8土壤环境化学简化版

无机矿物质
土壤中无机矿物质，按其成因可分为原生矿物和次生矿物。凡在地壳中最先 存在的、经风化作用后仍无变化地遗留在土壤中的一类矿物，称为原生矿物； 而在土壤形成过程中，由原生矿物转化形成的新矿物，统称次生矿物。 原生矿物的主要种类有： 石英 （SiO2）、长石（KAlSi3O8）、云母[K(Si3Al)Al2O10(OH)2]、辉石 [(Mg,Fe)SiO3]、闪石[(Mg,Fe)7(Si4O11)2(OH)2]、橄榄石[(Mg,Fe)2SiO4等。
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土壤的基本环境机能
• （1）培育植物 ：一方面土壤是能使植物挺立生长的支持体，另一方 面，土壤具有一定的肥力，能为植物生长提供水、空气和养分。因此 土壤是植物生长基体，也是庄稼和粮食的生产基地，从而成为动物、 人类以及绝大多数微生物赖以栖息、生活、繁衍的场所。
• （2）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
• 按营养关系可将土壤中生物分为生产者、消费者和分解者，其中微生
物和动物可按表一所示方式进行分类。
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•
表一 土壤生物的种类和数量
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土壤的环境化学特性 （1）吸附特性
土壤胶体(Colloids of Soil )的性质（直径1-100nm）
土壤胶体具有极大的比表面积和表面能 蒙脱石比表面积最大（600~800 m2/g），高岭石最小（7~30 m2/g），有机胶体比表面积也大（700 m2/g）。 胶体表面分子与内部分子所处的状态不同，受到内外部两种 不同的引力，因而具有多余的自由能即表面能，这是土壤胶 体具有吸附作用的主要原因。比表面积愈大，表面能愈大， 胶体的吸附性愈大。
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土壤胶体的电荷特性
土壤胶体微粒一般带负电荷，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。
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土壤胶体的分散性和凝聚性
由于土壤胶体微粒带负电荷，胶体粒子相互排斥，具 有分散性，负电荷越多，负的电动电位越高，分散性越强 ；另一方面土壤溶液中含有阳离子，可以中和负电荷使胶 体凝聚，同时由于胶体比表面能很大，为减少表面能，胶 体也具有相互吸引、凝聚的趋势。
层，由岩石风化产生的所有物质都有可能进入大气和水体，又可能通 过地球化学循环归入土壤。碳、氮元素在大气、海洋、土壤间以相当
快的速度循环（硫的循环速度略慢些）。一般地说，这些元素及其化
合物在土壤中的滞留时间相对较长，因为它们在土壤中受到诸如吸附、 沉降、酸碱缓冲和植物摄取等多种作用。
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（3）保存水资源 ：土壤是大气和地下水的缓冲地区。土壤粒隙中储存 的大量降水不会过快蒸发，它们或通过径流徐徐流向河流、湖泊，或 渗入地下水体保存。水流中的杂质经土壤过滤、吸附及微生物降解等 作用，可得到较纯净的水。 （4）防止灾害 ：由于土壤蓄水量大，可防止洪水发生。土壤植物又可
C＝Ca＞K＞Na＞Mg＞Ti＞N＞S，这个次序与地壳组成大体
一致，所不同的是由于土壤中集结了大量生物体，因此C、N、 S的含量相对较高。 从环境污染角度来看，土壤还是藏垢纳污之处，内中含有各种 生物的残体、排泄物、腐烂物；还含有来自大气、水体及固体 废物中的各种污染物以及农药、肥料残留物等。
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（2）化学风化过程： 初始风化后的岩石，还将经受长期的化学风化过程，其中涉及多种化 学反应。例如： ①水解和水合反应： 2Fe2O3（氧化铁）+3H2O KAlSi3O8(正长石)+H2O ②氧化反应： 12MgFeSiO4(橄榄石)+8H2O+O2 ③酸溶反应： 4H4Mg3Si2O9（蛇纹石） +4SiO2（石英）+6Fe2O3 2Fe2O3· 2O(褐铁矿) 3H HAlSi3O8+K++OH－
Soil environmental chemistry
马双忱
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土壤的组成、结构和性质
土壤的形成及环境意义 土壤的结构和组成
土壤污染:农药与重金属污染
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土壤的形成及其环境意义
• 生态系统的重要组成之一 — 岩石圈，由岩石和土壤组成。在地球 表面约1.5亿km2的陆地中，农耕田、草地和林田分别占9％、21％ 和27％。这些陆地是岩石圈的主要组成部分。 • 在土壤中有机物和无机物、生命体和非生命体共存，而且不断进行 着化学的、物理的、生物的、地质的多种多样的运动和变化。 • 从环境角度考虑，土壤既为人类提供丰富的物质资源，又是人类排 放各种废物的场所，土壤污染亦是当前人类面临的重要环境问题之 一。
异于大气之处是：
①土壤空气是不连续的，存在于土粒空隙之间； ②有更高的湿度； ③由于有机物腐烂，使土壤空气中O2含量较少，而CO2浓度 显著增加（比大气中CO2浓度大8～300倍），但二者之和约为
总量的21％（体积），与大气情况相近；
④ 土壤空气中还含有少量还原性气体，如CH4、H2S、H2等， 在某些情况下还可能产生PH3、CS2等气体，这些都是厌氧性微
无机盐类：碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、磷 盐等；
酸
有机化合物类：腐殖酸、有机酸、可溶性糖类、蛋白质及衍生物等；
络合物类：如铁和铝的有机络合物等；
溶解性气体类：如O2、CO2、N2等。
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土壤空气
土壤空气也是土壤的重要组分之一。它对土壤微生物活动，营养物质 的转化以及植物的生长发育都有重大的作用。因此，土壤空气的状况 是决定土壤肥力的重要因素之一。
数量最多的石英和长石构成土壤的砂粒骨架，而云母、辉石等矿物质 则为植物提供许多无机营养物质。
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次生矿物包括各种简单盐类（碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、卤化物），
游离硅酸、水合氧化物（R2O3· 2O），如三水铝石(Al2O3· 2O)、水 xH 3H
铝石(Al2O3· 2O)、针铁矿(Fe2O3· H H2O)、褐铁矿(2Fe2O3· 2O)等，次 3H 生硅铝酸盐（如伊利石、蒙脱土、高岭土等）。 次生矿物中简单盐类属水溶性盐，易被淋失，一般土壤中含量较少。而 水合氧化物和次生铝硅酸盐，是土壤矿物质中最细小的部分，一般将它
土壤是多孔体系，土壤空气存在于未被水分占据的土壤空隙中。这些
气体主要来源于大气，其次是产生于土壤内发生的化学和生物化学过 程。
土壤空气的数量，通常以单位土体容积中空气所占容积百分数来表示，
称为土壤含气量。凡影响土壤孔性和含水量的因素，也都影响土壤的 空气含量。
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总体来看，土壤空气组成和大气的组成大同小异。土壤空气有
CaCO3+CO2+H2O
Ca(HCO3)2
H2Al2Si2O8（高岭土）+ Ca2+
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CaAl2Si2 O 8（钙长石）+2H+
长期化学风化后的岩石进一步分解而形成早期的土壤，风化后释放的 K+、Ca2+等离子成为可被植物吸收的成分（为进一步的生物风化提供营 养物质），Fe2O3· 2O等则成为新的矿物。早期土壤的形成为陆生植 3H

水土流失
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11月2日凌晨,云南楚雄发生特大泥石流灾害。 据初步统计,此次泥石流已经造成21人死亡, 11 40余人失踪
土体构型
土壤土体是由一系列不同性质和质地的层次构成的。故各类土壤都有 一定的剖面构型。土体构型也是土壤分类的重要依据。土体内物质的 迁移和转化过程，固然发生于土壤各组成成分之间，但宏观地看来， 也发生于各土层之间。
防止风雨侵蚀、水土流失或土壤沙漠化趋向，并兼有防风、消音等作
用。 （5）自净能力：土壤对外来污染物有一定的自净能力，因为土壤具有
极大比表面和催化活性，兼以土壤中所含水、空气、微生物等都能使
污染物降解脱活，从而将这些污染物的降解产物纳入天然循环轨道。
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全球范围的土壤环境问题

土壤酸化、盐碱化、土壤污染 土壤沙漠化（石漠化） 陆地植被破坏
们（或单将后者）称之为次生粘土矿物。土壤很多重要的物理、化学过
程和性质，都和土壤所含的粘土矿物，特别是次生铝硅酸盐的种类和数 量有关。
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土壤有机质（Soil Organic Matter，SOM)
根据土壤中有机质的来源和存在状态，广义的土壤有机质可分为两大
类： 一类是活的有机体，包括植物根系和土壤生物； 另一类是各种有机化合物，这就是狭义的土壤有机质，它又可分 为两类，一类是组成生物残体的各种有机化合物，称为非腐殖物质， 约占土壤有机质总量的30％～40％；一类是称为腐殖质的特殊有机 化合物，包括腐殖酸、富里酸和胡敏质等，它们普遍存在于土壤、腐 熟的有机肥料、各种地面水体的底泥和煤炭之中。土壤腐殖质占土壤 有机质总量的60％～70％。
溶作用使物质下移所经过的土层，这一层也可称过渡层。淀积层（B）是指物质 累积的层次。B层的性质依土壤不同而有很大差别，由此又可区分为腐殖质淀积 层（Bh）、铁铝淀积层（Bs）、粘粒淀积层（Bt）等。再以下的母质层（C） 和母岩层（R）均不属于土壤发生层，一般仅作为土壤剖面的重要成分列出。 有机质层（包括O、H、A层）的特点是含有机物量最多，具有最大生物活性， 金属离子或粘土粒子容易随土壤中水分往下渗透。淀积层（B）的特点是含有机
物的生长提供了物质基础。
（3）生物风化作用： 生物作用是形成现代土壤的三要素之一。植物的根部运动增进了水 和空气与土壤的接触，促进了土壤的物理风化；同时植物生长产生的大 量腐叶和枯枝（以及动物残骸），在腐烂过程中析出有机酸侵蚀岩石， 使早期土壤不断得到化学风化。在微生物作用下还会分解产生腐殖质， 与矿物质的络合作用，也促进了土壤的化学风化。 久而久之，逐步形成了人文明赖以生存的基本条件之一 — 现代土
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土壤的形成是物理过程、化学过程与生物过程等长期共同作用的结果。主要过程 有物理风化过程、化学风化过程、生物风化作用。 （1）粉碎性岩石的初始风化 地壳中含有多种硅酸盐矿物，如长石、辉石、闪石、橄榄石、云母等，由于地 壳运动和火山活动等原因，上述矿物质从地壳深处迁移至地表，从高温高压到常 温常压的急剧变化，使岩石破碎和粉碎，粉碎后的岩石大大增加了与空气和水接 触的面积，从而明显加速了其物理风化的进程，物理风化不改变岩石的化学成分, 但为化学风化的深入发展创造了有利的条件。（沙漠地区就属于典型的物理风化）