第四篇土壤環境化學

教學要求本篇將側重介紹土壤的物理化學性質，重金屬、農藥及氮磷肥在土壤中的遷移、轉化及環境因素對遷移轉化的影響等。

(1)掌握土壤的組成與性質，土壤的粒級與質地分組特性。(2)了解污染物在土壤-植物體系中遷移的特點、影響因素及作用機制。(3)掌握土壤的吸附、酸堿和氧化還原特性。(4)了解農藥在土壤中的遷移原理與主要影響因素。1第四篇土壤環境化學

土壤處于巖石圈最外面的一層疏松的部分，具有支持植物和微生物生長繁殖的能力，被稱為土壤圈。土壤圈是處于大氣圈、巖石圈、水圈和生物圖之間的過渡地帶，是聯系有機界和無機界的中心環節。

成土因素綜合作用的不同，產生出多種類型的土壤。2第四篇土壤環境化學

3第四篇土壤環境化學土壤的基本環境機能

培育植物植物挺立生長的支持體植物生長提供水、空氣和養分

推動物質循環土壤是地球表層中介入元素循環的一個重要圈層，由巖石風化產生的所有物質都有可能進入大氣和水系，又可能通過地球化學循環歸入土壤。4第四篇土壤環境化學

保存水資源土壤是大氣和地下水之間的緩沖地區。防止災害

土壤蓄水量大，可防止洪水發生。土壤植物又可防止風雨侵蝕、水土流失或土壤荒漠化趨向，并兼有防風、消音等作用。自凈能力

土壤具有極大比表面和催化活性土壤對外來污染物有一定的自凈能力。5第四篇土壤環境化學土壤退化的過程風和水的侵蝕作用：引起土壤流失；受納酸雨或過多使用氨氮肥料：

引起土壤酸化；灌溉水中含過多鹽分或深度風化作用：引起土壤鹽堿化；干旱：

引起土壤板結、龜裂、結構單元破壞甚至荒漠化；水澇：

引起營養物浸出和流失；污染：

引起土壤中有毒物質累積。

6第四篇土壤環境化學

土壤環境的質量

國家環境保護局于1995年制訂和發布了《土壤質量環境標準》GB15618一1995，其適用范圍包括我國疆域內所有農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場、林地、自然保護區等地的土壤。依據土壤應用功能、保護目標和主要性質，將土壤質量劃分為三級：一級標準

適用于I類土壤區，包括國家規定的自然保護區(原有背景重金屬含量高的除外)、集中生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護地區的土壤。土壤質量應基本上保持自然背景水平。7第四篇土壤環境化學二級標準

適用于Ⅱ類土壤區，包括一般農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等的土壤。土壤質量應基本上對植物和環境不造成危害和污染。三級標準

適用于Ⅲ類土壤區，包括林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦區附近等地的農田土壤(蔬菜地除外)。土壤質量應基本上對植物和環境不造成危害和污染。8第一章土壤的組成與性質

土壤由固、液、氣相物質組成。固相指土壤礦物質(原生礦物和次生礦物質)和土壤有機質，兩者占土壤總量的90~95%。液相指土壤水分及其可溶物，兩者合稱為土壤溶液。氣相指土壤空氣。土壤中還有數量眾多的細菌和微生物，一般作為土壤有機物而視為土壤固相物質。

9第一章土壤的組成與性質10第一章土壤的組成與性質11第一章土壤的組成與性質土壤礦物質

按成因類型可將土壤礦物分為兩類：原生礦物和次生礦物.

原生礦物是各種巖石(主要趨巖漿巖)受到程度不同的物理風化而未經化學風化的碎屑物，其原來的化學組成和結晶構造都沒有改變.次生礦物大多數是由原生礦物經風化后重新形成的新礦物，其化學組成和構造都有所改變而不同于原來的原生礦物。在土壤形成過程中，原生礦物以不同的數量與土壤中的次生礦物混合存在，成為土壤礦物質。

12第一章土壤的組成與性質土壤中的原生礦物土壤中最主要的原生礦物有四類：硅酸鹽類礦物、氧化物類礦物、硫化物類礦物和磷酸鹽類礦物。（1）硅酸鹽類礦物長石類、云母類、輝石類和閃角石類等礦物，容易風化而釋放出K、Na、Ca、Fe、Mg和Al等元素可供植物吸收，同時形成新的次生礦物。（2）氧化物類礦物石英(SiO2)、赤鐵礦(Fe2O3)、金紅石(TiO2)、藍晶石(Al2SiO5)等。13第一章土壤的組成與性質（3）硫化物類礦物土壤中通常只有鐵的硫化物，即黃鐵礦和白鐵礦，二者是同質異構物，分子式均為Fe2S，極易風化，成為土壤中硫元素的主要來源。（4）磷酸鹽類礦物土壤中分布最廣的是磷灰石，包括氟磷灰石和氯磷灰石兩種，其次是磷酸鐵、鋁以及其它磷的化合物，是土壤中無機磷的重要來源。14第一章土壤的組成與性質2、土壤的次生礦物

土壤中次生礦物可分為：簡單鹽類、三氧化物類和次生鋁硅酸鹽類。(1)簡單鹽類如方解石(CaCO3)、白云石(Ca、Mg（CO3）2)、石膏(CaSO2·2H2O)等，是原生礦物化學風化的最終產物，結晶構造都較簡單，常見于干早和半干旱地區的土壤。(2)三氧化物如針鐵礦(Fe2O3H2O)、褐鐵礦（2Fe2O33H2O）等，是硅酸鹽類礦物徹底風化的產物，常見于濕熱的熱帶和亞熱帶地區的土壤中，特別是基性巖(玄武巖、安山巖和石灰墻)上發育的土壤中含量最多。15第一章土壤的組成與性質（3）次生硅酸鹽類由長石等原生硅酸鹽礦物風化后形成，是構成土壤粘粒的主要成分，故又稱粘土礦物或粘粒礦物。可細分為伊利石、蒙脫石和高嶺石。二、土壤有機質

土壤有機質包括：(1)非特殊性的土壤有機質，包括動植物殘體的組成部分以及有機質分解的中間產物，例如蛋白質、樹脂、糖類、有機酸等，占土壤有機質總量的10~15%。16第一章土壤的組成與性質(2)土壤腐殖質，是土壤特有的有機物質，占土壤有機質總量的85~90%，主要是動植物殘體通過微生物作用，發生復雜轉化而成。進入土壤的有機物質所含成分，按其化學組成可分為：(1)不含氮的有機化合物，如單糖和有機酸、多糖類、樹脂、脂肪、蠟質和木質素等。(2)含氮有機化合物，即以蛋白質為主，土壤中的植物殘體、土壤動物積微生物均含有種當多的蛋白質。(3)灰分物質，即植物體經過燃燒殘留的無機物。17第一章土壤的組成與性質三、土壤中的水分

18第一章土壤的組成與性質四、土壤中的空氣

土壤孔隙中所存在的各種氣體的混合物稱為土壤空氣。以O2、N2、CO2及水汽等為主要成分;其次由于土壤進行生物化學作用產生的氣體。如H2S、NH3、NO2、CO等;另外一些醇類、酸類以及其它揮發性物質通過揮發作用也進入土壤。

19第一章土壤的組成與性質五、土壤的粒級分組與質地分組

土壤礦物質的粒級劃分按粒徑的大小將土粒分為若干組，稱為粒組或粒級。粒級的劃分標準及詳細程度主要有三種不同的劃分，即國際制、前蘇聯制和美國制。20第一章土壤的組成與性質21第一章土壤的組成與性質22第一章土壤的組成與性質2、各粒級的主要礦物成分和理化特性

23第一章土壤的組成與性質(1)石塊和石礫：多為巖石碎塊，直徑大于lmm。山區土壤和河漫灘土壤中常見。(2)砂粒：主要為原生礦物，大多為石英、長石十云母、角閃石等，其中以石英為主，粒徑為1一0.05mm。在沖積平原土壤中常見(3)粘粒：主要是次生礦物，粒徑小于0.001mm。含粘粒多的土壤，營養元素含量豐富，團聚能力較強，有良好的保水保肥能力，但土壤的通氣和透水性較差。

24第一章土壤的組成與性質(4)粉粒：也稱作粉粒、面砂，是原生礦物與次生礦物的混合體。原生礦物有云母、長石、角閃石等，其中白云母較多。次生礦物有次生石英、高嶺石、含水氧化鐵、鋁，其中次生石英較多。粒徑為0.05~0.005mm。粉砂粒的物理及化學性狀介于砂粒與粘粒之間。團聚、膠結性差，分散性強。保水保肥能力較好。

25第一章土壤的組成與性質

3、土壤質地分類及其特性

26第一章土壤的組成與性質

3、土壤質地分類及其特性27第一章土壤的組成與性質

3、土壤質地分類及其特性28第一章土壤的組成與性質六、土壤吸附性

土壤中活躍的組分：土壤膠體和土壤微生物。1、土壤膠體的性質(1)

土壤膠體具有巨大的比表面和表面能。物質的比表面越大，表面能也越大。(2)土壤膠體的電性。土壤膠體微粒具有雙電層，微粒的內部稱微粒核，一般帶負電荷，形成一個負離子層(即決定電位離子層)，其外部由于電性吸引，而形成一個正離子層(又稱反離子層，包括非活動性離子層和擴散層)，即合稱為雙電層。(3)土壤膠體的凝聚性和分散性。

29第一章土壤的組成與性質2、土壤膠體的離子交換吸附

在土壤膠體雙電層的擴散層中，補償離子可以和溶液中相同電荷的離子以離子價為依據作等價交換，稱為離子交換(或代換)。離子交換作用包括陽離子交換吸附作用和陰離子交換吸附作用。(1)土壤膠體的陽離子交換吸附電荷數離子半徑及水化程度30第一章土壤的組成與性質土壤的可交換性陽離子有兩類：

致酸離子包括H+和A13+；

鹽基離子包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等。當土壤膠體上吸附的陽離子均為鹽基離子，且已達到吸附飽和時的土壤，稱為鹽基飽和土壤。當土壤膠體上吸附的陽離子有一部分為致酸離子，則這種土壤為鹽基不飽和土壤。在土壤交換性陽離子中鹽基離子所占的百分數稱為土壤鹽基飽和度。31第一章土壤的組成與性質(2)土壤膠體的陰離子交換吸附土壤中陰離子交換吸附是指帶正電荷的膠體所吸附的陰離子與溶液中陰離子的交換作用。

陰離子的交換吸附可與膠體微粒(如酸性條件下帶正電荷的含水氧化鐵、鋁)或溶液中陽離子(Ca2+、Fe3+、A13+)形成難溶性沉淀而被強烈地吸附。

32第一章土壤的組成與性質

四、土壤酸堿性

33第一章土壤的組成與性質1、土壤酸度活性酸度：土壤的活性酸度是土壤溶液中氫離子濃度的直接反映，又稱為有效酸度，通常用pH表示。潛性酸度：土壤潛性酸度的來源是土壤膠體吸附的可代換性H+和A13+。根據測定土壤潛性酸度所用的提取液，可以把潛性酸度分為代換性酸度和水解酸度。

代換性酸度水解性酸度34第一章土壤的組成與性質2、土壤堿度

土壤溶液中OH—離子的主要來源:CO32—和HCO3—的堿金屬(Na、K)及堿土金屬(Ca、Mg)的鹽類。碳酸鹽堿度和重碳酸鹽度的總和稱為總堿度。當土壤膠體上吸附的Na+、K+、Mg2+(主要是Na+)等離子的飽和度增加到一定程度時，會引起交換性陽離子的水解作用，結果在土壤溶液中產生NaOH，使土壤呈堿性。此時Na+離子飽和度亦稱為土壤堿化度。35第一章土壤的組成與性質3、土壤的緩沖性能土壤緩沖性能是指土壤具有緩和其酸堿度發生激烈變化的能力。

(1)土壤溶液的緩沖作用：(2)土壤膠體的緩沖作用：一般土壤緩沖能力的大小順序是：腐殖質土

粘土

砂土。五、土壤的氧化還原性

土壤中的主要氧化劑：氧氣、NO3—離子和高價金屬離子；土壤中的主要還原劑：有機質和低價金屬離子。土壤中植物的根系和土壤生物也是土壤發生氧化還原反應的重要參與者。

36第一章土壤的組成與性質37第一章土壤的組成與性質六、土壤環境容量將土壤所允許承納污染物質的最大數量稱為土壤環境容量;或不使土壤生態系統的結構和功能受到損害的條件下，土壤中所能承納污染物的最大數量。明確污染物對土壤生態系統的結構和功能的影響，以及系統結構相功能方面的要求來確定土壤環境容量。

土壤臨界容量是確定土壤環境容量的一個很重要的因素，決定土壤的容納能力。

3839第一章土壤的組成與性質土壤環境容量的確定

土壤靜容量從靜止的觀點度量土壤的容納能力，由下式表示，

Cs=M（Ci-CB1）式中，M表示每畝耕地土壤重，kg；Ci為i元素的土壤臨界含量，mg/kg；CBi為i元素的土壤背景值，mg/kg。

現存容量：

CSP=M（Ci-CB1-CP）CP是土壤中人為污染而增加的量。

40第一章土壤的組成與性質土壤環境容量粗略估計公式：

Q=（CX-B）

150式中，Q為土壤環境容量，g/畝；CX為土壤環境標準值，mg/kg；B為區域土壤背景值，mg/kg。2、土壤動容量若假定年輸入量為Q，年輸出量為Q

，并且Q大于Q

。則：

殘留量為Q-Q

。

41第一章土壤的組成與性質

殘留量(Q-Q

)與輸入量Q之比，稱之為累積率(K)。若計算幾年內土壤污染物累積總量AT(含當年轉入量)，則：

AT=Q+QK+QK2+……+QKn而n年內的污染物殘留總量RT(不含當年輸入量)則為：

RT=QK+QK2+……+QKn

污染累積總量AT和殘留總量RT

均為等比級數之和，等比系數為K。

42第一章土壤的組成與性質當年限n足夠長時QKn趨于零，且AT達到最大極限值?！缺扔邢蘩鄯e規律：其數學模式：

A

T=K（B+Q）A

T：污染物在土壤中的年累積量，mg/kg；K：土壤污染物年殘留率(%)，即殘留量與輸入量的比率；B：污染物的區域土壤背景值，mg/kg；Q：土壤污染物的年輸入量，mg/kg。

43第二章污染物在土壤中的遷移及其機制

土壤污染源和污染物

污染源：(1)化肥和農藥殘留；(2)廢物(廢渣、污水和垃圾等)的處理場所；(3)大氣或水體中的污染物質的遷移、轉化，進入土壤，使土壤隨之亦遭受污染；(4)在自然界中某些元素的富集中心或礦床周圍，形成自然擴散暈，使附近土壤中的元素的含量超出一般土壤的含量范圍。

44第二章污染物在土壤中的遷移及其機制污染物種類：(1)有機物質化學農藥的種類繁多，主要為有機氯和有機磷兩大類；(2)氮類和磷類化學肥料；(3)重金屬，如砷、鎘、汞、鉻、銅、鋅、鉛等；(4)放射性，元素如銫、鍶等；(5)有害微生物類，如腸細菌、炭疽桿菌、破傷風桿菌、腸寄生蟲(蠕蟲)、霍亂弧菌、結核桿菌等。土壤中有機物分解產生CO2、CH4、H2S、H2、NH3和N2等氣體(其中CO2和CH4是主要的)。

45第二章污染物在土壤中的遷移及其機制污染物在土壤-植物體系中的遷移土壤中污染物主要是通過植物根系根毛細胞的作用積累于植物莖、葉和果實部分。1、污染物由土壤向植物體內遷移的方式被動轉移主動轉移2、影響重金屬在土壤-植物體系中轉移的因素土壤中重金屬向植物體內轉移的過程與重金屬的種類、價態、存在形式以及土壤和植物的種類、特性有關。(1)植物種類46第二章污染物在土壤中的遷移及其機制(2)土壤種類土壤的酸堿性和腐殖質的含量都可能影響重金屬向植物體內的轉移能力。如：在沖積土壤、腐殖質火山灰土壤中加入Cu、Zn、Cd、Hg、Pb等元素后，觀察對水稻生長的影響。Cd造成水稻嚴重的生育障礙；而Pb幾乎無影響。在沖積土壤中，其障礙大小順序為：Cd>Zn>Cu>Hg>Pb；在腐殖質火山灰土壤中則為Cd>>Hg>Zn>Cu>Pb，(3)重金屬形態

(4)重金屬在植物體內的遷移能力47第二章污染物在土壤中的遷移及其機制植物對重金屬污染產生耐性的機制植物對重金屬污染產生耐性由植物的生態學特性、遺傳學特性和重金屬的物理化學性質等因素所決定。不同種類的植物對重金屬污染的耐性不同；同種植物由于其分布和生長的環境各異；長期受不同環境條件的影響，在植物的生態適應過程中，可能表現出對某種重金屬有明顯的忍耐性。土壤中的農藥污染物目前，世界范圍年產農藥約200多萬噸，種類數達1500之多(大量生產又廣泛應用的約有300種)。48第二章污染物在土壤中的遷移及其機制

49第二章污染物在土壤中的遷移及其機制農藥在土壤中的環境行為控制農藥環境行為的主要因素：即吸附、遷移和降解。吸附（1）農藥的分子結構、電荷特性和水溶能力是影響吸附的主要因素。（2）對于土壤性質，影響吸附的主要因素是粘土礦物和有機質