土壤的組成和性質(zhì)

書目

第一節(jié)土壤的組成與性質(zhì)其次節(jié)污染物在土壤-植物體系中的遷移第三節(jié)土壤中農(nóng)藥的遷移轉(zhuǎn)化第四章土壤環(huán)境化學(xué)土壤與整個地球環(huán)境系統(tǒng)的各圈層之間的關(guān)系

第一節(jié)土壤的組成與性質(zhì)土壤是由地殼巖石及礦物經(jīng)過長期風(fēng)化形成的。

在風(fēng)化過程中，巖石、礦物變成碎屑（土壤母質(zhì)），它們在生物及其遺骸、微生物作用下，通過腐殖質(zhì)形成地表疏松層，它是陸生植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是一切農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，除可生產(chǎn)食物外，也是外界同化和代謝物及大部分污染物的承受體，是維持全球人口生存的重要因素。一、土壤的組成土壤是指地球陸地表面具有確定肥力且能生長植物的疏松表層。它是由巖石風(fēng)化和母質(zhì)的成土兩種過程綜合作用下形成的產(chǎn)物。其本質(zhì)屬性是具有肥力，由固、液、氣三相組成。第一節(jié)土壤的組成和性質(zhì)礦物質(zhì)90%以上有機(jī)質(zhì)1.0~10%固相液相土壤中的水分及其水溶物（包括氣體）

Soilsolutionisdefinedasthesoilinterstitialwater,itssolutesanddissolvedgases.孔隙中充溢空氣porousmedia氣相第一節(jié)土壤的組成與性質(zhì)1.1土壤組成土壤是由固體、液體和氣體三相共同組成的多相體系，它們的相對含量因時因地而異。

20～30%的空氣20～30%的水45%的礦物質(zhì)5%的有機(jī)質(zhì)土壤中生物最活躍的一層，有機(jī)質(zhì)大部分在這一層，金屬離子和粘土顆粒在此層中被淋溶得最顯著它來自上一層淋溶出來的有機(jī)物、鹽類和粘土顆粒類物質(zhì)由風(fēng)化的成土母巖構(gòu)成★1.1.1土壤礦物質(zhì)土壤礦物質(zhì)是巖石經(jīng)過物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化形成的。原生礦物：它們是各種巖石（主要是巖漿巖）受到程度不同的物理風(fēng)化而未經(jīng)化學(xué)風(fēng)化的碎屑物，其原來的化學(xué)組成和結(jié)晶構(gòu)造都沒有變更；次生礦物：它們大多數(shù)是由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后形成的新礦物，其化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)都有所變更。在土壤形成過程中，原生礦物以不同的數(shù)量與次生礦物混合成為土壤礦物質(zhì)。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。其中硅酸鹽類礦物占巖漿巖重量的80％以上。a、硅酸鹽類，如長石、云母等，簡潔風(fēng)化而釋放出K、Na、Ca、Mg、Al等元素可供植物吸取，同時形成新的次生礦物。b、氧化物類，如石英、赤鐵礦等，穩(wěn)定、不易風(fēng)化，對植物養(yǎng)分意義不大。c、硫化物類，如黃鐵礦、白鐵礦（FeS2），極易風(fēng)化，為土壤中硫元素的主要來源；d、磷酸鹽類，如磷灰石、磷酸鐵等，是土壤中無機(jī)磷的重要來源。（1）原生礦物：巖石化學(xué)風(fēng)化主要分為三個歷程：氧化、水解、酸性水解。巖石化學(xué)風(fēng)化過程氧化：以橄欖石(Mg、Fe)SiO4為例水解：酸性水解：Fe2+、Mg2+等離子，一部分被植物吸??；一部分則水遷移，最終進(jìn)入海洋。Fe2O3.3H2O等形成新礦；SiO44-也可與某些陽離子形成新礦。為原生礦物經(jīng)風(fēng)化后重新形成的新礦物，其化學(xué)組成和構(gòu)造都有所變更而不同于原來的原生礦物。顆粒?。ㄒ话?.25um），具有膠體性質(zhì)，既是土壤中粘粒和無機(jī)膠體的組成部分，也是固體物質(zhì)中最有影響的部分。與土壤中很多重要物理性質(zhì)（如粘結(jié)性、膨脹性等）和化學(xué)性質(zhì)（如吸取、保蓄性等）親密相關(guān)。（2）次生礦物：通常依據(jù)其性質(zhì)與結(jié)構(gòu)可分為三類：簡潔鹽類、三氧化物類和次生鋁硅酸鹽類。①簡潔鹽類：次生礦物中的簡潔鹽類屬水溶性鹽，易淋溶流失，一般土壤中較少，多存在于鹽漬土中。它們都是原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后的最終產(chǎn)物，結(jié)晶構(gòu)造也較簡潔，常見于干旱和半干旱地區(qū)的土壤中。方解石(CaCO3)、白云石［Ca、Mg（CO3）2］、石膏(CaSO4·2H2O)、瀉鹽(MgSO4·7H2O)、巖鹽(NaCl)、芒硝(Na2SO4·10H2O)、水氯鎂石(MgCl2·6H2O)。②三氧化物類：三氧化物和次生鋁硅酸鹽粒徑小于0.25μm，稱之為次生粘土礦物。如針鐵礦(Fe2O3·H2O)、褐鐵礦(2Fe2O3·3H2O)、三水鋁石(A12O3·3H2O)等，它們是硅酸鹽礦物徹底風(fēng)化后的產(chǎn)物，結(jié)晶構(gòu)造較簡潔，常見于濕熱的熱帶和亞熱帶地區(qū)土壤中。③次生硅酸鹽類：這類礦物是由長石等原生硅酸鹽礦物風(fēng)化后形成。它們是構(gòu)成土壤的主要成分，故又稱為粘土礦物或粘粒礦物，與土壤很多重要物理、化學(xué)過程和性質(zhì)有關(guān)。次生硅酸鹽可分為三大類：即伊利石、蒙脫石和高嶺石。風(fēng)化程度存在地區(qū)顆粒直徑膨脹性陽離子代換量伊利石較低溫帶干旱地區(qū)小于2μm較小較高蒙脫石較高溫帶干旱地區(qū)小于1μm較小極高高嶺石極高濕熱的熱帶地區(qū)和花崗巖殘積母質(zhì)上發(fā)育的土壤中0.1~5.0μm小低K2O4~7％它所吸取的水分植物難以利用，同時干裂現(xiàn)象嚴(yán)峻而不利于植物生長。透水性良好，但供肥、保肥實力低，植物易感養(yǎng)分不足1.1.2土壤有機(jī)質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中含碳有機(jī)化合物的總稱。一般占固相總重量的10%以下，是土壤的重要組成部分，也是土壤形成的主要標(biāo)記。土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于動植物和微生物殘體。非腐殖物質(zhì)（蛋白質(zhì)、糖類、樹脂、有機(jī)酸）腐殖質(zhì)（腐殖酸、富里酸、腐黑酸等）。1.1.3土壤水分土壤水分是土壤的重要組成部分，主要來自大氣降水和澆灌，在地下水位接近地面（2-3m）的狀況下，地下水也是上層土壤水分的重要來源。此外空氣中水蒸氣遇冷凝成為土壤水分。土壤水分并非純水?。?！事實上是土壤中各種成分和污染物溶解形成的溶液。因此土壤水分既是植物養(yǎng)分的主要來源，也是進(jìn)入土壤的各種污染物向其他環(huán)境圈層（如水圈、生物圈等）遷移的媒介。1.1.4土壤中的空氣

土壤是一個多孔體系，在水分不飽和的狀況下，孔隙中充溢空氣。土壤空氣主要來自大氣，其次來自土壤中的生物化學(xué)過程。

土壤空氣是不連續(xù)的，它存在于被土壤固體隔開的土壤孔隙中，其組成在不同位置是有差異的。土壤空氣的含量和組成在很大程度上取決于土水關(guān)系。在土壤孔隙里貯存的水分和空氣，它們的相對含量常常隨自然條件的變更而變更。

土壤空氣與大氣組成有較大的差別（1）土壤空氣是一個不連續(xù)的體系。（2）CO2含量一般遠(yuǎn)比在大氣中高，氧的含量則低于大氣。造成這種差別的緣由是土壤中植物根系的呼吸作用、微生物活動中有機(jī)物的降解及合成時消耗其中的O2，放出CO2。（3）土壤空氣一般比大氣含有較高的水量。土壤含水量適宜時，相對濕度接近100%。（4）除此之外，由于土壤空氣常常被水汽所飽和，在通氣不良狀況下，厭氧細(xì)菌活動產(chǎn)生的少量還原性氣體如CH4、H2S、H2也積累在土壤空氣中。

1.2土壤的粒級分組與質(zhì)地分組1.2.1土壤礦物質(zhì)的粒級劃分土壤礦物質(zhì)是以大小不同的顆粒狀態(tài)存在的。不同粒徑的土壤礦物質(zhì)顆粒（即土粒），其性質(zhì)和成分都不一樣。為了探討便利，人們常按粒徑的大小分為若干組，稱為粒組或粒級，同組土粒的成分和性質(zhì)基本一樣，組間則有明顯差異。＜0.001細(xì)粘粒0.005-0.001粗粘粒粘粒0.01-0.005細(xì)粉粒0.05-0.01粗粉粒粉粒0.25-0.05細(xì)粗粒1-0.25粗砂粒砂粒3-1細(xì)礫10-3粗礫石礫＞10石塊粒徑(mm)顆粒名稱表4-1我國土粒分級標(biāo)準(zhǔn)孔隙過大，水和養(yǎng)分易流失石英為主，孔隙大，通氣和透水性強(qiáng)，保水保肥實力弱，養(yǎng)分元素含量少原生礦物與次生礦物的混合體。團(tuán)聚、膠結(jié)性差，分散性強(qiáng)。保水保肥實力較好。次生礦物，土壤養(yǎng)分元素含量豐富，團(tuán)聚實力較強(qiáng)，保水保肥性好，但通氣和透水性差。1.2.2各粒級的主要礦物成分和理化特性礦物的粒級不同，其化學(xué)成分有較大的差異。一般來說，土粒越細(xì)，所含養(yǎng)分越多；越粗，所含養(yǎng)分越少。1.2.3土壤質(zhì)地分類及其特性定義：由不同的粒級混合在一起所表現(xiàn)出來的土壤粗細(xì)狀況，稱為土壤質(zhì)地（或土壤機(jī)械組成）。依據(jù)：土壤質(zhì)地分類是以土壤中各粒級含量的相對百分比作標(biāo)準(zhǔn)的。分類方法：國際制、美國制和前蘇聯(lián)制。國際制和美國制均接受三級分類法，即按砂粒、粉砂粒、粘粒三種粒級的百分?jǐn)?shù)，劃分為砂土、壤土、粘壤土和粘土四類十二級。土壤的粒級分組與質(zhì)地分組土壤礦物質(zhì)的粒級劃分表4-1各粒級的主要礦物成分和理化特性表4-2,4-3土壤質(zhì)地分類及其特征表4-4,4-5質(zhì)地組質(zhì)地號質(zhì)地名稱各粒級百分含量砂粒(1-0.05mm)粗粉粒(0.05-0.001mm)膠粒(＜0.001mm)砂土1粗砂土＞70－－2細(xì)砂土60-70－＜303面砂土50-60－－兩合土組4砂性兩合土＞20＞40＜305小粉土＜20＞40＜306兩合土＞20＜40＜307膠性兩合土＜20＜40＜30粘土8粉粘土－－30-359壤粘土－－35-4010粘土－－＞40表4-6我國土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)土壤質(zhì)地可在確定程度上反映土壤礦物質(zhì)組成和化學(xué)組成，同時土壤顆粒大小與土壤的物理性質(zhì)有親密關(guān)系，并且影響土壤孔隙狀況，因此對土壤水分、空氣、熱量的運(yùn)動和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化有很大影響。質(zhì)地不同的土壤表現(xiàn)出不同的性狀。土壤性狀土壤質(zhì)地砂土壤土粘土比表面積小中等大緊密性小中等大孔隙狀況大孔隙多中等細(xì)孔隙多通透性大中等小有效含水量低中等高保肥能力小中等大保水分能力低中等高在春季的土溫暖涼冷觸覺砂滑粘壤土兼有砂土和粘土的優(yōu)點(diǎn)

★1.3土壤吸附性

土壤膠體的比表面積和帶電性，使土壤具有吸附性。1.3.1土壤膠體的性質(zhì)（1）土壤膠體具有巨大的比表面和表面能：比表面：單位重量（或體積）物質(zhì)的表面積。確定體積的物質(zhì)被分割時，隨著顆粒數(shù)的增多，比表面也顯著地增大。蒙脫石比表面積最大（600-800m2/g）高嶺石最?。?-30m2/g）有機(jī)膠體比表面積也大（～700m2/g）（2）土壤膠體的電性：土壤膠體微粒內(nèi)部一般帶負(fù)電荷，形成一個負(fù)離子層（確定電位離子層），其外部由于電性吸引而形成一個正離子層（反離子層或擴(kuò)散層），即合稱雙電層。（3）土壤膠體的凝合性和分散性：凝合性：由于膠體的比表面和表面能都很大，為減小表面能，膠體具有相互吸引、凝合的趨勢，這就是膠體的凝合性。分散性：由于土壤膠體微粒帶負(fù)電荷，膠體粒子相互排斥，具有分散性，負(fù)電荷越多，負(fù)的電動電位越高，相互排斥力越強(qiáng)，分散性也越強(qiáng)。影響因素：土壤膠體的電動電位和擴(kuò)散層厚度及土壤溶液中電解質(zhì)濃度、pH值影響土壤凝合性能。土壤溶液中常見陽離子的凝合實力依次如下：Na+＜K+＜NH4+＜H＋＜Mg2＋＜Ca2+<Al3＋＜Fe3+★1.3.2土壤膠體的離子交換吸附在土壤膠體雙電層的擴(kuò)散層中，補(bǔ)償離子可以和溶液中相同電荷的離子以離子價為依據(jù)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：陽離子交換實力的強(qiáng)弱主要依靠于以下因素：①電荷數(shù)：離子電荷數(shù)越高，陽離子交換實力越強(qiáng)。②離子半徑及水化程度：同價離子中，離子半徑越大，水化離子半徑就越小，因而具有較強(qiáng)的交換實力。Fe3＋＞Al3+＞H+＞Ba2+＞Sr2+>Ca2+＞Mg2+＞Cs+＞Rb+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+。（三價離子>二價離子>一價離子）每千克干土中所含全部陽離子總量，稱為陽離子交換量(cmol/kg)，不同土壤的陽離子交換量不同：①不同種類膠體的陽離子交換量的依次為：有機(jī)膠體>蒙脫石>水化云母>高嶺土>含水氧化鐵、鋁。②土壤質(zhì)地越細(xì)，陽離子交換量越高。③土壤膠體中SiO2/R2O3比值越大，其陽離子交換量越大，當(dāng)SiO2/R2O3<2，陽離子交換量顯著降低。④pH值下降陽離子交換量降低；反之，交換量增大?？山粨Q性陽離子有兩類：一類是致酸離子，H+和A13+；另一類是鹽基離子，Ca2+、Mg2+、NH4+、K+、Na+等。

當(dāng)土壤膠體上吸附的陽離子均為鹽基離子，且已達(dá)到吸附飽和時的土壤，稱為鹽基飽和土壤。

當(dāng)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?jǐn)?shù)稱為土壤鹽基飽和度：（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。陰離子的交換吸附比較困難，能與溶液中陽離子形成難溶性沉淀的被猛烈地吸附。Cl-、NO3-、NO2-等不能形成難溶鹽，很少被土壤吸附。1.4土壤酸堿性依據(jù)土壤的酸度可以將其劃分為9個等級。6.5～7.0中性＞9.5極強(qiáng)堿性6.0～6.5弱酸性8.5～9.5強(qiáng)堿性5.5～6.0酸性7.5～8.5堿性4.5～5.5強(qiáng)酸性7.0～7.5弱堿性＜4.5極強(qiáng)酸性pH土壤酸堿度分級pH土壤酸堿度分級6.5～7.0中性＞9.5極強(qiáng)堿性6.0～6.5弱酸性8.5～9.5強(qiáng)堿性5.5～6.0酸性7.5～8.5堿性4.5～5.5強(qiáng)酸性7.0～7.5弱堿性＜4.5極強(qiáng)酸性pH土壤酸堿度分級土壤酸堿度分級表4-8土壤酸堿度分級我國土壤的pH大多在4.5-8.5范圍內(nèi)，并有由南向北pH值遞增的規(guī)律性。長江（北緯33°）以南的土壤多為酸性和強(qiáng)酸性，華南、西南地區(qū)廣泛分布的紅壤、黃壤，pH值大多在4.5-5.5之間，有少數(shù)低至3.6-3.8；華中華東地區(qū)的紅壤，pH值在5.5-6.5之間；長江以北的土壤多為中性或堿性，華北、西北的土壤大多含CaCO3，pH值一般在7.5-8.5之間，少數(shù)強(qiáng)堿性土壤的pH值高達(dá)10.5。

★1.4.1土壤酸度（1）活性酸度：土壤的活性酸度是土壤溶液中H+濃度的干脆反映，又稱為有效酸度，通常用pH表示。土壤溶液中H+的來源：土壤中CO2溶于水形成的碳酸；有機(jī)物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸；土壤中礦物質(zhì)氧化產(chǎn)生的無機(jī)酸；無機(jī)肥料中殘余的無機(jī)酸；大氣污染形成的大氣酸沉降。（2）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+。當(dāng)這些離子處于吸附狀態(tài)時，是不顯酸性的，但當(dāng)它們通過離子交換作用進(jìn)入土壤溶液之后，即可增加上壤溶液的H＋濃度，使土壤pH值降低。只有鹽基不飽和土壤才有潛性酸度，其大小與土壤代換量和鹽基飽和度有關(guān)。依據(jù)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。①代換性酸度：用過量中性鹽溶液淋洗土壤，溶液中金屬離子與土壤中H+和A13+發(fā)生離子交換作用，而表現(xiàn)出的酸度，稱為代換性酸度。AlCl3+3H2OAl(OH)3+3HCl土壤礦物質(zhì)膠體釋放出的氫離子很少，土壤腐殖質(zhì)中的腐殖酸可產(chǎn)生較多的氫離子。代換性A13+是礦物質(zhì)土壤中潛性酸度的主要來源。紅壤的潛性酸度95%以上是由代換性A13+產(chǎn)生的。②水解性酸度：用弱酸強(qiáng)堿鹽（如醋酸鈉）淋洗土壤，溶液中金屬離子可以將土壤膠體吸附的H+和A13+代換出來，同時生成某弱酸（醋酸）。此時，所測定出的該弱酸的酸度稱為水解性酸度。

水解性酸度一般比交換性酸度高。由于中性鹽所測出的代換性酸度只是水解性酸度的一部分，當(dāng)土壤溶液在堿性增大時，土壤膠體上吸附的H+較多地被代換出來，所以水解酸度較大。CH3COONa＋H2O→CH3COOH＋Na＋＋OH-土壤的活性酸度與潛性酸度是同一個平衡體系的兩種酸度。二者可以相互轉(zhuǎn)化，在確定條件下處于短暫平衡狀態(tài)。土壤活性酸度是土壤酸度的根本起點(diǎn)和現(xiàn)實表現(xiàn)。土壤膠體是H+和A13+的貯存庫，潛性酸度則是活性酸度的貯備。土壤的潛性酸度往往比活性酸度大得多，二者比例在砂土中約為1000；在有機(jī)質(zhì)豐富的粘土中可高達(dá)5×l04~1×105。（3）活性酸度與潛性酸度的關(guān)系1.4.2土壤堿度

也用pH表示pH>8.5土壤溶液中OH-的主要來源，是CO32-和HCO3-的堿金屬（Na、K）及堿土金屬（Ca、Mg）的鹽類。

強(qiáng)堿性土對大多數(shù)植物和微生物有害，可使微量元素沉積，惡化土壤物化性能。Na+離子飽和度亦稱為土壤堿化度。

膠體上吸附的鹽基離子不同，對土壤的pH的影響也不同。當(dāng)土壤膠體上吸附的Na、K、Mg（主要是Na）等離子的飽和度增加到確定程度時，會引起交換性陽離子的水解作用：表4-9不同鹽基離子完全飽和吸附黑鈣土的pH值鹽基離子黑鈣土的pH值鹽基離子黑鈣土的pH值Li9.00Ca7.84Na8.04Mg7.59K8.00Ba7.35★1.4.3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(fā)生變更的實力，它可以保持土壤反應(yīng)的相對穩(wěn)定。（1）土壤溶液的緩沖作用：土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸等弱酸及其鹽類，構(gòu)成一個良好的緩沖體系，對酸堿具有緩沖作用。Na2CO3+2HCl→2NaCl+H2CO3H2CO3+Ca(OH)2→CaCO3+2H2O土壤中的某些有機(jī)酸是兩性物質(zhì)，具有緩沖作用。如氨基酸含氨基和羧基可分別中和酸和堿，從而對酸和堿都具有緩沖實力。（2）土壤膠體的緩沖作用：土壤膠體吸附有各種陽離子，其中鹽基離子和氫離子能分別對酸和堿起緩沖作用。①對酸的緩沖作用（以M代表鹽基離子）②對堿的緩沖作用土壤膠體的數(shù)量和鹽基代換量越大，土壤的緩沖性能就越強(qiáng)。在代換量相等的條件下，鹽基飽和度愈高，土壤對酸的緩沖實力愈大；反之，鹽基飽和度愈低，土壤對堿的緩沖實力愈大。一般土壤緩沖實力：腐殖質(zhì)土﹥粘土﹥砂土還原態(tài)元素氧化態(tài)

CH4CCO2