质左右。但有机质对土壤的一系列物理化学性质有很大的影响，对土对土壤的一系列物理化学性质有很大的影响，对土壤肥力有重大作用。壤肥力有重大作用。n土壤有机质和微生物是土壤中最活跃的组成部分。土壤有机质和微生物是土壤中最活跃的组成部分。2. 2. 土壤有机质土壤有机质 3 3土壤水分土壤水分v 土壤水分土壤水分是土壤的重要组成部分，是土壤的重要组成部分，主要来自大气降水和主要来自大气降水和灌溉。地下水灌溉。地下水和和空气中水蒸气遇冷凝空气中水蒸气遇冷凝结而成为土壤水分结而成为土壤水分。v 土

8、壤颗粒表面的土壤颗粒表面的吸附力和微细孔隙吸附力和微细孔隙的毛的毛细细管力，可将管力，可将部分水保持住。不同土壤保持水分的能力不同。部分水保持住。不同土壤保持水分的能力不同。 砂土砂土由于土质疏松，孔隙大、水分容易渗漏流失；由于土质疏松，孔隙大、水分容易渗漏流失； 粘土粘土土质细密，孔隙小水分不容易渗漏流失。土质细密，孔隙小水分不容易渗漏流失。 气候条件对土壤水分含量影响也很大。气候条件对土壤水分含量影响也很大。v 土壤水分并非纯水，土壤中各种成分和污染物溶解形成土壤水分并非纯水，土壤中各种成分和污染物溶解形成的溶液，即的溶液，即十壤溶液十壤溶液。因此土壤水分既是植物养分的主要来。因此土壤水分

9、既是植物养分的主要来源，也是进人土壤的各种污染物向其他环境团层源，也是进人土壤的各种污染物向其他环境团层( (如水团、如水团、生物团等生物团等) )迁移的媒介。迁移的媒介。4 4. . 土壤中的空气土壤中的空气 土壤空气组成与大气基本相似，主要成分都是土壤空气组成与大气基本相似，主要成分都是N N2 2、O O2 2和和COCO2 2。 差异：土壤空气存在于相互隔离的土壤孔隙中，是差异：土壤空气存在于相互隔离的土壤孔隙中，是一个一个不连续的体系不连续的体系； 在在O O2 2和和COCO2 2含量上有很大的差异含量上有很大的差异。土壤空气中。土壤空气中COCO2 2含含量比大气中高得多。氧的含

10、量低于大气。量比大气中高得多。氧的含量低于大气。 土壤空气中还含有少量还原性气体土壤空气中还含有少量还原性气体，如，如CHCH4 4、H H2 2S S、H H2 2、NHNH3 3等。如果是被污染的土壤，其空气中还可能存在污染等。如果是被污染的土壤，其空气中还可能存在污染物。物。 二、土壤的粒级分组与质地分组二、土壤的粒级分组与质地分组 1. 1. 土壤矿物质的粒级划分土壤矿物质的粒级划分 二、土壤的粒级分组与质地分组二、土壤的粒级分组与质地分组 2 2. . 各粒级的主要矿物成分和理化特性各粒级的主要矿物成分和理化特性 由于土粒大小不同，矿物成分和化学组成也不同，各粒由于土粒大小不同，矿物

11、成分和化学组成也不同，各粒级所表现出来的物理化学性质和肥力特征差异很大。级所表现出来的物理化学性质和肥力特征差异很大。 (1)(1)石块和石砾：石块和石砾：多为岩石碎块多为岩石碎块，直径大于，直径大于1mm1mm。山区土壤。山区土壤和河漫滩土壤中常见。土壤中含石块和石砾多时，其孔隙过和河漫滩土壤中常见。土壤中含石块和石砾多时，其孔隙过大，水和养分易流失。大，水和养分易流失。 (2)(2)砂粒：砂粒：主要为原生矿物主要为原生矿物，大多为石英、长石、云母、，大多为石英、长石、云母、角闪石等，其中以石英为主，粒径为角闪石等，其中以石英为主，粒径为1-0.05mm1-0.05mm。在冲积平原。在冲积平

12、原土壤中常见。土壤含砂粒多时，孔隙大，通气和透水性强，土壤中常见。土壤含砂粒多时，孔隙大，通气和透水性强，毛管水上升高度很低毛管水上升高度很低( (小于小于33cm)33cm)，保水保肥能力弱，营养元，保水保肥能力弱，营养元素含量少。素含量少。 (3)(3)粘粒：粘粒：主要是次生矿物主要是次生矿物，粒径小于，粒径小于0.001mm0.001mm。含粘粒多。含粘粒多的土壤，营养元素含量丰富，团聚能力较强，有良好的保的土壤，营养元素含量丰富，团聚能力较强，有良好的保水保肥能力，但土壤的通气和透水性较差。水保肥能力，但土壤的通气和透水性较差。 (4)(4)粉粒粉粒：也称作粉砂、面砂：也称作粉砂、面砂

13、，是原生矿物与次生矿物的混，是原生矿物与次生矿物的混合体，原生矿物有云母、长石、角闪石等，其中白云母较合体，原生矿物有云母、长石、角闪石等，其中白云母较多；次生矿物有次生石英、高岭石、含水氧化铁、铝，其多；次生矿物有次生石英、高岭石、含水氧化铁、铝，其中次生石英较多。粒径为中次生石英较多。粒径为0.050.005mm0.050.005mm。在黄土中含量。在黄土中含量较多。粉砂粒的物理及化学性状介于砂粒与粘粒之间。团较多。粉砂粒的物理及化学性状介于砂粒与粘粒之间。团聚、胶结性差，分散性强。保水保肥能力较好。聚、胶结性差，分散性强。保水保肥能力较好。二、土壤的粒级分组与质地分组二、土壤的粒级分组与

14、质地分组 3 3土壤质地分类及其特性土壤质地分类及其特性 土壤质地：土壤质地：由由不同的粒级不同的粒级混合在一起，所表现出来的混合在一起，所表现出来的土壤粗细状况，也称为土壤粗细状况，也称为 ( (或土壤机械组成或土壤机械组成) )。 土壤质地分类：土壤质地分类：是以土壤中各粒级含量的相对百分比是以土壤中各粒级含量的相对百分比作标准的。作标准的。n国际制和美国制均采用三级分类法，即按砂粒、粉砂粒、国际制和美国制均采用三级分类法，即按砂粒、粉砂粒、粘粒三种粒级的百分数，划分为粘粒三种粒级的百分数，划分为砂土、壤土、粘壤土和砂土、壤土、粘壤土和粘土粘土四类十二级。四类十二级。 中国土壤质地分类表中

15、国土壤质地分类表三、土壤的基本性质三、土壤的基本性质1 1. .物理性质物理性质2 2. .土壤的胶体性质土壤的胶体性质3.3.土壤的离子交换性土壤的离子交换性4.4.土壤的配合和螯合作用土壤的配合和螯合作用5.5.土壤酸碱性土壤酸碱性6.6.土壤的氧化还原性土壤的氧化还原性7.7.土壤的自净作用土壤的自净作用1 1. .物理性质物理性质n土壤具有土壤具有多孔性多孔性n粒级不同，粒级不同，矿物成分和理化特性也不同矿物成分和理化特性也不同。如表。如表4-34-3，4-44-42 2. .土壤的胶体性质土壤的胶体性质（1 1）土壤胶体具有巨大的比表面积和表面能，具有双电土壤胶体具有巨大的比表面积和

16、表面能，具有双电层结构。层结构。（2 2）土壤胶体的凝聚性和分散性。）土壤胶体的凝聚性和分散性。（3 3）土壤胶体具有离子交换性。）土壤胶体具有离子交换性。n土壤胶体可分为：无机胶体、有机胶体、有机土壤胶体可分为：无机胶体、有机胶体、有机- -无机复合胶体。无机复合胶体。a) a) 无机胶体无机胶体有：有：次生黏土矿物次生黏土矿物、铁铝水合氧、铁铝水合氧化物、含水氧化硅两性胶体。化物、含水氧化硅两性胶体。n黏土矿物对土壤中分子态、离子态的污染物有黏土矿物对土壤中分子态、离子态的污染物有很强的吸附能力。其原因是：很强的吸附能力。其原因是：(1)(1)黏土矿物颗粒微细、表面积很大，产生巨大的表面黏

17、土矿物颗粒微细、表面积很大，产生巨大的表面能能，其中以蒙脱石类表面积最大其中以蒙脱石类表面积最大(600(600800800m m2 2/g)/g)，它不仅有外它不仅有外表面，而且有巨大的内表面；伊利石次之表面，而且有巨大的内表面；伊利石次之(100(100200200m m2 2/g)/g)，高岭高岭石最小石最小(7(73030m m2 2/g)/g)； (2)(2)黏土矿物带负电荷，阳离子交换量高黏土矿物带负电荷，阳离子交换量高，对土壤中离，对土壤中离子态污染物有较强的交换固定能力；子态污染物有较强的交换固定能力；蒙脱石和高岭石的蒙脱石和高岭石的阳离子交换容量分别为阳离子交换容量分别为80

18、80120120、3 315 15 mequivmequiv（毫当量）（毫当量）/100g/100g。土壤胶体土壤胶体n不同黏土矿物吸附能力是不一样的不同黏土矿物吸附能力是不一样的，如对二价，如对二价金属离子的吸附顺序金属离子的吸附顺序: :蒙脱石蒙脱石： Ca Ca2+2+PbPb2+2+CuCu2+2+MgMg2+2+CdCd2+2+ZnZn2+2+高岭石：高岭石： Pb Pb2+2+CaCa2+2+CuCu2+2+MgMg2+2+ZnZn2+2+CdCd2+2+伊利石：伊利石： Pb Pb2+2+CaCa2+2+ZnZn2+2+CuCu2+2+CdCd2+2+b) b) 有机胶体有机胶体

19、n主要是主要是腐殖质腐殖质，腐殖质胶体是非晶态的无定，腐殖质胶体是非晶态的无定形物质，有巨大的比表面，其范围为：形物质，有巨大的比表面，其范围为： 350350900900m m2 2/g/g。n腐殖质腐殖质可分为可分为胡敏酸、富里酸和胡敏素胡敏酸、富里酸和胡敏素等。等。胡敏酸和富里酸含氮羟酸，它是土壤胶体吸胡敏酸和富里酸含氮羟酸，它是土壤胶体吸附过程中最活跃的分散性物质，特点是功能附过程中最活跃的分散性物质，特点是功能团多，带负电量大，故其阳离子吸附量均很团多，带负电量大，故其阳离子吸附量均很高。高。n胡敏酸和富里酸的主要区别是富里酸的移动胡敏酸和富里酸的主要区别是富里酸的移动性强、酸度高，

20、有大量的含氧功能团。有较性强、酸度高，有大量的含氧功能团。有较大的阳离子交换容量。大的阳离子交换容量。n胡敏酸、富里酸吸附金属离子的顺序胡敏酸、富里酸吸附金属离子的顺序: : HgHg2+2+CuCu2+2+PbPb2+2+ZnZn2+2+NiNi2+2+CoCo2+2+c) c) 有机有机- -无机复合胶体无机复合胶体n其性质介于无机胶体和有机胶体之间。其性质介于无机胶体和有机胶体之间。( (a)a)土壤胶体的土壤胶体的阳离子交换吸附阳离子交换吸附 + + CaCa2+2+ +2Na+2Na+ +n主要与下列因素有关：主要与下列因素有关：1)1)电荷数，电荷数，离子电荷数越高，阳离子交换能力

21、越强；离子电荷数越高，阳离子交换能力越强；2)2)离子半径及水化程度离子半径及水化程度。n阳离子交换量顺序：阳离子交换量顺序：有机胶体有机胶体 蒙脱石蒙脱石 水化云母水化云母 高岭土高岭土 含水氧化铁含水氧化铁n土壤的可交换性阳离子有两类：土壤的可交换性阳离子有两类： 致酸离子：致酸离子：H H+ +、AlAl3+3+ 盐基离子：盐基离子：CaCa2+2+、MgMg2+2+、K K+ +、NaNa+ +、NHNH4 4+ +等。等。3.3.土壤胶体的离子交换性：土壤胶体的离子交换性：( (b)b)土壤胶体的土壤胶体的阴离子交换吸附阴离子交换吸附n 阴离子可与胶体微粒或溶液中阳离子形成阴离子可与

22、胶体微粒或溶液中阳离子形成难溶性沉淀而被强烈地吸附。难溶性沉淀而被强烈地吸附。n各种阴离子被土壤胶体吸附的顺序为：各种阴离子被土壤胶体吸附的顺序为： F F- -草酸根柠檬酸根草酸根柠檬酸根POPO4 43-3-AsOAsO4 43-3-硅酸根硅酸根HCOHCO3 3- -H H2 2BOBO3 3- -CHCH3 3COOCOO- -SCNSCN- -SOSO4 42-2-ClCl- -NONO3 3- -4.4.土壤的配合和螯合作用土壤的配合和螯合作用n土壤中土壤中有机配体有机配体主要是腐殖质，主要是腐殖质，不同配位基不同配位基与金属离子亲和力的大小与金属离子亲和力的大小顺序为：顺序为：

23、- -NHNH2 2-OH-OH-COOH-COOH-C=O-C=On常见无机配位有：常见无机配位有：ClCl- -、SOSO4 42-2-、HCOHCO3 3- -、OHOH- -等。等。n土壤中有机质对金属离子的配合或螯合能力土壤中有机质对金属离子的配合或螯合能力的顺序为：的顺序为： Pb Pb2+2+CuCu2+2+NiNi2+2+ZnZn2+2+HgHg2+2+CdCd2+2+n一般来说，胡敏酸与金属离子形成的螯合物一般来说，胡敏酸与金属离子形成的螯合物是难溶的，富里酸与金属离子形成的螯合物是难溶的，富里酸与金属离子形成的螯合物是易溶的。是易溶的。5.5.土壤的酸碱性土壤的酸碱性n土壤

24、的酸碱性土壤的酸碱性取决于土壤溶液中取决于土壤溶液中H H+ +离子的浓度离子的浓度。1. 1. 土壤酸度土壤酸度活性酸度：通常用活性酸度：通常用pHpH表示，是土壤中表示，是土壤中H H+ +离子的浓度离子的浓度 的直接发映。的直接发映。 土壤酸碱度分级：土壤酸碱度分级：9 9个等级，见表个等级，见表4646。 土壤溶液中土壤溶液中H H+ +离子离子来源于：来源于：nCOCO2 2溶于水形成的碳酸溶于水形成的碳酸n有机物分解产生有机酸有机物分解产生有机酸n土壤矿物质氧化成无机酸土壤矿物质氧化成无机酸n无机肥中的无机酸无机肥中的无机酸n大气酸沉降大气酸沉降潜性酸度潜性酸度 n代换性酸度代换性

25、酸度 主要来自土壤中主要来自土壤中H H+ +和和AlAl3 3与溶液中金属离与溶液中金属离子发生子发生离子交换作用及交换性铝的水解：离子交换作用及交换性铝的水解： AlAl3+3+ + H + H2 2O O Al(OH)Al(OH)2+2+ + H + H+ + Al(OH) Al(OH)2+2+ + H + H2 2O O Al(OH)Al(OH)2 2+ + + H + H+ + Al(OH) Al(OH)2 2+ + + H + H2 2O O Al(OH)Al(OH)3 3 + H + H+ +n水解性酸度水解性酸度n 主要来自土壤中主要来自土壤中H H+ +和和AlAl3 3与溶

26、液中金属与溶液中金属离子发生离子交换作用生成的离子发生离子交换作用生成的弱酸的水解弱酸的水解。2.2.土壤碱度土壤碱度n碱度主要来源：碱度主要来源：COCO3 32 2和和HCOHCO3 3的碱金属及碱土的碱金属及碱土金属盐类。（交换性阳离子水解）金属盐类。（交换性阳离子水解）3.3.土壤的缓冲性能土壤的缓冲性能n土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸和土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸和其他有机酸等弱酸及其盐类，构成一个其他有机酸等弱酸及其盐类，构成一个良好的良好的缓冲体系缓冲体系。n土壤胶体吸附有各种阳离子，其中盐基离子和土壤胶体吸附有各种阳离子，其中盐基离子和氢离子分别对酸和碱起缓冲作用氢离子分别对酸和碱起缓冲作用n铝离子对碱起缓冲作用铝离子对碱起缓冲作用n土壤缓冲能力的大小顺序：腐殖质土土壤缓冲能力的大小顺序：腐殖质土 黏土黏土