环境化学第四章土壤环境化学(20200825195335)
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土壤环境化学
液相 liquids 固相 solids
water
Soil solution salts
inorganic
minerals
organic
Humus and residue of plants
microorganisms
4-11
根须
土粒上的吸附水 土粒 土壤孔隙
被水饱和的土壤
排入地下水
4-12
土壤的分层： 覆盖层、淋溶层、淀积层
4-5
由于方方面面的原因，一些地区的土壤受到不同程度的污染， 对生态环境、食品安全和农业可持续发展构成威胁，总体形 势相当严峻。
一是土壤污染程度加剧。据不完全调查，目前全国受污 染的耕地约有1.5亿亩①，污水灌溉污染耕地3250万亩，固体 废弃物堆存占地和毁田200万亩，合计约占耕地总面积的1/10 以 上，其中多数集中在经济较发达的地区（2006年）。
4-9
固体50%左右
矿物质45%左右
水
空气
20%~30% 30%~20%
空隙 50%左右
有机质5%左右
Dynamic Nature of Soil
Ideal
Too Dry
Too Wet
Water
Mineral
Organic
Air
4-10
土壤 soil
气相 gases
Soil air: CO2，O2，N2，H2S，CH4等
，还会附着在土壤颗粒上，通过呼吸直接进入人体。
工业废物的 任意堆放
大气污染的 干湿沉降
污泥、污水 的施用等
工业废水的 任意排放
土壤
农药和化肥 的过度施用
地表径流带 来的污染
生活垃圾的 填埋
第四章土壤环境化学(SoilEnvironmentalChemistry)
土壤胶体吸附的阳离子全部是盐基阳离 子时，这种土壤称为盐基饱和土壤。
可交换性盐基总量 盐基饱和度（%） 100 阳离子交换量
（2）土壤胶体的阴离子交换吸附
带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶 液中的阴离子交换。 吸附顺序：
F- > C2O42- > 柠檬酸根 > PO43- > HCO3-> H2BO3- > Ac- > SCN- > SO42- > Cl- > NO3-
代换性酸度：
用过量中性盐（KCl、NaCl等) 溶液 淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中H+、 Al3+发生离子交换作用：
|土壤胶体|-H+ + KCl → |土壤胶体|-K+ + HCl |土壤胶体|-Al3++ 3KCl→|土壤胶体|-3K+ + AlCl3 AlCl3 + H2O → Al(OH)3 + 3HCl
形成过程：由地壳的岩石、矿物经过风化作用形成的。 按成因类型分类： 原生矿物
Soil)
次生矿物
原生矿物：
土壤中原先存在的岩石颗粒，受到不同
程度物理风化后形成的。
类别：
硅酸盐（石英、长石、云母等）；
氧化物（SiO2 、Al2O3、 TiO2、 Fe2O3）；
硫化物 (FeS)；
磷酸盐如氟磷灰石Ca5(PO4)3F等。
有机质和低价金属离子。
土壤氧化还原能力的大小可以用土壤的氧 化还原电位（Eh）来衡量。 根据土壤Eh值可以确定土壤中有机物和
无机物可能发生的氧化还原反应和环境行为。
一般旱地土壤的氧化还原电位(Eh)为 +400—+700mV;水田的Eh值在-200—300mV。
可交换性盐基总量 盐基饱和度（%） 100 阳离子交换量
（2）土壤胶体的阴离子交换吸附
带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶 液中的阴离子交换。 吸附顺序：
F- > C2O42- > 柠檬酸根 > PO43- > HCO3-> H2BO3- > Ac- > SCN- > SO42- > Cl- > NO3-
代换性酸度：
用过量中性盐（KCl、NaCl等) 溶液 淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中H+、 Al3+发生离子交换作用：
|土壤胶体|-H+ + KCl → |土壤胶体|-K+ + HCl |土壤胶体|-Al3++ 3KCl→|土壤胶体|-3K+ + AlCl3 AlCl3 + H2O → Al(OH)3 + 3HCl
形成过程：由地壳的岩石、矿物经过风化作用形成的。 按成因类型分类： 原生矿物
Soil)
次生矿物
原生矿物：
土壤中原先存在的岩石颗粒，受到不同
程度物理风化后形成的。
类别：
硅酸盐（石英、长石、云母等）；
氧化物（SiO2 、Al2O3、 TiO2、 Fe2O3）；
硫化物 (FeS)；
磷酸盐如氟磷灰石Ca5(PO4)3F等。
有机质和低价金属离子。
土壤氧化还原能力的大小可以用土壤的氧 化还原电位（Eh）来衡量。 根据土壤Eh值可以确定土壤中有机物和
无机物可能发生的氧化还原反应和环境行为。
一般旱地土壤的氧化还原电位(Eh)为 +400—+700mV;水田的Eh值在-200—300mV。
第四章土壤环境化学
As Cd Cr Cu Hg Ni Zn Pb
土壤环境化学
主要内容
土壤的组成 土壤的粒级与质地 土壤的组成和性质 土壤的吸附性 土壤的酸碱性
土壤的氧化还原性
土壤的污染与修复 重金属的污染与修复 有机污染与修复
1. 土壤的组成和性质
1.3 土壤吸附性
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。 胶体粒子大小至少在一维方向上为30-10000 Å左右。
N δ B
– – – – – – – – –
d + + +
D
+ + + + + +
M A
+ +
C
+
1. 土壤的组成和性质
固体表面MN吸附一定量的离子， 其电位相对于CD处为φ，或者说 CD与MN间的电位差为φ，这个 电位称为总电位差，也叫热力学 电位。
– – – – – – – – –
N δ B
第一节 土壤的组成和性质
土壤氧化还原能力的大小可以用土壤的氧化还原电位 (Eh) 来衡量，以氧化态物质与还原态物质的相对浓度比为依 据的。 由于土壤中氧化态物质与还原态物质的组成十分复杂， 因此计算实际Eh很困难。主要实际测量的衡量土壤的氧化还 原性。 一 般 旱 地 土 壤 氧 化 还 原 电 位 400~700mV ， 水 田 200~300 mV。
分为代换性酸度和水解酸度。
第一节 土壤的组成和性质 ① 代换性酸度：用过量中性盐 ( 如 NaCl 或 KCl) 溶液
淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中 H+和 Al3+ 发生
离子交换作用，而表现出的酸度。
土壤环境化学
主要内容
土壤的组成 土壤的粒级与质地 土壤的组成和性质 土壤的吸附性 土壤的酸碱性
土壤的氧化还原性
土壤的污染与修复 重金属的污染与修复 有机污染与修复
1. 土壤的组成和性质
1.3 土壤吸附性
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。 胶体粒子大小至少在一维方向上为30-10000 Å左右。
N δ B
– – – – – – – – –
d + + +
D
+ + + + + +
M A
+ +
C
+
1. 土壤的组成和性质
固体表面MN吸附一定量的离子， 其电位相对于CD处为φ，或者说 CD与MN间的电位差为φ，这个 电位称为总电位差，也叫热力学 电位。
– – – – – – – – –
N δ B
第一节 土壤的组成和性质
土壤氧化还原能力的大小可以用土壤的氧化还原电位 (Eh) 来衡量，以氧化态物质与还原态物质的相对浓度比为依 据的。 由于土壤中氧化态物质与还原态物质的组成十分复杂， 因此计算实际Eh很困难。主要实际测量的衡量土壤的氧化还 原性。 一 般 旱 地 土 壤 氧 化 还 原 电 位 400~700mV ， 水 田 200~300 mV。
分为代换性酸度和水解酸度。
第一节 土壤的组成和性质 ① 代换性酸度：用过量中性盐 ( 如 NaCl 或 KCl) 溶液
淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中 H+和 Al3+ 发生
离子交换作用，而表现出的酸度。
4 土壤环境化学 环境化学课件
活性酸度（或有效酸度）（Activity Acidity） 土壤溶液中氢离子浓度的直接反映出来的酸度，通 常用pH表示（通常描述土壤性质时表示作土壤pH值）
交换性酸度 潜性酸度（Potential Acidity） 水解性酸度 是由土壤胶体吸附的可代换性H+、Al3+离子造成的。
39
交换性酸度
用过量中性盐（KCl、NaCl等) 溶液 淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中H+、 Al3+发生离子交换作用：
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）。
24
1.土壤的吸附性(Soil Adsorption) 1)土壤胶体的性质（直径1-100nm）
（１）大的比表面积和表面能
比表面积：单位重量（或体积）物质的表面积。
一定体积的物质被分割时，随着颗粒 数的增多，比表面也显著地增大。
阳离子 (电荷数,离子半径,水化程度)
土壤（胶体,颗粒, SiO2/R2O3、pH等）
33
可交换性 阳离子
致酸离子 （Al3+、H+）
盐基离子
（Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等）
34
盐基饱和土壤：
土壤胶体吸附的阳离子全部是盐基阳离 子时，这种土壤称为盐基饱和土壤。
可交换性盐基总量 盐基饱和度（%） 100% 阳离子交换量
F- > C2O42- > 柠檬酸根 > PO43- > HCO3-> H2BO3> Ac- > SCN- > SO42- > Cl- > NO3-
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2.土壤的酸碱性(Acidity-Alkalinity of Soil)
环境化学第四章土壤
价交换和受质量作用定律支配外，各种阳离子交换能力的强
弱，主要依赖于以下因素： 电荷数，离子电荷数越高，阳离子交换能力越强；
离子半径及水化程度，同价离子中，离于半径越大，水
化离子半径就越小，因而具有较强的交换能力。
第二节 土壤的性质
土壤中一些常见阳离子的交换能力顺序如下： Fe3+＞Al3+＞H+＞Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+＞Cs+＞Ru+＞
第二节 土壤的性质
b.潜性酸：
其来源是土壤胶体吸附的可代换性H+和Al3+。当这些离
子处于吸附状态时，是不显酸性的，但当它们通过离子交 换作用进入土壤溶液之后，即可增加土壤溶液的 H+ 浓度， 使土壤 pH 值降低。只有盐基不饱和土壤才有潜性酸度，其 大小与土壤代换量和盐基饱和度有关。据测定土壤潜性酸
②水解性酸度： 用弱酸强碱盐 (如醋酸钠)淋洗土壤，溶液中金属离子可
以将土壤胶体吸附的 H+ 、 A13+ 代换出来，同时生成某弱酸
(醋酸)。此时，所测定出的该弱酸的酸度称为水解性酸度。
第二节 土壤的性质
③活性酸与潜性酸的关系：
土壤的活性酸与潜性酸是同一个平衡体系的两种强度，
二者可以互相转化，在一定条件下处于暂时平衡状态。土 壤活性酸度是土壤酸度的根本起点和现实表现。土壤胶体
第二节 土壤的性质
一般土壤缓冲能力的大小顺序是： 腐殖质土＞枯土＞砂土。 土壤的可变电荷越多，缓冲能力越强。土壤缓冲能力 越大，对酸碱污染物的容量就越大。但是，土壤的缓冲能 力的大小是有一定限度的，超出这个限度，土壤的酸碱度 会发生强烈的变化。
1 2 3 4 5 6
(完整版)第四章土壤环境化学
当土壤胶体上吸附的 Na+、K+、Mg2+ (主要是 Na+ )等 离子的饱和度增加到一定程度时，会引起交换性阳离子的 水解作用，结果在土壤溶液中产生 NaOH，使土壤呈碱性。
土壤胶体|-xNa+ + yH2O → 土壤胶体|-(x-y)Na+、yH+ + yNaOH
24
3、土壤的缓冲作用(Buffer Action of Soil )
27
▪ 土壤的氧化还原性质
土壤中有多种有机、无机物的氧化、还原过程。
土壤 E 与土壤通气状况的关系： ➢ 旱地通气好，游离氧占优势，E 较高，以氧化作用为主。 ➢ 水田通气差，游离氧很少，E 较低(甚至可以为负值)，以还 原作用为主。
28
▪ 土壤的自净作用
土壤有优越的自身更新能力－自净作用： ➢ 氧气氧化 ➢ 胶体吸附，配位 ➢ 微生物降解
可交换阳离子
致酸离子：Al3+、H+。 盐基离子：Ca2+、Mg2+ 、K+ 、Na+、NH4+ 等。
19
（2）土壤胶体的阴离子交换吸附
带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子交换。易被 吸附的阴离子是 PO43-、H2PO4-、HPO42- 等，与带正电荷的土壤胶体中 阳离子 Ca2+、Fe3+、Al3+ 等结合生成难溶性化合物而被强烈吸附。
土壤的自净作用决定于土壤的物质组成和其它性质， 也与污染物的种类和性质有关。
土壤的自净作用一般比较缓慢。
29
第二节 土壤的化学污染 2.1 土壤污染源和土壤污染物
▪ 人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起 土壤质量恶化的现象即为土壤污染。 ▪ 土壤受到污染后，不仅会影响植物生长，同时会影响土壤 内部生物群的变化与物质的转化，即产生不良的生态效应。
土壤胶体|-xNa+ + yH2O → 土壤胶体|-(x-y)Na+、yH+ + yNaOH
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3、土壤的缓冲作用(Buffer Action of Soil )
27
▪ 土壤的氧化还原性质
土壤中有多种有机、无机物的氧化、还原过程。
土壤 E 与土壤通气状况的关系： ➢ 旱地通气好，游离氧占优势，E 较高，以氧化作用为主。 ➢ 水田通气差，游离氧很少，E 较低(甚至可以为负值)，以还 原作用为主。
28
▪ 土壤的自净作用
土壤有优越的自身更新能力－自净作用： ➢ 氧气氧化 ➢ 胶体吸附，配位 ➢ 微生物降解
可交换阳离子
致酸离子：Al3+、H+。 盐基离子：Ca2+、Mg2+ 、K+ 、Na+、NH4+ 等。
19
（2）土壤胶体的阴离子交换吸附
带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子交换。易被 吸附的阴离子是 PO43-、H2PO4-、HPO42- 等，与带正电荷的土壤胶体中 阳离子 Ca2+、Fe3+、Al3+ 等结合生成难溶性化合物而被强烈吸附。
土壤的自净作用决定于土壤的物质组成和其它性质， 也与污染物的种类和性质有关。
土壤的自净作用一般比较缓慢。
29
第二节 土壤的化学污染 2.1 土壤污染源和土壤污染物
▪ 人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起 土壤质量恶化的现象即为土壤污染。 ▪ 土壤受到污染后，不仅会影响植物生长，同时会影响土壤 内部生物群的变化与物质的转化，即产生不良的生态效应。
土壤环境化学
第四章 土壤环境化学
第一节 土壤的组成与性质 第二节 污染物在土壤植物体系中的迁移 第三节 土壤中农药的迁 移转化 第四节 土壤中污染物的 治理以及修复
第一节 土壤的组成与性质
土壤是由地壳岩石及矿物经过长期风化形 成的。
在风化过程中，岩石、矿物变成碎屑（土壤母质），它 们在生物及其遗骸、微生物作用下，通过腐殖质形成地 表疏松层，它是陆生植物赖以生存的物质基础，是一切 农业的基础，除可生产食物外，也是外界同化和代谢物 及大部分污染物的承受体，是维持全球人口生存的重要 因素。
颗粒名称
石块 石砾 粗砾 细砾 砂粒 粗砂粒 细砂粒 粉粒 粗粉粒 细粉粒 黏粒 粗黏粒 粗黏粒
粒 径（mm） >10
10~3 3~1
1~0.25 0.25~0.05 0.05~0.01 0.01~0.005
0.005~0.001 <0.001
各粒级的主要矿物成分和理化特性
（1）石块和石砾
多为岩石碎块，直径大于1mm。土壤中含石块和石砾多时，其空隙 过大，水分和养分易流失。
2．土壤质地分组及特性
国际制土壤质地分类
质地分类
类别
质地名称
砾土类 壤土类 黏壤土类
黏土类
砂土及填质砂土
砂质壤土 壤土
粉砂质壤土
砂质黏壤土 黏壤土
粉质黏壤土
砂质黏土 壤质黏土 粉质黏土
黏土 重黏土
各级土粒重量
黏粒
粉砂粒
（＜0.002mm） （0.02~0.002mm）
0~15 0~15 0~15 0~15
（4）黏粒
主要是次生矿物，粒径＜0.001mm。含黏粒多的土壤，营养元素含 量丰富，团聚能力较强，有良好的保水保肥能力，但通气和透水性 差。
第一节 土壤的组成与性质 第二节 污染物在土壤植物体系中的迁移 第三节 土壤中农药的迁 移转化 第四节 土壤中污染物的 治理以及修复
第一节 土壤的组成与性质
土壤是由地壳岩石及矿物经过长期风化形 成的。
在风化过程中，岩石、矿物变成碎屑（土壤母质），它 们在生物及其遗骸、微生物作用下，通过腐殖质形成地 表疏松层，它是陆生植物赖以生存的物质基础，是一切 农业的基础，除可生产食物外，也是外界同化和代谢物 及大部分污染物的承受体，是维持全球人口生存的重要 因素。
颗粒名称
石块 石砾 粗砾 细砾 砂粒 粗砂粒 细砂粒 粉粒 粗粉粒 细粉粒 黏粒 粗黏粒 粗黏粒
粒 径（mm） >10
10~3 3~1
1~0.25 0.25~0.05 0.05~0.01 0.01~0.005
0.005~0.001 <0.001
各粒级的主要矿物成分和理化特性
（1）石块和石砾
多为岩石碎块，直径大于1mm。土壤中含石块和石砾多时，其空隙 过大，水分和养分易流失。
2．土壤质地分组及特性
国际制土壤质地分类
质地分类
类别
质地名称
砾土类 壤土类 黏壤土类
黏土类
砂土及填质砂土
砂质壤土 壤土
粉砂质壤土
砂质黏壤土 黏壤土
粉质黏壤土
砂质黏土 壤质黏土 粉质黏土
黏土 重黏土
各级土粒重量
黏粒
粉砂粒
（＜0.002mm） （0.02~0.002mm）
0~15 0~15 0~15 0~15
（4）黏粒
主要是次生矿物，粒径＜0.001mm。含黏粒多的土壤，营养元素含 量丰富，团聚能力较强，有良好的保水保肥能力，但通气和透水性 差。
环境化学第四章土壤环境化学PPT课件
(1)原生矿物 : 原生矿物主要有石英、长石类、云母类、辉石、角闪石、 橄榄石、赤铁矿、磁铁矿、磷灰石、黄铁矿等。其中前五种最常见。 石英最难风化 , 长石次之 , 辉石、角闪石、黑云母易风化。 岩石化学风化主要分为三个历程 , 即氧化、水解和酸性水解。
氧化 : 以橄榄石为例 , 其化学组成为 (Mg Fe)Si04, 其中 Fe(Ⅱ) 可以 氧化为 Fe(Ⅲ) 。
-
22
可交换性阳离子有两类 : 一类是致酸离子 , 包括 H+ 和 Al3+;另一类是 盐基离子 , 包括 Ca2+ 、 Mg2+ 、 K+、 Na+ 、 NH4+ 等。
盐基饱和土壤：当土壤胶体上吸附的阳离子均为盐基离子 , 且已达到吸
附饱和时的土壤 , 称为盐基饱和土壤。当土壤胶体上吸附的阳离子有一
-
24
1.4土壤酸碱性
根据土壤的酸度可以将其划分为9 个等级 (如表4-8)。我国土壤的 pH 大多 在 4.5-8.5 范围内 , 并有由南向北 pH 值递增的规律性 , 长江( 北纬 33 。 )以 南的土壤多为酸性和强酸性 ; 长江以北的土壤多为中性或碱性 , 如华北、 西北的土壤大多含CaC03,pH 值一般在7.5-8.5 之间 , 少数强碱性土壤的 pH 值高达 10.5。
很少
冲积平原土壤 中
少
丰富
黄土中含量较 多
较丰富
-
16
1.2.3. 土壤质地分类及其特性
土壤质地：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 ) 。
土壤质地分类标准：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 ( 如表 4-5) 、美国制和前苏联制。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 , 划分为砂土、壤 土、粘壤土和粘土四类十二级。
氧化 : 以橄榄石为例 , 其化学组成为 (Mg Fe)Si04, 其中 Fe(Ⅱ) 可以 氧化为 Fe(Ⅲ) 。
-
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可交换性阳离子有两类 : 一类是致酸离子 , 包括 H+ 和 Al3+;另一类是 盐基离子 , 包括 Ca2+ 、 Mg2+ 、 K+、 Na+ 、 NH4+ 等。
盐基饱和土壤：当土壤胶体上吸附的阳离子均为盐基离子 , 且已达到吸
附饱和时的土壤 , 称为盐基饱和土壤。当土壤胶体上吸附的阳离子有一
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1.4土壤酸碱性
根据土壤的酸度可以将其划分为9 个等级 (如表4-8)。我国土壤的 pH 大多 在 4.5-8.5 范围内 , 并有由南向北 pH 值递增的规律性 , 长江( 北纬 33 。 )以 南的土壤多为酸性和强酸性 ; 长江以北的土壤多为中性或碱性 , 如华北、 西北的土壤大多含CaC03,pH 值一般在7.5-8.5 之间 , 少数强碱性土壤的 pH 值高达 10.5。
很少
冲积平原土壤 中
少
丰富
黄土中含量较 多
较丰富
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1.2.3. 土壤质地分类及其特性
土壤质地：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 ) 。
土壤质地分类标准：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 ( 如表 4-5) 、美国制和前苏联制。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 , 划分为砂土、壤 土、粘壤土和粘土四类十二级。