第四章 土壤环境化学土壤概述土壤的形成：地壳中各类岩石在长期风化过程中，逐渐破 碎成大小不等的颗粒，同时改变了原来的化学 组成和性质，形成了矿物碎屑（即土壤母质） ，并产生某些特性，如透水性、保水性、通气 性，并含有少量可溶性矿物元素等。这些特性 是岩石所不具备的，这时所形成的土壤母质， 因不含氮素，不具备绿色植物生长所必需的肥 力条件，所以土壤母质并不等于土壤；但在土 壤母质中，某些微生物特别是固氮微生物可以 繁殖，为土壤母质积累一定的氮素养料，继而 开始出现绿色植物。土壤的形成在绿色植物生命活动过程中，从土壤母质 中选择吸收大量的营养元素组成自己的躯体， 死亡后其残骸留于土壤母质中，经微生物活动 ，一部分形成高分子腐殖质，一部分分解为简 单的可溶性养分元素，供下一代植物生长所需 ，这一过程使土壤母质不断增加和积累有机体 的分解产物及营养元素，使土壤母质逐渐具备 肥力，这样土壤母质才逐步变为土壤。使土壤 母质发展肥力，从而转变成土壤的过程就叫做 成土作用，而有机质的合成与分解是成土作用 的实质。 土壤概述土壤的基本环境机能培育植物植物挺立生长的支持体植物生长提供水、空气和养分推动物质循环土壤是地球表层中介入元素循环的一个重要圈层，由岩 石风化产生的所有物质都有可能进入大气和水系，又可能通 过地球化学循环归入土壤。 保存水资源土壤是大气和地下水之间的缓冲地区。 防止灾害 土壤蓄水量大，可防止洪水发生。土壤植物又可防止风 雨侵蚀、水土流失或土壤荒漠化趋向，并兼有防风、消音等 作用。 自净能力 土壤具有极大比表面和催化活性；土壤对外来污染物有一定的自净能力。土壤概述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。 土壤环境的质量 国家环境保护局于1995年制订和发布了土壤质量环境 标准GB15618一1995，其适用范围包括我国疆域内所有农 田、蔬菜地、茶园、果园、牧场、林地、自然保护区等地的 土壤。依据土壤应用功能、保护目标和主要性质，将土壤质量 划分为三级：土壤概述 一级标准 适用于I类土壤区，包括国家规定的自然保护区( 原有背景重金属含量高的除外)、集中生活饮用水源地 、茶园、牧场和其他保护地区的土壤。土壤质量应基 本上保持自然背景水平。 二级标准 适用于类土壤区，包括一般农田、蔬菜地、茶 园、果园、牧场等的土壤。土壤质量应基本上对植物 和环境不造成危害和污染。 三级标准 适用于类土壤区，包括林地土壤及污染物容量 较大的高背景值土壤和矿区附近等地的农田土壤(蔬菜 地除外)。土壤质量应基本上对植物和环境不造成危害和污 染。第一节 土壤的组成与性质一、土壤的组成 土壤由固、液、气相物质组成。固相指土壤矿物质(原生矿物和次生矿物质) 和土壤有机质，两者占土壤总量的9095%。液相指土壤水分及其可溶物，两者合称为 土壤溶液。气相指土壤空气，在土壤的孔隙中充满空 气（体积的35），因此土壤具有疏松结构。土壤中还有数量众多的细菌和微生物，一 般作为土壤有机物而视为土壤固相物质。典型土壤随深度不同呈现不同的层次。土壤的组成土壤的组成土壤的组成 1、土壤矿物质 土壤矿物质是岩石经物理风化和化学风化形成的 ，主要元素 O、Si、Al、 Fe、C、Ca、K、Na、 Mg、Ti、N、S、P等。按成因类型可将土壤矿物分为两类：原生矿物 和次生矿物。 1）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，其原来的化 学组成和结晶构造都没有改变。0.0011mm的砂 和粉粒几乎全是原生矿物。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、硫化物类和磷酸盐类矿物。土壤的组成 1）原生矿物 （1）硅酸盐类矿物长石类、云母类、辉石类和闪角石类等矿物，比较容 易风化而释放出K、Na、Ca、Fe、Mg和Al等元素可供植 物吸收，同时形成新的次生矿物。占岩浆岩重80%。 （2）氧化物类矿物石英(SiO2)、赤铁矿(Fe2O3)、金红石(TiO2) 、蓝晶石 (Al2SiO5)等。稳定而不易风化。颗粒较粗。 （3）硫化物类矿物土壤中通常只有铁的硫化物，即黄铁矿和白铁矿，二 者是同质异构物，分子式均为Fe2S，极易风化，成为土壤 中硫元素的主要来源。 （4）磷酸盐类矿物土壤中分布最广的是磷灰石，包括氟磷灰石和氯磷灰 石两种，其次是磷酸铁、铝以及其它磷的化合物，是土壤 中无机磷的重要来源。原生矿物岩石的化学风化作用包括三个过程：氧化、 水解和酸性水解。 氧化：水解：酸性水解：土壤的组成 2）次生矿物大多数是由原生矿物经风化后重新形成的新矿物 ，其化学组成和晶体结构都有所改变而不同于原来的原 生矿物。在土壤形成过程中，原生矿物以不同的数量与土壤 中的次生矿物混合存在，成为土壤矿物质。土壤中次生矿物可分为：简单盐类、三氧化物类和 次生(铝)硅酸盐类。 (1)简单盐类如方解石(CaCO3)、白云石Ca、Mg（CO3）2、石 膏(CaSO42H2O)等，是原生矿物化学风化的最终产物 ，结晶构造都较简单，有些属于水溶性盐，易于淋溶流 失，一般土壤中较少，多存在于盐渍土中，但可见于干 早和半干旱地区的土壤中。土壤的组成2）次生矿物 (2)三氧化物如针铁矿(Fe2O3 H2O)、褐铁矿（ 2Fe2O3 3H2O）等，往往是硅酸盐类矿物彻底 风化的产物，常见于湿热的热带和亚热带地区 的土壤中，特别是基性岩(玄武岩、安山岩和石 灰岩）上发育的土壤中含量最多。 （3）次生铝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，可细分为伊利石、蒙脱石和高岭石 。 其风化最终产物基本为铁铝氧化物。次生矿物晶质的次生矿物：主要包括铝硅酸盐类粘土矿物 。根据构成晶层时硅氧片（由硅四面体连接而 成）与水铝片（由铝八面体连接而成）的数目 和排列方式，粘土矿物可分为下列三大类： 高岭石类：由一层硅氧片和一层水铝片组成一 个晶层，是1：1型的二层粘土矿物。晶层的一 面都是氧原子，另一面是氢氧原子组，晶层与 晶层之间通过氢键相连接。晶层之间的距离很 小，故内部空隙不大，水分子和其它离子难以 进入层间。（图4-2）次生矿物次生矿物蒙脱石类：由两层硅氧片和一层水铝片组成一 个晶层，是2：1型的三层粘土矿物。晶层表 面都是氧原子，没有氢氧原子组，晶层与晶 层之间没有氢键结合。晶层之间有一定距离 ，水分子和其它交换性阳离子可以进入层间 ，因此具有较高的阳离子交换容量。 伊利石类：晶体结构与蒙脱石类似，也是由两 层硅氧片和一层水铝片组成一个晶层，是2： 1型的晶格。不同之处是伊利石类粘土矿物中 总有一部分硅被铝代替，由此取代产生的正 电荷不足，由处于两个晶层间的钾离子所补 偿。 次生矿物次生矿物次生矿物次生矿物的生成包括原生矿物的分解与次生 粘土矿物的生成两个阶段。 原生矿物的分解：原生岩石经过物理、化学 和生物化学作用，破碎并分解为简单矿物。其 中化学风化对原生矿物的分解有着十分重要的 作用，在水与大气中二氧化碳、氧气的作用下 ，通过溶解、水化、水解和氧化作用，生成次 生矿物。如钾长石的分解：3KAlSi3O8 + H2O + CO2 KH2Al3Si3O12 + K2CO3 + 6SiO2 或 2KalSi3O8 + 2H2O + CO2 Al2O32SiO22H2O + K2CO3 + 4SiO2 次生矿物土壤中含磷矿物氟磷灰石Ca3(PO4)2CaF2， 经水解作用，形成可溶性酸式磷酸盐： Ca3(PO4)2 + H2O + CO2 2CaHPO4 + CaCO3 2CaHPO4 + H2O +CO2 Ca(H2PO4)2 +CaCO3 又如含铁矿物黄铁矿的氧化： 2FeS2 +7O2 + 2H2O 2FeSO4 +2H2SO4 次生粘土矿物的生成：次生粘土矿物大多为各 种铝硅酸盐和铁硅酸盐，在风化过程中，产生 一些可溶性产物，互相结合，形成非晶质凝胶 ，再经过自晶化作用，形成粘土矿物。 土壤的组成2、土壤有机质 土壤有机质是含碳有机物的总称， (Soil Organic Matter，SOM)，是土壤形成的主要标 志，土壤肥力的表现，影响土壤性质，包括： (1) 非特殊性的土壤有机质，称为非腐殖质物质。 包括动植物残体的组成部分以及有机质分解的 中间产物，例如蛋白质、树脂、糖类、有机酸 等，占土壤有机质总量的1015%。 (2) 土壤腐殖质，是土壤特有的有机物质，占土壤 有机质总量的8590%，主要是动植物残体通过 微生物作用，发生复杂转化而成。包括腐质酸 、富里酸和腐黑物。土壤有机质进入土壤的有机物质所含成分，按其化学组成可 分为：不含氮的有机化合物，如单糖和有机酸、多糖 类、树脂、脂肪、蜡质和木质素等。含氮有机化合物，即以蛋白质为主，土壤中的 植物残体、土壤动物微及生物均含有种当多的 蛋白质。灰分物质，即植物体经过燃烧残留的部分。土壤的组成3、土壤生物土壤中生活着一个生物群体，土壤生物可分为 三大类： 1）土壤微生物，包括细菌、放线菌、真菌与藻类。 2）土壤微动物，包括原生动物、蠕虫、节肢动物等 。 3）土壤动物，包括两栖类、爬行类和哺乳动物。 土壤生物在土壤系统中主要起着分解者的作用， 同时又是消费者，还有少数则为生产者。 土壤生 物主导着土壤有机质转化的基本过程，又是土壤有 机质的重要来源，土壤生物也是净化土壤有机污染 的主力军。 土壤的组成4、土壤中的水分： 1）来源：大气降水和灌溉地下水（水位接近地面者）、空气冷 凝水 2）土壤的持水能力：由于土壤颗粒表面的吸附力和微细孔隙 的毛细管力使得土壤具有一定的持水能力 。不同土壤保持水分的能力不同。砂土由 于土质疏松孔隙大，水分易于渗透流失； 粘土土质细密，孔隙小，水分不易流失。 气候条件对土壤含水量也有很大的影响。 土壤中的水分（3）土壤水分存在的形式：土壤颗粒表面有很强的粘附力，土壤颗粒吸附 的水分称吸着水，几乎不移动，不被植物吸收 。内层的膜状水称内聚水或毛细管水，是植物 生长的主要水源。土壤水分是土壤中各种成分和污染物溶解形 成的溶液。土壤溶质包括：无机胶体、有机胶 体、无机盐类、有机化合物、配合物、溶解气 体。土壤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迁移的媒 介。土壤的组成土壤中的水分 土壤的组成5、土壤中的空气 土壤孔隙中所存在的各种气体的混合物称 为土壤空气。以O2、N2、CO2及水汽等为主要成分； 但某些气体在含量上有较大差异；其次是由于土壤进行生物化学作用产生的 气体。如H2S、NH3、CH4、 H2等;另外一些醇类、酸类以及其它挥发性物质 通过挥发作用也进入土壤。对被污染的土壤而 言，其空气中可能存在污染物。土壤中的空气(1)土壤空气是不连续的，而是存在于被土壤固体隔 开的土壤空隙中。这一情况使土壤空气的组成在 不同空隙中并不是连续的，在局部土穴中，产生 气体的化学反应能够大大改变土壤空气的组成。 (2)土壤空气一般比大气有较高的含水量。在土壤含 水量适宜时，土壤相对湿度可接近100。 (3)土壤空气的二氧化碳含量远比大气的含量高，氧 气的含量则低于大气。其二氧化碳的浓度往往是 大气中浓度的几百倍，氧气的浓度则相应的下降 ，在极端情况下也不会超过1012。造成这 种差别的原因，是土壤中各种生物，如植物根系 和动物、微生物的呼吸作用，以及有机质的分解 ，都消耗了大量氧气而产生大量的二氧化碳。 土壤中的空气土壤空气含量和组成在很大程度上取决于 土-水关系。作为气体混合物的土壤空气，只 进入未被水分占据的那些土壤孔隙。雨后，大 孔隙中