第四章土壤环境化学

14学时作业题P3021、2、9、102土壤是自然环境要素的重要组成之一，它是处于岩石圈最外面的一层疏松的部分,具有支持植物和微生物生长繁殖的能力，称作土壤圈。简介土壤还具有同化和代谢外界进入土壤的物质能力，所以土壤又是保护环境的重要净化剂，这就是土壤的两个重要的功能。曾被认为具有无限抵抗人类活动干扰的能力。3全球范围的土壤环境问题土壤酸化、盐碱化、土壤污染土壤盐碱化面积扩大，我国盐碱化土壤面积达100万平方公里左右；土壤污染物质来源广泛，包括城市废水和固体废弃物；农药；生物残体和排泄物；大气沉降物等。4我国的沙漠和沙漠化土地已达153.3万km2，占全国土地面积的15.9%，其中沙漠化土地达33.4万km2。上世纪80年代后沙漠化面积扩大了一倍，沙漠化地区主要集中在西部、华北和内蒙东部的一条连续的弧形地带。卫星云图上发现，中国西部风沙线正大举向东入侵。土壤沙漠化（石漠化）5水土流失人类对土地不合理的利用、破坏了地面植被和稳定地形，以致造成严重的水土流失。目前中国水土流失面积已经达到三百六十七万平方公里，占国土总面积的三分之一以上。其中以黄河流域水土流失状况最为严重，目前已达四十五万平方公里，占流域总面积的百分之六十。6第一节土壤的组成与性质二、土壤的粒级分组与质地分组一、土壤的组成三、土壤的吸附性四、土壤的酸碱性五、土壤的氧化还原性第二节重金属在土壤—植物体系中的迁移及其机制第三节土壤中农药的迁移转化本章主要内容：7一、土壤的组成第一节土壤的组成与性质一、土壤的组成土壤是由固体、液体和气体三相共同组成的多相体系。8土壤的组成固体部分孔隙部分无机体——矿物质45%有机体液体气体——有机质5%——水分20-30%——空气20-30%一、土壤的组成9土壤的形成岩石矿物风化层土壤有机物生物分泌物和残骸等由于成土因素综合作用不同，土壤的类型也不同，各种土壤的形成过程实质是地球表面物质的地质大环境与生物小环境的对立统一。一、土壤的组成10土壤矿物质是岩石经过物理和化学风化的产物，主要元素O、Si,Al、Fe、C、Ca、K、Na、Mg、Ti、N、S、P等。原生矿物一、土壤的组成1、土壤矿物质——土壤中原先存在的岩石颗粒，受到不同程度物理和化学风化后形成的硅酸盐（石英、长石、云母等），氧化物（SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3），硫化物(FeS)，磷酸盐如氟磷灰石Ca5(PO4)3F等。11氧化：)()()(35)(21)(),(24442232224aqSiOHsSiOMgsOHOFeOHgOsSiOFeMg水解：)()()(4)(24)(),(24442224aqSiOHsSiOFeaqOHaqMgOHsSiOFeMg岩石化学风化的过程一、土壤的组成酸性水解：)()(4)(),(44224aqSiOHFeMgaqHsSiOFeMg12络合：KOHSiaqOAlCHaqOCsOHOAlAlSiK2)(6)(620)(6)()()(4422424204262一、土壤的组成132．土壤有机质P269土壤有机质是土壤中含碳有机物的总称，是土壤形成的主要标志，土壤肥力的表现。一、土壤的组成土壤有机质的主要来源动植物和微生物残体。非腐殖质（动植物残体、蛋白质、糖类、纤维素、树脂、有机磷、有机氮、有机酸等，约占10%）腐殖质（土壤中特有的有机物，由植物经微生物降解转化而成，不属于有机化学中现有的任何一类。（占85-90%）143．土壤水分•土壤溶质包括：无机胶体、有机胶体、无机盐类、有机化合物、配合物、溶解气体。•土壤水分存在的形式：土壤颗粒表面有很强的粘附力，土壤颗粒吸附的水分称吸着水，几乎不移动，不被植物吸收。外层的膜状水称内聚水或毛细管水，是植物生长的主要水源。一、土壤的组成•土壤水分的意义：土壤水分既是植物营养物的来源，也是污染物向其他圈层迁移的媒介。154．土壤空气特性：有还原性气体（H2S、NH3、H2、CH4）、厌氧细菌和污染物等存在。一、土壤的组成不连续性，存在于土粒间隙之间；湿度更高；大气土壤O221%(v/v)15%CO20.03%0.15%～0.65%16二、土壤的粒级分组与质地分组二、土壤的粒级分组与质地分组1、土壤矿物质的粒级划分为了研究方便，人们按粒径的大小将土粒划分为若干组，称为粒组或粒级。同级土粒的成分和性质基本一样，不同的则有明显差异。17二、土壤的粒级分组与质地分组18一、土壤的组成19二、土壤的粒级分组与质地分组2、粒级的主要矿物成分和理化特性P270同级土粒的成分和性质基本一样，不同的则有明显差异。在较细的土粒中钙、镁、磷、钾等元素含量增加，土粒越细，所含营养成分越多，反之则越少（如表4－3）表4－3不同粒径土粒的化学组成%粒径/mmSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2OP2O51.0~0.293.61.61.20.40.60.80.050.2~0.0494.02.01.20.50.11.50.10.04~0.0189.45.01.50.80.32.30.20.01~0.00274.213.25.11.60.34.20.10.00253.221.513.21.61.04.90.420二、土壤的粒级分组与质地分组表4－421二、土壤的粒级分组与质地分组22二、土壤的粒级分组与质地分组231、土壤胶体的性质（直径1～100nm）胶体表面分子与内部分子所处的状态不同，受到内外部两种不同的引力，因而具有多余的自由能即表面能，这是土壤胶体具有吸附作用的主要原因。比表面积愈大，表面能愈大，胶体的吸附性愈大。三、土壤的吸附性三、土壤的吸附性P272土壤胶体具有极大的比表面积和表面能。例：蒙脱石比表面积最大（600～800m2/g）高岭石最小（7～30m2/g）有机胶体比表面积也较大（～700m2/g）24土壤胶体的电性三、土壤的吸附性界面+++++++++-----------------+++++++-扩散层紧密层+++++++++++-------土壤胶体微粒一般带负电荷，形成一个负离子层（决定电位离子层），其外部由于电性吸引而形成一个正离子层（反离子层或扩散层），即合称双电层。25另一方面土壤溶液中含有阳离子，可以中和负电荷使胶体凝聚，同时由于胶体比表面能很大，为减少表面能，胶体也具有相互吸引、凝聚的趋势。土壤胶体的凝聚性主要取决于其电极电位的大小和扩散层的厚度；此外，土壤溶液中的电解质和pH值也有影响。常见阳离子凝聚力的强弱顺序：33224FeAlCaMgHNHKNa三、土壤的吸附性土壤胶体的凝聚性和分散性由于土壤胶体微粒带负电荷，胶体粒子相互排斥，具有分散性，负电荷越多，负的电动电位越高，分散性越强262、土壤胶体的离子交换吸附P273土壤胶体的阳离子交换吸附（可逆过程）NaCaCaNa2222－土壤胶体土壤胶体三、土壤的吸附性土壤胶体微粒带负电荷，表面可吸附阳离子，可与土壤溶液中另一些阳离子发生交换。27电荷数：离子电荷愈高，阳离子交换能力愈强。影响阳离子交换吸附的因素三、土壤的吸附性离子半径及水化程度：同价离子中离子半径愈大，水化离子半径愈小，交换能力愈强。土壤中一些常见阳离子的交换顺序如下：LiNaKNHRbCsMgCaSrBaHAIFe422223328（cationexchangecapacityCEC）阳离子交换量三、土壤的吸附性CEC表示每千克土中阳离子的总含量，是表示吸附性质的重要指标。单位：厘摩尔/千克土(cmol/kg)测定：原子吸收分光光度法测定。29可交换阳离子致酸阳离子（Al3+、H+）盐基阳离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+等）三、土壤的吸附性土壤的可交换性阳离子有两类：盐基饱和土壤：土壤胶体吸附的阳离子全部是盐基阳离子时，这种土壤称为盐基饱和土壤。30在土壤交换性阳离子中盐基离子所占的百分数称为盐基饱和度：100%阳离子交换量可交换性盐基总量）盐基饱和度（三、土壤的吸附性我国南方多为酸性土壤，是盐基不饱和土壤，北方中性或碱性土壤盐基饱和度都在80%以上，盐基饱和度和交换性离子的有效性密切有关，盐基饱和度愈高，养分有效性愈高，因此盐基饱和度是土壤肥力的指标之一。31土壤胶体的阴离子交换吸附吸附能力很弱的阴离子Cl-、NO3-、NO2-等，只有在极酸性的溶液中才被吸附。三、土壤的吸附性硅酸根柠檬酸根3434242AsOPOOCF3243323NOClSOSCNCOOCHBOHHCO吸附顺序：带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子交换。易被吸附的阴离子是PO43-、H2PO4-、HPO42-等，与带正电荷的土壤胶体中阳离子Ca2+、Fe3+、Al3+等结合生成难溶性化合物而被强烈吸附。32四、土壤的酸碱性1.土壤酸度潜性酸度potentialacidity四、土壤的酸碱性根据土壤中H+存在的形式，土壤酸度可分为两类：活性酸度activityacidity（有效酸度）土壤溶液中氢离子浓度直接反映出来的酸度，通常用pH表示（通常描述土壤性质时表示作土壤pH值）。是由土壤胶体吸附的可代换性H+、Al3+离子造成的。H+、Al3+致酸离子只有通过离子交换作用产生H+才显示酸性，吸附状态是不显酸性的，因此称潜性酸度。33根据测定潜性酸度的提取液不同，可分为代换性酸度水解性酸度代换性酸度：P275用过量的中性盐（KCl、NaCl等)淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中H+、Al3+离子交换：|土壤胶体|—H++KCl→|土壤胶体|—K++HCl|土壤胶体|—Al3++3KCl→|土壤胶体|—3K++AlCl3四、土壤的酸碱性Al(HO)3+3HClH2O34用强碱弱酸盐淋洗土壤，溶液中金属离子可将土壤胶体吸附的H+、Al3+离子代换出来，同时生成弱酸，此时测定该弱酸的酸度称水解性酸度。水解性酸度P275（NaAc+H2OHAc+Na++OH-）|土壤胶体|—Al3+、H++4NaAc|土壤胶体|—4Na++Al(OH)3+4HAc四、土壤的酸碱性35活性酸度和潜性酸度二者的关系一般情况下，潜性酸度远大于活性酸度。二者之比在沙土中达1000，有机质丰富的粘土中高达上万倍。四、土壤的酸碱性活性酸度与潜性酸度是存在于同一平衡体系的两种酸度，二者可以相互转换，一定条件下可处于暂时平衡。活性酸度是土壤酸度的现实表现，土壤胶体是H+Al3+的储存库，因此潜性酸度是活性酸度的储备。362．土壤碱度P276土壤溶液中的OH-离子，主要来源于碱金属和碱土金属的碳酸盐类，即碳酸盐碱度和重碳酸盐碱度的总量称为总碱度，可用滴定法测定。不同碳酸盐和重碳酸盐对碱度的贡献不同：含有CaCO3、MgCO3的石灰性土壤pH7.5-8.5，含有Na2CO3的土壤pH10，含有NaHCO3、Ca(HCO3)2的土pH7.5-8.5四、土壤的酸碱性37土壤胶体上吸附阳离子（Na+、K+、Mg2+）的饱和度增加，可引起交换性阳离子的水解作用：|土壤胶体|—xNa++yH2O→|土壤胶体|—(x-y)Na+、yH++yNaOH结果在土壤溶液中产生NaOH，使土壤呈碱性。如果土壤溶液中存在大量CO2，可生成NaHCO3或Na2CO3，因此吸附Na+多的土壤大多呈碱性。四、土壤的酸碱性38（1）土壤溶液的缓冲作用(pH6.2-7.8）土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸和其它有机酸及其盐类，构成很好的缓冲体系。特别某些有机酸是两性物质，如：蛋白质、氨基酸、胡敏酸等。土壤中碳酸及碳酸盐组成的缓冲对：Na2CO3+2HCl===2NaCl+H2CO3H2CO3+Ca(OH)2===CaCO3+2H2O例：四、土壤的酸碱性3.土壤的缓冲性能P27739NH2NH3ClR-CH+HClR-CHCOOHCOOHNH2NH2R-CH+NaOHR-CH+H2OCOOHCOONa有机酸的缓冲作用：四、土壤的酸碱性40土壤