土壤环境化学

1环境化学EnvironmentalChemistry2第四章土壤环境化学SoilEnvironmentalChemistry31.土壤的组成与性质2.土壤污染3.污染物在土壤-植物体系中的迁移及其机制4.土壤污染与防治第四章土壤环境化学SoilEnvironmentalChemistry41.土壤的组成与性质1.1土壤的环境机能1.2土壤组成1.3土壤的粒级分组与质地分组1.4土壤吸附性1.5土壤酸碱性1.6土壤的氧化还原性5土壤的基本环境机能培育植物推动物质循环保存水资源防止灾害自净能力1.1土壤的环境机能1.土壤的组成和性质6土壤退化的过程风和水的侵蚀作用：引起土壤流失；受纳酸雨或过多使用氨氮肥料：引起土壤酸化；灌溉水中含过多盐分或深度风化作用：引起土壤盐碱化；干旱：引起土壤板结、龟裂、结构单元破坏甚至荒漠化；水涝：引起营养物浸出和流失；污染：引起土壤中有毒物质累积。1.1土壤的环境机能1.土壤的组成和性质71.2土壤的组成固体部分孔隙部分无机体（矿物质）有机体原生矿物质图1.土壤中固、液、气相结构图次生矿物根须土粒上的吸附水土粒土壤空隙被水饱和的土壤排入地下水有机质土壤生物液体----水分（溶液）气体（空气）1.土壤的组成和性质81.2土壤的组成1.土壤的组成和性质土壤的层次结构自然土壤的综合剖面图A00A0A1A2A3B1B2B3CCCSGD土壤层覆盖层(A0)淋溶层(A)淀积层(B)母质层(C)基岩(D)疏松的枯枝落叶层，未经分解暗色半分解有机质层暗色的腐殖层灰白色的灰化层向B层过渡层，多似A层向A层过渡层，多似B层棕色至红棕色的淀积层向C层过渡层CaCO3聚集层CaSO4聚集层潜育层(灰粘层)可能出现的特殊层次1.2土壤的组成10土壤矿物质是岩石经物理风化和化学风化(氧化、水解和酸性水解)形成的。按其成因类型可以将土壤矿物质分为两类：原生矿物和次生矿物。原生矿物是各种岩石(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质，其原来的化学组成和结晶构造都没有改变；次生矿物是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。1.2.1土壤矿物质1.2土壤的组成石英、长石类、云母类、辉石类、闪角石类、橄榄石、赤铁矿、磁铁矿、磷灰石（包括氟磷灰石和氯磷灰石两种）、黄铁矿。1.2.1土壤矿物质土壤中主要的原生矿物有：土壤中原生矿物的类型，随母质的类型、风化强度和成土过程的不同而异。岩石化学风化主要三个历程：氧化、水解和酸性水解。氧化：224232244412MgFeSiOs+Og+5HO2FeO3HOs+MgSiOs+HSiOaq、121.2.1土壤矿物质土壤中主要的原生矿物有：岩石化学风化主要三个历程：氧化、水解和酸性水解。水解：242+2+442MgFeSiOs+4HO2Mgaq+Feaq++HSiOaq、酸性水解：+42+2+442MgFeSiOs+4HaqMgaq+Feaq+HSiOaq、13(1)硅酸盐类矿物：长石类、云母类、辉石类和闪角石类等矿物。(2)氧化物类矿物石英、赤铁矿、金红石(TiO2)、蓝晶石(Al2SiO5)。(3)硫化物类矿物黄铁矿和白铁矿。(4)磷酸盐类矿物磷灰石（包括氟磷灰石和氯磷灰石两种）、磷酸铁、铝以及其它磷的化合物1.2.1土壤矿物质土壤中最主要的原生矿物有四类：14土壤中的次生矿物主要有：(1)简单盐类方解石、白云石(Ca、Mg（CO3）2)、石膏(CaSO2·2H2O)，是原生矿物化学风化的最终产物。(2)三氧化物针铁矿(Fe2O3H2O)、褐铁矿（2Fe2O33H2O）等，硅酸盐类矿物彻底风化的产物。(3)次生硅酸盐类由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成，是构成土壤粘粒的主要成分，故又称粘土矿物或粘粒矿物。1.2.1土壤矿物质15次生硅酸盐粘土矿物的类型和性质硅四面体四面体片1.2.1土壤矿物质16次生硅酸盐粘土矿物的类型和性质铝八面体八面体片1.2.1土壤矿物质17根据构成晶层时硅氧片与水铝片的数目和排列方式，可分为：(1)高岭石类：由一硅氧片与一水铝片组成一个晶层，属1∶1型二层黏土矿物1.2.1土壤矿物质次生硅酸盐粘土矿物的类型和性质18（1）高岭石类四面体片与八面体片通过共用氧原子结合成一个晶片，晶片间以氢键相连，水化时基本不膨胀。1.2.1土壤矿物质19(2)蒙脱石类：由两层硅氧片中间夹一层水铝片组成一个晶层，属于2∶1型的三层黏土矿物。1.2.1土壤矿物质20蒙脱石的特点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。1.2.1土壤矿物质21(3)伊利石类：两层硅氧片中间夹一层水铝片组成一个晶层，2∶1型晶格。1.2.1土壤矿物质22根据同晶置换与层间结合不同可分为叶蜡石——范德华力连结蒙脱石——Mg-Al，钠作为补偿离子蛭石——Al-Si，Mg、Fe-Al，水合镁离子作为补偿离子伊利石——钾离子作为补偿离子水云母——云母中钾离子下降，以其他水合离子作为补偿1.2.1土壤矿物质231.2.2土壤有机质土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称。(10%)0102030405060热带雨林温带森林热带草原温带草原苔原冻土地带沙漠灌木岩石，沙漠耕作土壤沼泽0100200300400500600700800净初级生产力(MgC/hay)植物生物量(MgC/ha)SOM(MgC/ha)不同生态系统下土壤有机质的含量1.2土壤的组成241.2.2土壤有机质土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称。(10%)非腐殖质：腐殖质：组成有机体的各种有机化合物包括动植物残体的组成部分以及有机质分解的中间产物，占土壤有机质总量的10~15%。土壤特有的有机物质，占土壤有机质总量的85~90%，主要是动植物残体通过微生物作用，发生复杂转化而成。糖类不含氮的有机化合物含氮有机化合物有机磷和有机硫化物木质素1.2土壤的组成•胡敏素(Humin)：不溶于有机溶剂、稀酸和稀碱液的有机高分子化合物。•胡敏酸(Humicacid)：溶于稀碱，但不溶于稀酸的棕至褐色的天然有机高分子化合物。•富里酸(Fulvicacid)：土壤中既能溶于稀碱又能溶于稀酸的黄棕色天然有机高分子化合物。050100150200250300350400450500胡敏素胡敏酸富里酸羧基酚OH醇OH羰基分子大小：胡敏素胡敏酸富里酸1.2.2土壤有机质261.2.3土壤水分不同土壤的保水能力不同；土壤水分实际上是土壤溶液。占土壤总体积的20%～30%，含有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO3-、SO42+、HCO3-等无机离子；还含有机物。土壤水分主要来源于降雨、雪和灌溉。在地下水位接近于地面(2～3m)的情况下，地下水也是上层土壤水分的重要来源。土壤水分是植物吸收养料的主要媒介。1.2土壤的组成271.2.4土壤空气来源：大气；土壤中的生物化学过程。土壤空气与大气组成有较大的差别：土壤空气是不连续的；CO2含量一般远比在大气中高，氧的含量则低于大气。土壤空气一般比大气含有较高的水量。厌氧细菌活动产生的少量还原性气体如CH4、H2S、H2也积累在土壤空气中。1.2土壤的组成281.2.5土壤生物1.土壤生物的种类及其特性1.2土壤的组成1.3土壤的粒级分组与质地分组1.土壤矿物质的粒级划分表1.国际制、前苏联和美国制土粒分级标准国际制前苏联制美国制粒级名称粒径(mm)粒级名称粒径(mm)粒级名称粒径(mm)砾石2石块3石块3砾石3—1粗砾3—2粗砂2—0.2粗砂1—0.50极粗砂2—1细砂0.2—0.02中砂0.5—0.25粗砂1—0.5细砂0.25—0.05中砂0.5—0.25细砂0.25—0.10极细砂0.10—0.05粉砂粒0.02—0.002粗粉砂0.05—0.01粉砂0.05—0.002中粉砂0.01—0.005细粉砂0.005—0.001粘粒0.002粗粘粒(粘质的)0.001—0.0005粘粒0.002细粘粒(胶质的)0.0005—0.0001胶体0.0001砂粒砂粒砂粒粉砂粒1.土壤的组成和性质颗粒名称粒径(mm)石块10石砾粗砾10—3细砾3—1砂粒粗砂粒1—0.25细砂粒0.25—0.05粉粒粗粉粒0.05—0.01细粉粒0.01—0.005粘粒粗粘粒0.005—0.001细粘粒0.001表2.我国土粒分级标准1.3土壤的粒级分组与质地分组311.3土壤的粒级分组与质地分组2.各粒级的主要矿物成分和理化特性32由于土粒大小不同，矿物成分和化学组成也不同各粒级的物理化学性质和肥力特征相差很大。(1)石块和石粒：多为岩石碎快，直径大于1mm，不利于保持水分和养分。(2)砂粒：主要为原生矿物，大多为石英、长石、云母、角闪石等。粒径为1-0.05mm，土壤含砂粒多时，通气和透水性强，保水保肥能力弱，营养成分含量少。1.3土壤的粒级分组与质地分组2.各粒级的主要矿物成分和理化特性33(3)粘粒：主要为次生矿物，粒径0.001-0.005mm，含粘粒多的土壤，营养元素含量丰富，团聚能力强，保水保肥能力强，但通气和透水性差。(4)粉粒：原生矿物和次生矿物的混合体，粒径在0.05-0.005mm之间，其性质介于砂粒和粘粒之间。团聚、胶结性差，分散性好，保水保肥能力较好。2.各粒级的主要矿物成分和理化特性1.3土壤的粒级分组与质地分组34由不同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）。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。主要有国际制、美国制和前苏联制。3.土壤质地分类和主要特性1.3土壤的粒级分组与质地分组353.土壤质地分类和主要特性1.3土壤的粒级分组与质地分组363.土壤质地分类及其特性1.3土壤的粒级分组与质地分组373.土壤质地分类和主要特性1.3土壤的粒级分组与质地分组38土壤中两个最活跃的组分是土壤胶体和土壤微生物，它们对污染物在土壤中的迁移转化有重要作用。胶体：直径在1-100nm之间的颗粒，一般称为胶体。体系由粒子和介质组成。粒子大小至少在一维方向上为30-10000Å左右。粒子叫胶粒或分散相；介质叫分散介质或连续相。1.4土壤的吸附性土壤胶体无机胶体有机胶体-----土壤矿物腐殖质有机、无机的复合胶体水合氧化物1.土壤的组成和性质391.土壤胶体的性质(1)土壤胶体具有巨大的比表面和表面能。比表面是单位质量的物质的表面积。(2)土壤胶体的电性。具有双电层，微粒的内部一般带负电荷，其外部由于电性吸引，形成一个正离子层，合称为双电层。1.4土壤的吸附性1.土壤的组成和性质40双电层的概念：1879年亥姆霍兹首先提出。双电层是在固液两相的界面上形成的，正负离子分别平行地排列在固液两相界面上，与平行板电容器相似，两层间的距离约与离子的大小相等。如果固体物质是胶体系统的分散相，则在胶体粒子的周围即形成上述的双电层。1.土壤的组成和性质1.4土壤的吸附性41固体表面离子带相反电荷的离子（异电离子、补偿离子），由于离子的热运动，并不是全部整齐地排列在一个面上，而是随着距界面的远近，有一定的浓度分布。倘若取溶胶中的胶粒的一部分为例，其电荷分布的情况就如右图所示。–––––––––MNBACDδd++++++++++++分散的双电层理论在靠近粒子表面的一层，正离子有较大的浓度，随着与界面距离的增大，过剩的正离子的浓度逐渐减少，直到距界面为d处，过剩正离子的浓度等于零。溶液中所有这些离子都是溶剂化的。1.4土壤的吸附性42双电层可分为两部分：一部分为紧靠固体表面的不流动层，称为紧密层，其中包含了被吸附的离子和部分过剩的异电离子(在这里是正离子)，其厚度约有几个水分子的大小，即由固体表面至虚线AB处；另一部分包括从AB到距表面为d处，称为分（扩）散层，