4章土壤环境化学-吉林东华教育集团—欢迎您的光临

第四章土壤环境化学(SoilEnvironmentalChemistry)教学内容１、土壤的组成与性质;２、重金属在土壤—植物体系中的迁移及其作用机制；３、主要农药在土壤中的迁移、转化和归趋。教学要求掌握土壤的组成与性质，土壤的粒级与质地分组特性。了解污染物在土壤-植物体系中迁移的特点、影响因素及作用机制。掌握土壤的吸附、酸碱和氧化还原特性。了解主要农药在土壤中的迁移原理与主要影响因素。掌握造成土壤污染的主要原因、危害及防治措施。引言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。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。全球范围的土壤环境问题(EnvironmentalProbleminSoil)土壤酸化、盐碱化、土壤污染土壤沙漠化（石漠化）陆地植被破坏水土流失第一节土壤的组成和性质土壤（Soil）土壤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，被称为土壤圈。土壤圈是处于大气圈、岩石圈、水圈和生物图之间的过渡地带，是联系有机界和无机界的中心环节。成土因素综合作用的不同，产生出多种类型的土壤。第一节土壤的组成和性质土壤的基本环境机能（1）培育植物（2）推动物质循环（3）保存水资源（4）防止灾害（5）自净能力第一节土壤的组成和性质一、土壤组成（SoilConstitution）固相（土壤矿物质、土壤有机质）液相（水分及水溶物）气相（空气）土壤中还有数量众多的细菌和微生物，一般作为土壤有机物而视为土壤固相物质。第一节土壤的组成和性质土壤中固、液、气相结构图第一节土壤的组成和性质典型土壤随深度呈现不同的层次覆盖层(A0)——由地面上的枯枝落叶所构成。淋溶层(A)——是土壤中生物最活跃的一层，土壤有机质大部分在这一层，金属离子和粘上颗粒在此层中被淋浴得最显著。淀积层(B)——它受纳来自上一层淋溶出来约有机物、盐类和粘土颗粒类物质。母质层(C)——是由风化的成土母岩构成。基岩——常用D层表示。第一节土壤的组成和性质1．土壤矿物质(MineralsinSoil)土壤矿物质是岩石经过物理风化和化学风化形成的。按成因类型分类：原生矿物:各种岩石受到程度不同的物理风化而未经化学风化的碎屑物，其原来的化学组成和结晶构造都没有改变。次生矿物:大多数是由原生矿物经化学风化后形成的新矿物，其化学组成和晶体结构都有所改变。第一节土壤的组成和性质（1）原生矿物主要四类——硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、硫化物类矿物、磷酸盐类矿物。（2）次生矿物分为三类——简单盐类、三氧化物类、次生铝硅酸盐类。第一节土壤的组成和性质2、土壤有机质(SoilOrganicMatter，SOM)作用：土壤有机质是土壤形成的主要标志，土壤肥力的表现，土壤中含碳有机物的总称。分类：两大类，一类是组成有机体的各种有机化合物，称为非腐殖物质，如蛋白质、糖类、树脂、有机酸等；另一类是称为腐殖质类有机化合物，它不属于有机化学中现有的任何一类，它包括腐殖酸、富里酸和腐黑物等。第一节土壤的组成和性质3．土壤水分(WaterinSoil)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。土壤水分存在的形式：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。第一节土壤的组成和性质吸着水和内聚水关系图解第一节土壤的组成和性质4．土壤空气(AtmosphereinSoil)特性：(1)不连续性，存在于土粒间隙之间；(2)湿度更高；(3)O2少，CO2多，有机质腐烂分解；(4)有还原性气体（H2S、NH3、H2、CH4）、厌氧细菌和污染物等存在。第一节土壤的组成和性质二、土壤的粒级分组与质地分组1、土壤矿物质的粒级划分土壤矿物质是以大小不同的颗粒状态存在的。不同粒径的土壤矿物质颗粒(即土粒)，其性质和成分郡不一样。我国土壤粒级划分标准为五级：石块、石砾、砂砾、粉粒、黏粒。第一节土壤的组成和性质２、各粒级的主要矿物成分和理化特性（1）石块和石砾——多为岩石碎块。其孔隙过大，水和养分易流失。（2）砂砾——主要为原生矿物。孔隙大，通气和透水性强，保水保肥能力弱，营养元素含量少。（3）粉粒——原生和次生矿物的混合体。团聚、胶结性差，分散性强，保水保肥能力较好。（4）黏粒——主要为次生矿物。营养元素含量丰富，团聚能力较强，有良好的保水保肥能力，但通气和透水性较差。第一节土壤的组成和性质3、土壤质地分类及其特性由不同的粒级混合在一起所表现出来的土壤粗细状况，称土壤质地。我国土壤质地分类标准分为三组：砂土组、两合土组（壤土）、黏土。壤土兼有砂土和黏土的优点，克服了两者的缺点，是最理想的土壤质地。第一节土壤的组成和性质三、土壤吸附性土壤中活跃的组分：土壤胶体和土壤微生物。它们对污染物在土壤中的迁移、转化有重要作用。土壤胶体以其巨大的比表面积和带电性，而使土壤具有吸附性。第一节土壤的组成和性质1．土壤胶体的性质（直径1-100nm）（１）土壤胶体具有极大的比表面积和表面能比表面：单位重量（或体积）物质的表面积。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。第一节土壤的组成和性质（２）土壤胶体的电性(ColloidsofSoil)土壤胶体微粒内部一般带负电荷，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），即称双电层。第一节土壤的组成和性质（３）土壤胶体的凝聚性和分散性由于胶体的比表面和表面能都很大，为减小表面能，胶体具有相互吸引、凝聚的趋势，这就是胶体的凝聚性。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，相互排斥力越强，分散性也越强；土壤胶体的凝聚性主要取决于其电动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。第一节土壤的组成和性质2、土壤胶体的离子交换吸附离子交换：土壤胶体扩散层中的补偿离子，可以和溶液中相同电荷的离子以离子价为依据作等价交换。离子交换作用包括阳离子交换吸附和阴离子交换吸附。第一节土壤的组成和性质（1）土壤胶体的阳离子交换吸附（可逆过程）土壤胶体吸附的阳离子，可与土壤溶液中的阳离子以离子价为依据进行等价交换，各种阳离子交换能力的强弱，主要依赖于以下因素:①电荷数:离子电荷数越高，阳离子交换能力越强。②离子半径及水化程度：同价离子中，离子半径越大，水化离子半径就越小，因而具有较强的交换能力。③土壤第一节土壤的组成和性质不同土壤的阳离子交换量不同：（1）不同种类的胶体的阳离子交换量顺序有机胶体蒙脱石水化云母高岭土水合氧化铁、铝（2）土壤质地越细，阳离子交换量越高；（3）土壤胶体中SiO2/R2O3比值越大，阳离子交换量越高；（4）pH值下降，阳离子交换量降低。第一节土壤的组成和性质阳离子交换量（CationExchangeCapacity,CEC）CEC表示每千克干土中所含全部阳离子的总量，是表示土壤吸附性质的重要指标。单位：厘摩尔/每千克土(cmol/kg)测定：用Ca2+作指示剂，Ba2+作萃取剂，原子吸收分光光度法测定。第一节土壤的组成和性质致酸离子：Al3+、H+。可交换性阳离子盐基离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等。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。第一节土壤的组成和性质（2）土壤胶体的阴离子交换吸附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。吸附顺序：F-C2O42-柠檬酸根PO43-HCO3-H2BO3-Ac-SCN-SO42-Cl-NO3-第一节土壤的组成和性质四、土壤的酸碱性(Acidity-AlkalinityofSoil)1、土壤酸度(AcidityofSoil)根据土壤中H+存在的形式：活性酸度（或有效酸度）（ActivityAcidity）：土壤溶液中氢离子浓度的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）潜性酸度（PotentialAcidity）：代换性酸度水解性酸度是由土壤胶体吸附的可代换性H+、Al3+离子造成的。第一节土壤的组成和性质（1）代换性酸度用过量中性盐（KCl、NaCl等)溶液淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中H+、Al3+发生离子交换作用：|土壤胶体|-H++KCl→|土壤胶体|-K++HCl|土壤胶体|-Al3++3KCl→|土壤胶体|-3K++AlCl3AlCl3+H2O→Al(OH)3+3H第一节土壤的组成和性质（2）水解性酸度用弱酸强碱盐淋洗土壤，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（醋酸），此时所测定出的该弱酸的酸度称水解性酸度。（NaAc+H2O→HAc+Na++OH-）|土壤胶体|-Al3+、H++4NaAc→|土壤胶体|-4Na++Al(OH)3+4HAc代换性酸度只是水解性酸度的一部分，因此水解性酸度高于代换性酸度。第一节土壤的组成和性质（3）活性酸度和潜性酸度的关系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。第一节土壤的组成和性质2、土壤碱度(AlkalinityofSoil)土壤溶液中的OH-离子，主要来源于碱金属(Na、K)和碱土金属(Ca、Mg)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。当土壤胶体上吸附的Na+、K+、Mg2+(主要是Na+)等离子的饱和度增加到一定程度时，会引起交换性阳离子的水解作用，结果在土壤溶液中产生NaOH，使土壤呈碱性。此时Na+离子饱和度亦称为土壤碱化度。第一节土壤的组成和性质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。此时Na+离子饱和度亦称为土壤碱化度。第一节土壤的组成和性质3、土壤的缓冲作用(BufferActionofSoil)土壤缓冲性能是指土壤具有缓和其酸碱度发生激烈变化的能力，它可以保持土壤反应的相对稳定，为植物生长和土壤生物的活动创造比较稳定的生活环境，所以土壤的缓冲性能是土壤的重要性质之一。第一节土壤的组成和性质（1）土壤溶液的缓冲作用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。如：碳酸及其钠盐的缓冲作用当加入盐酸时，碳酸钠与它作用，生成中性盐和碳酸，大大抑制了土壤酸度的提高。Na2CO3+2HCL=2NaCL+H2CO3当加大Ca(OH)2时，碳酸与它作用，生成溶解度较小的碳酸钙，限制了土壤碱度。H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2O第一节土壤的组成和性质又如：土壤中的某些有机酸(如氨基酸、胡敏酸等)是两性物质，具有缓冲作用，如氨基酸含氨基和羧基可分别中和酸和碱，从而对酸和碱都具有缓冲能力。R-CH(NH2)(COOH)+HCL=R-CH(NH3CL)(COOH)R-CH(NH2)(COOH)+NaOH=R-CH(NH2)(COONa)+H2O第一节土壤的组成和性质（2）土壤胶体的缓冲作用(BufferActionofColloidsofSoil)土壤胶体中存在有各种代换性阳离子①对酸的缓冲作用：土壤胶体|-M＋+HCl→土壤胶体|-H＋+MCl②对碱的缓冲作用：土壤胶体|-H＋+MOH→土壤胶体|-M＋+H2O土壤胶体的数量和盐基代换量越大，土壤的缓冲能力越强；代换