環(huán)境土壤學(xué)第一章(第1節(jié))

第一部分基礎(chǔ)知識(shí)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(chóng)、線蟲(chóng)、節(jié)肢動(dòng)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(dòng)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(guò)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。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6.5～7。

富含鐵，易分解，為土壤提供鐵、鎂等養(yǎng)分。

孔雀石[Cu2(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(jiàn)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[Ca(Mg,Fe)Si2O6]：

綠黑色,短柱狀或近似粒狀,硬度5～6,玻璃光澤;

易風(fēng)化，為土壤提供鈣、鐵、鎂等養(yǎng)分。

角閃石[Ca(Mg,Fe)Si4O12]：

黑綠色，長(zhǎng)柱狀或近似細(xì)長(zhǎng)條狀，硬度5～6，玻璃光澤；

易風(fēng)化，為土壤提供鈣、鐵、鎂等養(yǎng)分。

白云母(KH2Al3Si3O12)：

無(wú)色，片狀，具彈性，硬度2～3，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[KH2(Mg,Fe)3AlSi3O12]：

黑色，片狀，具彈性，硬度2～3，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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiàn)的原生礦物還包括磷鐵礦、鈦鐵礦(氧化物類)，黃鐵礦、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(zhǎng)石(KAlSi3O8)：

鉀長(zhǎng)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(zhǎng)石＞鈣長(zhǎng)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)原生礦物橄欖石類輝石、角閃石類云母類長(zhǎng)石類其他……次生粘土礦物（層狀硅酸鹽礦物）高嶺（土）組（1:1型）蒙脫（土）組（2:1型）伊利組（2:1型）蛭石類礦物（2:1型）綠泥石類礦物（2:1:1型）氧化物氧化鐵氧化鋁水鋁英石次生礦物次生粘土礦物2（層狀硅酸鹽礦物）硅氧四面體硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)造單元。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)成的配陰離子[SiO4]4-，因周?chē)乃膫€(gè)氧原子分布成配位四面體的形式，故名。在晶體結(jié)構(gòu)中，各硅氧四面體可以各自孤立地存在，也可以通過(guò)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，從而形成不同結(jié)構(gòu)類型的硅酸鹽晶體。鋁氧八面體層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)造單元之一。鋁（Al3+）或鎂（Mg2+）離子距離穩(wěn)定地配上六個(gè)氧（O2-）或OH-，三個(gè)在上，三個(gè)在下，相互錯(cuò)開(kāi)作最緊密的堆積，配位形成八面體的形式。2:1型層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)1:1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；分子式：(OH)8Al4Si4O10。從式中可見(jiàn)，典型高嶺石的SiO2/R2O3分子比率為2；電荷為零；無(wú)或很少的同晶替代，顏色純凈灰白，顆粒細(xì)?。籧軸間距為70nm。1、高嶺石（Kaolinite)1:1型層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)高嶺石2、蒙脫石（Montmori)2:1型礦物，屬于脹縮型礦物；分子式：(OH)4Al4Si8O20。從式中可見(jiàn)典型蒙脫組礦物的SiO2/R2O3分子比率為4；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）；c軸間距：收縮時(shí)為140nm，膨脹時(shí)為200nm；晶層之間容易脹縮，晶層更容易分開(kāi)，顆粒更微小。2:1型層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)3、伊利石（Illite）2:1型礦物，屬于非脹縮型礦物；分子式：(OH)4Al4Si8O20；同晶替代：K1.33Al4(Si6.67Al1.33)O20(OH)4同晶替代現(xiàn)象主要以Al3+代Si4+(發(fā)生在硅氧片中)；存在補(bǔ)償離子K+；在我國(guó)分布最為廣泛的次生礦物；c軸間距為100nm。4、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2:1:1型礦物，是過(guò)渡型礦物。分子式：(Mg·Fe·Al)12(SiAl)8O20(OH)16由2:1型云母晶層和一層氫氧化物間層規(guī)則地相間。過(guò)渡性：多在環(huán)境不穩(wěn)定狀態(tài)下存在酸性條件下：八面體被中和形成2:1型礦物堿性條件下：脫水形成1:1型礦物晶層間距為140nm2:1:1型（2:2型）層狀硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)氧化物3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(jiǎn)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(wú)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(guò)徹底風(fēng)化作用和成土作用形成的。1、氧化鐵Fe3+Fe(OH)3α-Fe2O3α-FeOOHFe(OH)2γ-FeOOHγ-Fe2O3Fe2+Fe3O4OH--高溫老化失水低pH、緩慢沉淀老化OH--〔O〕緩慢氧化脫水〔O〕〔O〕2、氧化鋁土壤中常見(jiàn)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(wú)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，但排列沒(méi)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+H2OHKAl4Si6O16+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(guò)程：Al2Si2O5(

OH)4Al(OH)3+Si(OH)4+Fe(OH)3整個(gè)過(guò)程稱為脫硅富鋁化過(guò)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)律根據(jù)我國(guó)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(guó)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(rùn)土：很強(qiáng)反映活性，吸濕膨脹性和巨大的陽(yáng)離子交換量。改性可提高對(duì)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?；瘜W(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(guò)礦物質(zhì)活性基團(tuán)多一、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=25~30/1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、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(dòng)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(guò)濾酸化過(guò)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、-COOHHA：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(guò)程：CO2、H2O、NH3、SO2 腐殖過(guò)程：腐殖質(zhì)1、主要的礦質(zhì)化反應(yīng)不含氮有機(jī)物質(zhì)的化解三、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ATPH3PO4三、腐殖物質(zhì)的形成2、腐殖化過(guò)程的經(jīng)典反應(yīng)途徑(1)(2)三、腐殖物質(zhì)的形成(3)(4)三、腐殖物質(zhì)的形成3、反應(yīng)條件