环境土壤学复习要点

土壤的定义：土壤是历史自然体，是位于地球陆地表面的和浅水域底部的具有生命力、生产力的疏松而不均匀的聚集层，是地球系统的组成部分和调控环境质量的中心要素。土壤圈是覆盖于地球陆地表面和浅水域底部的一种疏松而不均匀的覆盖层及其相关的生态与环境体系；它是地球系统的重要组成部分，处于其它圈层的交接面上(中心位置)，即是它们长期共同作用的产物，又是它们的支撑物。Sq=f(L,H,B,A,i)土壤污染是指人为因素有意或无意地将对人类本身和其它生命体有害的物质施加到土壤中，使其某种成分的含量明显高于原有含量、并引起现存的或潜在的土壤环境质量恶化的现象。环境土壤学的研究内容：土壤环境的现状及其演变、化学物质在土壤环境系统中的行为、土壤环境与人体健康、人为活动对土壤环境的冲击、土壤环境工程等环境土壤学的研究方法：基础研究与应用研究相结合；宏观研究与微观研究相结合；综合与交叉的方法；野外调查与实验室研究相结合；传统的研究方法与现代新技术相结合。生态系统：在一定时间和空间内，生物与其生存环境以及生物与生物之间相互作用，彼此通过物质循环、能量流动和信息交换，形成的一个不可分割的自然整体。土壤生态系统：土壤同生物与环境间的相互关系网络，或者说是物质流与能量流所贯穿的一个开放性网状系统。其结构组成包括：生产者、消费者、分解者、参与物质循环的无机物质和有机物质、土壤内部水、气、固体物质等环境因子。土壤的机械组成（质地）：土壤颗粒(土粒)，构成土壤固相骨架的基本颗粒。土壤粒级：土粒大小分成若干组，称土壤粒级(粒组）——大小相近、性质相似的土壤颗粒划为一组。粒级制：石砾，砂粒，粉粒，粘粒。土壤颗粒分级：(mm)直径国际制美国制卡庆斯制中国制（1987）石砾2211砂粒2-0.022-0.051-0.051-0.05粉粒0.02-0.0020.05-0.0020.05-0.0010.05-0.002粘粒〈0.002〈0.002〈0.001〈0.002物理性砂粒：1-0.01mm物理性粘粒：〈0.01mm土壤质地分为：砂性土、壤性土、粘性土。1、砂质土壤主要特性：砂粒大于50%；通气透水；养分少，不保水肥；环境容量小；易耕；温度变化快，暖性土。2、粘质土壤主要特性：粘粒高于30%；通气透水不良；保水保肥、养分含量高；升温慢，冷性土；耕性差，适合于禾谷类作物。3、壤质土壤主要特性：粉粒大于30%；环境容量相对大；性质介于黏土与砂土之间。土壤的物质组成：土壤是由固相、液相、气相和土壤生物体四部分组成。适于植物生长的典型壤质土壤的体积组成为土壤孔隙占50％，内含水分和空气；土壤固体占50%，其中矿物质占45％，有机质占5%；土壤生物体均生活在土壤孔隙之中。适宜的土壤三相比为：固相率50%左右，容积含水率25-30%，气相率15-25%。土壤液相部分：土壤溶液包括土壤水分(来源于降水和灌溉)和水溶物(养分﹑污染物)。土壤水分类型：吸湿水、膜状水、毛管水、重力水1、土壤吸湿水：干土从空气中吸着水汽所保持的水称为吸湿水。最大吸湿量：干土在近于水汽饱和的大气中吸附水汽，并在土粒表面凝结成液态水的数量。2、土壤膜状水：当土壤含水量超过最大吸湿量时，则在吸湿水层外，又形成一层液体状态的水膜，这层水膜叫土壤膜状水。土壤膜状水达到最大值时的土壤含水量称为土壤最大分子持水量。3、土壤毛管水：存在于土壤毛管孔隙中的水分，称为毛管水。包括毛管悬着水和毛管上升水。毛管悬着水量达最大值时的土壤含水率称为田间持水量。4、重力水：当土壤的含水量超过了土壤的田间持水量，多余的水分不能为毛管力所吸持，在重力作用下将沿非毛管孔隙下渗，这部分土壤水分称为重力水。土壤空气变化规律：1）随着土层深度的增加，土壤空气中CO2含量增大，O2含量减少，无论在膜地或露地均是如此；2）气温和土温升高，根系呼吸加强，微生物活动加快，土壤空气中CO2含量增加，夏季CO2含量最高；3）覆膜田块的CO2含量明显高于未覆露地，而O2则反之；4）土壤空气中的CO2和O2的含量相互消长，二者总和维持在19~22%之间。土壤矿物分布规律：1）继承性---氧和硅是地壳中含量最多的二种元素，铁、铝次之，四者相加共占88.7％的重量。在组成地壳的化合物中，以硅酸盐最多。2）土壤矿物的化学组成反映了成土过程中元素的分散、富集特性和生物积聚作用。（3）在地壳中，植物生长必需的营养元素含量很低而且分布很不平衡。原生矿物：指那些经过不同程度的物理风化，未改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。小结：①土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势；②土壤中原生矿物类型和数量的多少在很大程度上决定于矿物的稳定性，如长石和石英；③土壤原生矿物是植物养分的重要来源。常见的有石英、长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石以及其它硅酸盐类和非硅酸盐类。次生矿物：是原生矿物经风化变质作用后，改变了其形态、性质和成分形成的新矿物。分类：1、简单的盐类2、含水（水化程度不等）的氧化铁、氧化铝、氧化硅等氧化物类3、次生层状铝硅酸盐如高岭石、蒙脱石和水化云母类等。次生矿物颗粒大小一般均0.002mm，大多数呈胶体分散状态存在。由于颗粒小，有巨大的表面积和表面能，它就是使土壤产生吸附能力的原因，由此也产生一定的粘结性、可塑性和毛管现象，可使水分、养分在一定程度上得以保蓄，也可一定程度上吸附污染物。化学风化作用：指岩石在水和空气（主要是氧气和二氧化碳）的参与下进行的溶解作用、水化作用、水解作用、氧化作用等的总称，特点是岩石可进一步破碎成胶体状微粒，使原生矿物成分发生改变，产生在地表条件下比较稳定的次生矿物。水化作用：矿物与水接触后，生成含水矿物的作用。是水分与矿物分子相结合的化学过程。矿物水化后，其硬度降低，体积增大，溶解度增加，更易被风化。水解作用：当水中含有CO2或其他酸类时，因水的解离而产生氢离子（H+）。生物风化指岩石和矿物在生物影响下发生的物理的和化学的变化。其作用包括：1、根系的挤压；2、地衣、苔藓保蓄水分，加强化学风化；3、呼吸产生的二氧化碳和有机酸以及根系分泌物分解矿物等。生物风化作用不仅能使岩石破碎、分解，而且能积聚养分。风化作用的产物：风化残体、易溶于水的简单盐类、形成各种不同风化程度的次生矿物土粒中的黏粒部分，除少量属于石英、长石等原生矿物的风化碎屑外，主要由次生矿物组成。黏粒矿物或粘土矿物绝大部分属于铝硅酸盐，有特殊的构造。层状硅酸盐粘土矿物：从外部形态上，都是极细微的结晶颗粒；从内部结构上看，由两种基本结构单位所构成，含有结晶水两种基本结构单位：1、硅氧四面体：1个硅离子和4个氧离子空间构造特征：3个氧离子构成三角形为底,硅离子位于其上的中心低凹处，第4个氧位于硅离子的顶部2、铝氧八面体：1个铝离子和6个氧离子(或氢氧离子)空间构造特征：6个氧离子(或氢氧离子)排成两层,构成2个三角形面,铝离子位于两层之间的中心孔穴内两个单位晶片：1、四面体片四面体通过共用底部氧的方式沿水平方向无限延伸,排列成近似六边形蜂窝状的四面体片2、八面体片类比四面体片单位晶层：硅片和铝片以不同的方式在C轴方向上堆叠，形成层状铝硅酸盐的单位晶层。两种晶片的配合比例不同，形成1:1、2:1、2:1:1型单位晶层。1:1型单位晶层：1个硅片和1个铝片；硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用方式形成单位晶层；具有两个不同的层面(一个是由具有六角形空穴的氧原子层面，一个是由氢氧构成的层面)；层间氢键相连，没有水分子和阳离子，层间距固定。典型代表：高岭组包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等特点：1）1:1型的晶层结构；2）无膨胀性，两个晶层的层面间产生了键能较强的氢键，膨胀系数一般小于5％；3）电荷数量少(无或极少同晶替代)，阳离子交换量小；4）胶体特性较弱颗粒较粗（0.2-2μm），颗粒的总表面积相对较小高岭组粘土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。2:1型单位晶层：2个硅片夹1个铝片；硅片顶端的活性氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层；具有两个相同的层面；依据层间结合力不同分为两种情况或类型：1）层间联结力为弱的分子键；2）层间为K、Ca、Mg、Na等交换性阳离子A）膨胀性矿物代表：蒙蛭组包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。特点：2:1型单位晶层；胀塑性大（晶层间的结合力是分子引力，因水分的进入而扩张，因失水而收缩）；电荷数量大（同晶替代普遍）；胶体特性突出（颗粒总表面积大，可塑性、粘结性、粘着性、吸湿性都较特别显著）同晶替代：当粘土矿物形成时，组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。规律：1、高价阳离子被低价阳离子取代的多；因此，土壤胶体一般其净电荷负。2、四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中Al3+被Mg2+替代。3、同晶替代现象在2:1和2:1:1型的粘土矿物中较普遍，而1:1型的粘土矿物中则相对较少。同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子。B）非膨胀性矿物（水化云母组）伊利石：2:1晶层；晶层之间是钾离子，受到相邻两晶层间负电荷的吸引，产生很强的键合力，使层间不易膨胀；电荷数量较大，同晶替代较普遍，但部分电荷被K+中和；胶体特性（颗粒总表面积介于高岭石和蒙脱石之间，可塑性、粘结性、粘着性、吸湿性也居于之间）。2:1:1型单位晶层：2个硅片、一个铝片和一个镁片（或铝片）构成典型代表：绿泥石组绿泥石（一般存在于幼年土中）：2:1:1型晶层，由一层滑石与水镁片相间重叠而成；同晶替代较普遍；胶体特性（同伊利石）土壤中次生粘土矿物分布的影响因素：岩石、母质；气候、生物；纬度地带性非硅酸盐粘土矿物：氧化铁、氧化铝、水铝英石、氧化硅等土壤有机质：广义上指存在于土壤中一切含碳的有机物质。包括土壤中破碎的动植物残体、微生物体和其分解、合成的各种有机物质，以及异源有机物质（如堆、沤肥）来源：微生物（最早来源）、动物来源、植物来源（基本来源）有机质含量一般在0-5%之间，泥炭土可高达20%或30%以上，漠境土和砂质土壤不足0.5%。1)化学元素组成：基本元素组成是C、O、H、N，其次是P、S。C/N比大约在10~12之间。土壤全N的92-98％储藏在有机N，有机N主要集中在腐殖质中，一般是腐殖质含量的5％。2)物质组成：动、植物残体；微生物体；简单有机化合物（主要类木质素、蛋白质；其次半纤维素、纤维素及其它小分子化合物等）—非腐殖物质20-30%；腐殖物质土壤腐殖质（含非腐殖物质和腐殖物质）占土壤有机质的50-90%以上腐殖物质：有机物质在微生物作用下分解、转化（包括缩合）成一种特殊的、高分子、暗色的有机物质。特点：结构复杂（中心为芳香核、连接了许多支链和官能团，通过杂原子键或碳键连接在一起），性质稳定、存留时间长、和无机矿物颗粒密切结合在一起。是土壤有机质主体成分，占有机质总量的50~90%。基本上与盐基离子形成各种腐殖酸盐。土壤腐殖物质的存在状态：游离态（很少）、结合态（52%-98%，与粘土矿物复合）土壤腐殖物质的主体是指各种腐殖酸及其与金属离子结合的盐类。腐殖酸可分为3个组分：胡敏酸（HA）、富里酸（FA）、胡敏素（Hu）根据它们在酸碱溶液中的溶解性质来分：富啡酸(既溶于酸又溶于碱，分子量相对较小)、胡敏酸(只溶于碱而不溶于酸，分子量相对较大)和胡敏素(酸和碱中都不溶解)。C/N=10:1~12:1，HA大于FA腐殖酸含有各种功能基团（酸性、中性、碱性），表现出多种活性：1）对金属离子的络合2）对H+的缓冲效应3）对阳离子的吸附腐殖酸的理化性质1、颜色：腐殖酸不分组时，整体呈现黑色，但不同组分其颜色不同，胡敏酸颜色较深，呈棕褐色，富里酸颜色较浅，呈淡黄色。腐殖质颜色主要由缩合度的大小决定2、溶解性：腐殖物质是一种弱酸，可溶于碱溶液而生成腐殖酸盐。富里酸溶于水、酸、碱；胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱。3、吸水性：是一种亲水胶体，最大吸水量可以超过500%4、带电性：属于两性胶体。电荷来源主要是腐殖酸分子