土壤环境化学(1)-5-14

•表 土壤空气与大气组成比较（%）
成分 N2 O2 CO2
大气 79 20.97 0.03
土壤 78~80 0.1~20 0.2~10
源于植物呼吸、有机质分解
1. 土壤的组成和性质
1.2 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。 胶体体系由粒子和介质组成。粒子大小至少在一维方向 上为30-10000 Å左右。粒子叫胶粒或分散相；介质叫分散介 质或连续相。
土壤胶体
影响因素：
Na Na
Ca 2 土壤胶体 Ca 2 2 Na
① 离子电荷数越高，阳离子交换能力越强；
② 同价离子中，离子半径越大，水化离子半径就越小， 具有较强的交换能力。
1. 土壤的组成和性质
阳离子交换总量：每千克干土中所含的全部阳离子总量， 称为阳离子交换量。 CATION EXCHANGE CAPACITY (CEC)，(c mol/kg);
盐基饱和土壤：当土壤胶体上吸附的阳离子均是盐基离子， 且已经达到吸附饱和时的土壤。 盐基不饱和土壤：当土壤胶体上吸附的阳离子有一部分为致 酸离子，则这种土壤为盐基不饱和土壤。 盐基饱和度：在土壤交换性阳离子中，盐基离子所占的百分 数为盐基饱和度。 (2) 土壤胶体的阴离子交换吸附:自身带正电荷的胶体离子 所吸附的阴离子与溶液中的阴离子的交换作用。
腐殖质
分子大小： 腐黑物>腐殖酸>富里酸
1. 土壤的组成和性质
1.1.3 土壤水分 主要来自于大气降水、地下水和灌溉。 不同土壤的保水能力不同；土壤水分实际上是土壤溶液。
土壤溶液的形成是土壤三相成分间进行物质和能量交换的结果。土壤溶液
浓度和成分随土壤种类、使用情况和环境条件的不同而有很大变异。除盐 碱土和刚施过化肥的土壤外，土壤溶液浓度一般约在0.1％～0.4％之间。
1. 土壤的组成和性质 1.3 土壤酸碱性
根据土壤的酸度可以将土壤分为9个等级。
1.3.1土壤酸度
根据土壤中H+的存在方式，土壤酸度可分为两大类：
(1) 活性酸度：是土壤溶液中氢离子浓度的直接反映，又称 为有效酸度，通常用pH表示。 土壤溶液中氢离子的来源：CO2溶于水形成碳酸、有机酸、 无机酸、酸沉降
土 壤 层 淀积层(B)
母质层(C)
可能出现的特殊层次
基岩(D)
D
图2. 自然土壤的综合剖面图(南京大学等合编，1980)
第四章 土壤环境化学
Chapter 4. Soil Environmental Chemistry
土壤环境化学
土壤圈层是地表环境系统中各种变化最为复杂，最为频繁的地带，在环 境系统中起稳定与缓冲的作用。
土壤溶液中OH-的主要来源，是CO2 和HCO3-的碱金属及碱土 金属盐类。 碳酸盐碱度和重碳酸盐碱度的总和称为总碱度。 不同溶解度的碳酸盐和重碳酸盐对土壤碱性的贡献不同。
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。
y)Na 土壤胶体 xNa yH 2 O 土壤胶体 (x yNaOH yH
4 2Al(H2O)3 2 OH [ Al (OH) (H O) ] 4H2O 6 2 2 2 8
这种带有OH-的铝离子很不稳定，它们要聚合成更大的离子团。 聚合的离子团越大，解离出的氢离子越多，对碱的缓冲能力越 强。
1 土壤的组成和性质 1.4 土壤的氧化还原性
• • • • • • • • • 土壤中主要的氧化还原体系 O2—H2O NO3- —NO2-，NO3- —N2，NO3- —NH4+ SO42- —H2S Fe 3+ —Fe 2+ Mn 4+ —Mn 2+ CO2 —CH4 Cr2O72- —CrO42土壤中主要的氧化剂——氧气 土壤中主要的还原剂——有机物
典型土壤随深度呈现不同的层次
1. 土壤的组成和性质
覆盖层(A0) 淋溶层(A)
A00 A0
A1
土 壤 的 层 次 结 构
A2 A3 B1 B2 B3 CC CS G
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)
土壤胶体的数量和盐基代换量越大，土壤的缓冲性能越强； 盐基饱和度越高，对酸的缓冲能力越强，盐基饱和度越低， 对碱的缓冲能力越强。
1 土壤的组成和性质
在pH<5的酸性土壤里，土壤溶液中 Al3+有 6个水分子围绕着， 当土壤中 OH- 增多时，铝离子周围的 6 个水分子有一、二个水 分子离解出H+，与加入的OH-中和，并发生如下的反应。
2.1.3 土壤污染的特点和危害
危害： 1. 影响植物生长 2. 影响土壤微生物 3. 危害土壤动物
特点：
•隐蔽性
•累积性 •复杂性
4. 污染水体、食物和大气
2 土壤污染与修复
2.2 土壤的重金属污染
重金属是土壤原有的构成元素，有些是植
物、动物和人必需的营养元素。如Zn、Cu、
Mo、Fe、Mn、Co等，但由于含量的不同，可 导致不同的效应，如果含量和有效性太低生物 会表现缺乏症状，但过量就会造成污染事件。 冶炼和采矿是土壤中重金属的最主要污染源。
1. 土壤的组成和性质
(2) 潜性酸度：土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附的可代换 性H+和 Al3+ 。当这些离子通过离子交换作用进入土壤溶液中 之后，即可增加土壤溶液的H+浓度。
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。
1. 土壤的组成和性质
1.3.2 土壤碱度
土壤液相 土壤气相 (35% V)
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
图1. 土壤中固、液、气相结构图 （自S.F. Manahan, 1984）
1. 土壤的组成和性质 1.1.1 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。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。
2 土壤污染与修复
2.1.1 土壤污染的类型
•重金属污染 •有机污染物
•放射性物质
•有害生物污染
•其它污染（如酸雨）
2 土壤污染与修复
2.2.2 土壤污染来源和途径
1.污水灌溉
2.固体废弃物污染
3.大气沉降（酸雨、放射性元素、有机污染物）
4.农业污染（农药、化肥）
2 土壤污染与修复
1. 土壤的组成和性质
1.3.3 土壤的缓冲性能
土壤的缓冲性能是指土壤具有缓和其pH发生剧烈变化的能 力，它可以保持土壤反应的相对稳定，为植物生长和土壤 生物创造比较稳定的生活环境。 (1) 土壤溶液的缓冲作用 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，构成一个良好的缓冲体系，对酸碱具有 缓冲作用。
（a）溶解性气体 CO2>O2>N2 （b）无机盐离子 （c）无机胶体 Fe、Al金属水合氧化物 （d）可溶性有机物 腐殖酸、有机酸、可溶性糖类、蛋白质及其衍生物等 （e）配合物类 如铁和铝的有机配合物等。
1. 土壤的组成和性质
1.1.4 土壤空气 土壤空气组成与大气类似，主要成分都是N2、O2和CO2。 差异是：
1 土壤的组成和性质
影响土壤Eh的因素
• • • • • 土壤的通气状况 土壤的含水量 土壤有机质 pH值 变价元素
土壤环境化学
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
土壤的退化包括： 水土流失；沙漠化； 酸化、碱化；营养物流失；土壤污染
2 土壤污染与修复 2.1 概述 土壤污染（soil contamination）：当各种污 染物通过各种途径输入土壤其数量超过了土 壤的自净能力，并破坏了土壤的功能和影响 了土壤生态系统的平衡，称为土壤污染。 •土壤污染有哪些类型？ •土壤污染的来源是什么？
•土壤污染的后果有哪些？
•土壤污染后如何修复？
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，这些都是厌氧性微生物活动的产物，对植物 生长有害。
土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称 (<10%) 。
组成有机体的各种有机化合物
腐黑物(Humin)：不溶于有机溶剂、稀酸和稀碱液的 有机高分子化合物。 腐殖酸(Humic acid)：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(Fulvic acid)：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。
原生矿物：各种岩石(主要是岩浆岩)受到程度不同的物理风 化而未经化学风化而形成的物质，其原来的化学组成和结 晶构造都没有改变； 次生矿物：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. 土壤的组成和性质
成土母质的风化-土壤的形成
1. 土壤的组成和性质
1.1.2 土壤有机质
在土壤溶液中，胶体常带负电荷，所以胶体微粒间又因 相同电荷而排斥，这是胶体的分散性。
1. 土壤的组成和性质
1.2.2 土壤胶体的离子交换吸附
在土壤胶体双电层的扩散层中，补偿离子可以和溶液中相同 电荷的离子以离子价为依据作等价交换，称为离子交换(或 代换)。包括阳离子交换作用和阴离子交换作用。 (1) 阳离子交换吸附