環(huán)境土壤學(xué)第一章(第1節(jié))

1、第一部分 基礎(chǔ)知識第一章 環(huán)境環(huán)境組成化學(xué)土壤的三相組成：固相、液相和氣相固相物質(zhì)粒間物質(zhì)生物體：包括各類昆蟲、線蟲、節(jié)肢動物，尤其是土壤微 生物，一般1g土壤中數(shù)量可達(dá)10億左右。 有機(jī)質(zhì)：占固相重量的5%左右，總體積的12%左右。氣相：組成與大氣有差異，取決于生物活動及氣體交換的難易程度。液相：粒間水分及溶解于其中的多種溶解性物質(zhì)。礦物質(zhì)：占固相重量的95%左右，總體積的38%左右。土壤第一節(jié) 土壤礦物質(zhì)一、原生礦物原生礦物：指在土壤形成過程中末改變化學(xué)組成的原始成巖礦物。 1、橄欖石類 ：屬島狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽，其Si-O四面體以孤島狀排列，典型礦物為橄欖石(Ca，Mg)2SiO4，極易風(fēng)化。

2、 其中的Si/O=1:4。橄欖石(Mg,Fe)2SiO4： 橄欖綠色，立方形晶粒，斷口常為貝殼狀，硬度6.57。 富含鐵，易分解，為土壤提供鐵、鎂等養(yǎng)分?？兹甘兹甘疌u2(OH)2(CO3)一、原生礦物2、輝石、角閃石類 屬鏈狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽，其Si-O四面體沿一維方向延伸，又可分為單鏈結(jié)構(gòu)的輝石類和雙鏈結(jié)構(gòu)的角閃石類。 其中的Si/O=1:3。3、云母類 屬層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽，常見的有白云母和黑云母，土壤中的次生粘土礦物也多為此類型。 輝石輝石Ca(Mg,Fe)Si2O6： 綠黑色,短柱狀或近似粒狀,硬度56,玻璃光澤; 易風(fēng)化，為土壤提供鈣、鐵、鎂等養(yǎng)分。角閃石角閃石Ca(Mg,Fe)Si4O1

3、2： 黑綠色，長柱狀或近似細(xì)長條狀，硬度56，玻璃光澤； 易風(fēng)化，為土壤提供鈣、鐵、鎂等養(yǎng)分。 白云母白云母(KH2Al3Si3O12)： 無色，片狀，具彈性，硬度23，極完全解理。 易發(fā)生物理崩解，很發(fā)生化學(xué)分解，為土壤提供 鉀。黑云母黑云母KH2(Mg,Fe)3AlSi3O12： 黑色，片狀，具彈性，硬度23，極完全解理。 土壤提供鉀、鐵、鎂等養(yǎng)分。 此外還有金云母。 一、原生礦物4、長石類 屬架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽，其Si-O四面體沿三維方向延伸，其代表性礦物為鉀長石和石英，是土壤中最難風(fēng)化的原生礦物。其中的Si/O=1:2。5、其他類型 土壤中常見的原生礦物還包括磷鐵礦、鈦鐵礦(氧化物類)，黃

4、鐵礦、白鐵礦(硫化物類)及另一些特別穩(wěn)定的原生礦物如鋯英石、電氣石等。 正長石正長石(KAlSi3O8)： 鉀長石，肉紅色，晶體為短柱狀， 常具有卡斯巴雙晶或穿插雙星，硬度6。 易化學(xué)分解，為土壤提供鉀 腎狀（赤鐵礦）和黃鐵礦一、原生礦物抗風(fēng)化的順序1、結(jié)構(gòu)：晶體的構(gòu)型（Si/O）：架狀硅酸鹽層狀硅酸鹽鏈狀硅酸鹽島狀硅酸鹽2、化學(xué)鍵：離子特征：K-O Ca-O Al-O Si-O ;電負(fù)性差值：鉀長石鈣長石3、顏色和同晶替代 石英是土壤中含量最豐的原生礦物 土壤礦物質(zhì)原生礦物原生礦物橄欖石類橄欖石類輝石、角閃石類輝石、角閃石類云母類云母類長石類長石類其他其他次生粘土礦物次生粘土礦物（層狀硅酸鹽

5、礦物）（層狀硅酸鹽礦物）高嶺（土）組（高嶺（土）組（1:1型）型）蒙脫（土）組（蒙脫（土）組（2:1型）型）伊利組（伊利組（2:1型）型）蛭石類礦物（蛭石類礦物（2:1型）型）綠泥石類礦物（綠泥石類礦物（2:1:1型）型）氧化物氧化物氧化鐵氧化鐵氧化鋁氧化鋁水鋁英石水鋁英石次生礦物次生礦物次生粘土礦物次生粘土礦物（層狀硅酸鹽礦物）（層狀硅酸鹽礦物）硅氧四面體硅氧四面體l 硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)造硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)造單元。單元。l 由位于中心的一個(gè)硅原子與圍由位于中心的一個(gè)硅原子與圍繞它的四個(gè)氧原子所構(gòu)成的配繞它的四個(gè)氧原子所構(gòu)成的配陰離子陰離子SiO44-，因周圍的四個(gè)，因周圍的四個(gè)氧

6、原子分布成配位四面體的形氧原子分布成配位四面體的形式，故名。式，故名。l 在晶體結(jié)構(gòu)中，各硅氧四面體在晶體結(jié)構(gòu)中，各硅氧四面體可以各自孤立地存在，也可以可以各自孤立地存在，也可以通過共用四面體角頂上的一個(gè)、通過共用四面體角頂上的一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)以至全部四個(gè)氧原兩個(gè)、三個(gè)以至全部四個(gè)氧原子相互連結(jié)而形成多種不同形子相互連結(jié)而形成多種不同形式的絡(luò)陰離子，從而形成不同式的絡(luò)陰離子，從而形成不同結(jié)構(gòu)類型的硅酸鹽晶體。結(jié)構(gòu)類型的硅酸鹽晶體。鋁氧八面體鋁氧八面體l 層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)造單元之一。層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)造單元之一。l 鋁（鋁（Al3+）或鎂（）或鎂（Mg2+）離子距離穩(wěn)定地配

7、上六個(gè)氧（）離子距離穩(wěn)定地配上六個(gè)氧（O2-）或）或OH-，三個(gè)在上，三個(gè)在下，相互錯(cuò)開作最緊密的堆積，配位形成八面體三個(gè)在上，三個(gè)在下，相互錯(cuò)開作最緊密的堆積，配位形成八面體的形式。的形式。2:1型層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)l1:1型礦物：晶架結(jié)構(gòu)都由一層硅氧片和一層水鋁片重疊而成，結(jié)構(gòu)中硅氧片和水鋁片的比例為1:1；l分子式： (OH)8Al4Si4O10 。從式中可見，典型高嶺石的SiO2/R2O3分子比率為2；l電荷為零；l無或很少的同晶替代，顏色純凈灰白，顆粒細(xì)?。籰c軸間距為70nm 。1、高嶺石（、高嶺石（Kaolinite)1:1型層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)高嶺石高嶺石2、蒙脫石（、蒙脫石（M

8、ontmori)l2:1型礦物，屬于脹縮型礦物；l分子式：(OH)4Al4Si8O20 。從式中可見典型蒙脫組礦物的SiO2/R2O3分子比率為4； l同晶替代：X0.66(Al3.34Mg0.66)Si8O20(OH)4 （其中X可為一價(jià)、二價(jià)或三價(jià)的離子）；lc軸間距：收縮時(shí)為140nm，膨脹時(shí)為200nm；l晶層之間容易脹縮，晶層更容易分開，顆粒更微小。2:1型層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)3、伊利石（、伊利石（Illite）l2:1型礦物，屬于非脹縮型礦物；l分子式： (OH)4Al4Si8O20 ；l同晶替代：K1.33Al4(Si6.67Al1.33)O20(OH)4同晶替代現(xiàn)象主要以Al3+

9、代Si4+(發(fā)生在硅氧片中)；l存在補(bǔ)償離子K+；l在我國分布最為廣泛的次生礦物；lc軸間距為100nm。4、蛭石（、蛭石（Vermiculinite） 2:1型礦物，屬于半脹縮型礦物； 三八面體（Mg八面體）X1.1(Al2.3Si5.7) (Al0.5Fe3+0.7Mg4.8)O20(OH)4； 同晶替代：蛭石中四面體片和八面體片都有同晶置換作用，但主要發(fā)生在四面體片中，Si被Al置換的數(shù)量比蒙脫石高，所以電荷密度比蒙皂石類高 補(bǔ)償離子不確定。 晶層間距為140nm5、綠泥石、綠泥石l2:1:1型礦物，是過渡型礦物。l分子式：(MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16由2:1型云

10、母晶層和一層氫氧化物間層規(guī)則地相間。 l過渡性：多在環(huán)境不穩(wěn)定狀態(tài)下存在l酸性條件下：八面體被中和形成 2:1型礦物l堿性條件下：脫水形成1:1型礦物l晶層間距為140nm2:1:1型（2:2型）層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)氧化物氧化物 土壤粘粒礦物組成中，除層狀硅酸鹽外，還包含一類礦物結(jié)構(gòu)比較簡單，水化程度不等的鐵、錳、鋁和硅的氧化物及其水合物和水鋁英石等。 氧化物類礦物中，部分是結(jié)晶型的，也有些是非晶質(zhì)無定形的物質(zhì)。 土壤中氧化物是由硅酸鹽類礦物在地表特定水熱條件下，經(jīng)過徹底風(fēng)化作用和成土作用形成的。 1、氧化鐵Fe3+Fe (OH) 3-Fe2O3-FeOOHFe (OH) 2-FeOOH-Fe2

11、O3Fe2+Fe3O4OH-高溫老化失 水低pH、緩慢沉淀老 化OH-O緩慢氧化脫 水OO2、氧化鋁 土壤中常見的鋁氧化物是三水鋁礦Al(OH)3 土壤中三水鋁礦的含量可作為脫硅作用和富鋁風(fēng)化作用的指標(biāo)。 離子態(tài)(Al3+)無定形態(tài)晶質(zhì)態(tài) 3、水鋁英石 水鋁英石是由氧化硅、氧化鋁和水組成的非晶質(zhì)鋁硅酸鹽礦物。 水鋁英石外觀上是呈海綿狀團(tuán)聚體，有許多細(xì)孔和巨大表面積。顏色隨吸附的金屬離子而異，常為白色，淺藍(lán)色和淺綠色。 水鋁英石是火山灰土壤的主要粘粒礦物 4、氧化硅 土壤粘粒中的氧化硅有結(jié)晶的和非結(jié)晶的兩種形態(tài) 非結(jié)晶態(tài)的二氧化硅稱為蛋白石，是由硅酸凝膠經(jīng)部分脫水的產(chǎn)物，也可由硅氧四面體構(gòu)成，但

12、排列沒有規(guī)則。 土壤中蛋白石含量常與土壤腐殖質(zhì)含量有關(guān)，蛋白石的多少也可以作為古土壤埋藏表層的指示礦物。四、粘土礦物形成規(guī)律1、脫鹽基： K2Al4Si6O16+ H2O HKAl4Si6O16 +KOH KOH + H2Al4Si6O162、脫硅：H2Al4Si6O16+5H2O Al2Si2O5( OH)4+4H2SiO3由原生礦物2:1型礦物1:1型礦物四、粘土礦物形成規(guī)律3、富Fe、Al過程：Al2Si2O5( OH)4 Al(OH)3+Si(OH)4+Fe (OH)3 整個(gè)過程稱為脫硅富鋁化過程 同時(shí)，熱帶土壤中粘土含量較高，特別是Fe3+含量高，能發(fā)生膠結(jié)作用。五、粘土礦物分布規(guī)律

13、 根據(jù)我國不同地區(qū)、山地高原和平原丘陵地帶土壤粘粒礦物組成，全國土壤粘粒礦物分布可劃分七個(gè)區(qū)： 1水云母區(qū)2水云母蒙脫石區(qū)3水云母蛭石區(qū)4水云母蛭石高嶺區(qū)5蛭石高嶺區(qū)6高嶺水云母區(qū)7高嶺區(qū)五、粘土礦物分布規(guī)律 常用改良粘土：1、膨潤土：很強(qiáng)反映活性，吸濕膨脹性和巨大的陽離子交換量。改性可提高對有機(jī)污染物的吸附性。2、凹凸棒石3、蒙脫石：活化與鈍化六、土壤粘粒礦物的鑒定 粘粒礦物的鑒定通常用化學(xué)分析和儀器分析兩種方法。 化學(xué)分析 儀器分析第二節(jié) 土壤有機(jī)質(zhì) 可粗略分為非腐殖物質(zhì)（30%）和腐殖物質(zhì)（70%）兩大類 表面積大：有機(jī)質(zhì)呈鏈狀，增大表面積，同質(zhì)量的有機(jī)質(zhì)表面積超過礦物質(zhì) 活性基團(tuán)多一、

14、非腐殖質(zhì)類型1、碳水化合物 包括各種單糖、雙糖和多糖類(纖維素和半纖維素)以及氨基糖、甲基化糖等 C/N=2530/1 有機(jī)物質(zhì)的重要組成部分 微生物和腐殖質(zhì)物質(zhì)形成的能源一、非腐殖質(zhì)類型2、有機(jī)酸 土壤有機(jī)酸是土壤酸類物質(zhì)的重要成分之一，產(chǎn)生螯合作用和溶解作用，影響金屬活性、礦物風(fēng)化、養(yǎng)分釋放等。 H+：土壤形成的礦物風(fēng)化中具有獨(dú)特作用（灰土的形成）。 離子活性（重金屬離子）一、非腐殖質(zhì)類型3、木質(zhì)素 土壤中特別穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì) 芳香化程度高，不易分解。 植物體當(dāng)中獨(dú)有的，腐殖物質(zhì)形成的必需元素4、含氮、磷、硫的有機(jī)物質(zhì) 該類化合物大體包括氨基酸或蛋白質(zhì)類、糖類、核酸類和脂類及數(shù)量很少的植酸、

15、維生素等。 二、腐殖質(zhì)類型 依據(jù)其溶解性能，一般可分為富啡酸(黃腐酸，富里酸)，胡敏酸(褐腐酸)和胡敏素(黑腐素)。 除去動植物殘屑的細(xì)土樣品溶液黑色殘余物黃色溶液富啡酸褐色沉淀胡敏酸胡敏素用NaOH溶液浸提過濾酸化過濾二、腐殖質(zhì)類型1、溶解性能二、腐殖質(zhì)類型2、化學(xué)基團(tuán)與組成 FA ：O、 S、-COOH HA：C、酚羥基 3、化合物的溶解性 FA：一、二、三價(jià)鹽可溶 HA：一價(jià)鹽可溶，二、三價(jià)不可溶4、分子量 FA大約5000， HA大約100005、半衰期 FA：500年 HA：1000年三、腐殖物質(zhì)的形成非腐殖物質(zhì) 礦化過程：CO2、H2O、NH3、SO2 腐殖過程：腐殖質(zhì)1、主要的礦

16、質(zhì)化反應(yīng) 不含氮有機(jī)物質(zhì)的化解C6H12O6O2COOH+ECO2+H2O+EH酸+CO2+H2+CH4脂肪類好氣微生物甘油脂肪酸H烴木質(zhì)素芳香苯環(huán)類物質(zhì)HumicCO2+H2O+Eslow三、腐殖物質(zhì)的形成 含氮有機(jī)物的分解 含磷有機(jī)化合物的分解ATP H3PO4protein水解氨基酸氧化脫氨基還原脫氨基水解拖氨基CHRNH2COOHONH3+CO2+RCHRNH2COOHNH3+CHRCOOHH醇+CO2+H2O+E三、腐殖物質(zhì)的形成2、腐殖化過程的經(jīng)典反應(yīng)途徑(1)(2)CHOHCHCHOHCH2OHOHCHCHCHOHOOHOHOHOHOHOH脫水OOOHOO+氨基酸OHOHNHCHCOOHRNHCHCOOHR三、腐殖物質(zhì)的形成(3)(4)OHCH2CH COOHNH2OHCH2CHNCOOHCH2CHNOOHCH2NCOOHR三、腐殖物