土壤环境地球化学概论ppt课件.ppt

第三章 土壤环境地球化学,你想过www吗？ what is this soil? www: where is this soil? why is this soil? Soil sciene tell you 3w!,如果没有土，世界将会怎么样？如果没有土， 明天将会怎么样？,Whats the soil?!,How to use the soil?,第一节 土壤在人类农业和生态系统中的重要性,土壤是植物生长繁育和生物生产的基地土壤是陆地生态系统的重要组成部分土壤是最珍贵的自然资源土壤资源是可持续农业的基础,一、土壤是植物生长繁育和生物生产的基地在人类赖以生存的物质生活中，人类消耗的约80以上的热量，75以上的蛋白质和大部分的纤维都直接来源自土壤。,土壤的重要性,民以食为天，食以土为本！,土壤在植物生长中的特殊作用*,2、养分转化和循环作用,3、雨水涵养作用,4、生物的支撑作用,5、稳定和缓冲环境变化的作用,1、营养库的作用,一、土壤养分,1、土壤养分：由土壤提供的植物生长所必须的营养元素。,2、土壤养分分类 ： 大量元素和微量元素 大量元素、中量元素和微量元素,目前 国内外公认的高等植物所必需的营养元素有16 种。它们是碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、硼、锰、铜、锌、鉬、氯。 镍,Mn,B,Fe,S,N,C,O,H,Ca,K,P,Cu,Cl,Zn,Mg,Mo,必需营养元素,Ni,镍：1987年，P. H. Brown等,必需营养元素的分组,必需营养元素的分组,二、土壤养分来源,三、土壤养分形态,1、水溶态养分：土壤溶液中溶解的离子和少量的低分子有机化合物 2、代换态养分：是水溶态养分的来源之一 3、矿物态养分：大多数是难溶性养分，有少量是弱酸溶性的（对植物有效）4、有机态养分：矿质化过程的难易强度不同, 根据在土壤中存在的化学形态分为：, 根据植物对营养元素吸收利用的难易程度分为：, 速效养分：不经转化就可被植物直接吸收利用的养分 迟效养分：不能直接利用，只有经分解转化为速效态才能被植物利用的养分,三、土壤养分形态,1、水溶态养分：土壤溶液中溶解的离子和少量的低分子有机化合物 2、代换态养分：是水溶态养分的来源之一 3、矿物态养分：大多数是难溶性养分，有少量是弱酸溶性的（对植物有效）4、有机态养分：矿质化过程的难易强度不同, 根据在土壤中存在的化学形态分为：, 根据植物对营养元素吸收利用的难易程度分为：, 速效养分：不经转化就可被植物直接吸收利用的养分 迟效养分：不能直接利用，只有经分解转化为速效态才能被植物利用的养分,四、土壤养分的有关概念, 有效养分能够直接或经过转化被植物吸收利用的 土壤养分, 速效养分在作物生长季节内，能够直接、迅速为 植物吸收利用的土壤养分。迟效（缓效）养分, 无效养分不能被植物吸收利用的土壤养分。, 土壤养分状况是指土壤养分的含量、组成、形态 分布和有效性的高低。,五、土壤养分转化与消耗,1、养分形态的转化 养分的有效化过程 养分的固定过程。 2、养分的消耗 土壤内部复杂的转化过程； 植物吸收利用； 损失：淋失；气态损失；侵蚀流失；人为活动引起的损失；,第二节 土壤中的大量元素, 氮素是构成一切生命体的重要元素 在植物生产中，植物对氮的需要量较大: 肥料三要素 氮素肥料施用过剩会造成江湖水体富营养化、地下水硝态氮（NO3-N)积累及毒害等。,一、土壤中的氮,1、土壤中氮的来源：生物固氮、降水、灌溉、施肥等 土壤氮素的60%来自生物固氮。三叶草固氮量45670 KgN/ha/a。固氮的树木80500 KgN/ha/a 降水带入氮素1020 KgN/ha/a，据测定在温带随降水进入土壤的NO3-和NH4+约为15.0kg/公顷/年,（一）土壤中氮的来源和含量,2有机态氮,土壤中的氮主要以有机态为主，一般可占全氮量的95%以上。按其溶解度和水解难易程度可分为以下三类：,（3）非水解性有机氮(不溶于水，用酸、碱处理不水解 ),杂环态氮化物 糖与铵的缩合物 铵或蛋白质与木质素类物质作用形成复合物。,（三）土壤中氮的转化,（1）有机态氮的氨化：（2）NH4+N的硝化：旱地通气条件下，铵态氮转化为硝态氮。（3）NO3-N的反硝化：通气不良情况下，硝态氮转化为 N2、N2O等，是土壤氮素的损失过程。（4）无机态氮的生物固定（5）无机态氮的晶格固定与释放、吸附与解吸,表3-8 化肥氮在冬小麦季的去向Table 3-8 The fate of nitrogen fertilizer in winter wheat season,氨挥发：小麦：1-7%，玉米：2-8.5%,土壤氮素转化过程与氮素循环示意图,（四）土壤中氮的有效性,（1）、土壤全氮：凯氏消煮（2）、剖面无机氮：0100 cm 的NO3-N + NH4-N 40 mg/kg （Nmin）（3）、土壤碱解氮：1mol/L NaOH 120 mg/kg, 土壤诊断-土壤氮素丰缺指标,（化学分析方法）, 土壤中磷的主要来源于矿物质，在长期的风化和成土过程中，经过生物的积累而逐渐聚积到土壤的上层 土壤有机质 开垦后，则主要来源于施用磷肥,1、土壤中磷的来源：,（一）土壤中磷的来源和含量,2、土壤中磷的含量：,我国大多数土壤表层（0-20cm）的含磷量变动在0.04%-0.25%之间，不同土壤类型变幅很大。, 全磷含量虽然受人为因素的影响变幅很大，但由于土壤磷的迁移率小，因而仍表现出明显的地带性分布规律,二、土壤中的磷,从总体看，我国自南而北或自东而西土壤含磷量呈递增趋势。以华南的砖红壤含磷量最低，东北的黑土、黑钙土和内蒙的栗钙土含磷量最高，华中的红、黄壤以及华北的褐土、棕壤介于以上二者之间。（耕作施肥影响）,（二）土壤中磷的形态,1土壤中的有机磷化合物（简称有机磷）,土壤磷素可分为两大类：有机态磷和无机态磷,一般有机磷含量约占全磷量的10%25%在侵蚀严重的红壤中不足10%，而东北地区的黑土有机磷的含量较高，可达70%以上。粘质土有机磷含量比砂质土高,2无机磷化合物（ 用P表示）,（1）磷酸钙（镁）类化合物（CaP ）,磷酸一钙Ca(H2PO4)2 磷酸二钙CaHPO4磷酸三钙Ca3(PO4)2磷酸八钙Ca8(PO4)65H2O磷酸十钙Ca10(PO4)6(OH)2羟基磷灰石Ca5(PO4)3OH磷灰石Ca5(PO4)3F、,它们是石灰性或钙质土壤中磷酸盐的主要形态,（2）磷酸铁和磷酸铝化合物（FeP, AlP）,在酸性土壤中常见主要有粉红磷铁矿Fe(OH)2H2PO4、磷铝石Al(OH)2H2PO4，它们溶解度极小。在水稻土和沼泽土中，常有蓝铁矿Fe3(PO4)28H2O，绿铁矿Fe3(PO4)2Fe(OH)2存在。, 风化程度较高的南方砖红壤、红壤中，以OP占的比重最大，最高可达90%以上，其次是FeP, AlP; CaP很少。 风化程度较低的北方石灰性土壤中，CaP所占比例大，约在60%以上，其次是OP; AlP和FeP极少。,我国主要土壤类型中，一般分布有以下规律：,（三）土壤中磷的转化,（2）无机磷的生物化学固定：(磷的固定) 易溶性或速效态磷酸盐转化为难溶性迟效态和缓效态的过程，通常称之为磷的固定。 吸附固定：非专性吸附、专性吸附 化学沉淀：,（1）有机态磷的矿化：,（3）无机态磷的生物固定（4）难溶性磷的释放,活化,菌根菌,根,土壤难溶性无机磷释放的途径,可溶性磷,50-80%,酸化,螯合,酸化,螯合,有机肥带入的微生物,分泌物,解磷菌,生理酸性肥料,CO2,（四）土壤中磷的有效性,土壤中能直接或经转化为植物所利用的磷，称为有效磷。土壤中有效磷的形态主要有： 1）土壤溶液中的磷酸根离子；2）包含在有机物中并较易分解的P；3）磷酸盐固相矿物中溶解的磷酸根离子； 4）交换吸附态磷酸根离子。,就有效P数量而言，以2）、3）两种形态最重要。在培肥较好的土壤中，有机P的重要性更大。而在一般土壤中，则以磷酸盐固相所释放出的P为主。,速效态磷,土壤有效磷含量分级指标（0.5 M NaHCO3 浸提), 土壤诊断土壤磷素丰缺指标,3-7mg/kg,华北土壤：,15 mg/kg,森林土壤：,变幅大：10-200mg/kg 一般土壤：50 mg/kg 基本满足生长发育需要阔叶树、杉木：10-15 mg/kg,三、土壤中的钾,三要素品质元素限制因素,（一）土壤中钾的来源和含量,岩石矿物风化施肥,1、土壤中钾的来源：,2、土壤中钾的含量：,（一）土壤中钾的来源和含量,0.52.5% K2O 平均为1.2% K2O,我国自南向北含钾量是逐渐增加的趋势 华南地区，其平均水平 2% 河北：1.92% 135和150mg/kg 东北、内蒙的黑土可达2.6%, 这主要是和地区的风化、成土条件、淋失状况等因素有关,（二）土壤中钾的形态,土体里的钾完全是矿质态的，没有有机态。钾在土壤里的形态有以下几种：,3非交换性钾,是存在于层状硅酸盐矿物层间和颗粒边缘上的 K，即那些处在强吸附点上不能为上述盐溶液在短时间内提取的 K。（直接贮备库）也称缓效态 K。,4矿物态钾,又称难溶性钾，指含钾原生矿物，如长石、云母中钾，不溶于水，不易被溶液中的阳离子所代换，有效性低。（潜在储备）也称无效态 K。,（三）土壤中钾的转化,钾的固定,释放、固定、吸收、流失,钾的固定：水溶性钾或交换性钾进入粘土矿物晶层而被固定有效性降低的过程 ,P,e,i,钾的固定,第三节 土壤中的微量元素,微量元素：铁、锰、铜、锌、钼、硼、氯,（四）土壤中钾的有效性,80-100 mg/kg,（1）、土壤速效钾(醋酸铵浸提火焰光度计) （2）、缓效钾：硝酸消煮（供应潜力）,一、土壤中微量元素的来源及含量,1、土壤中微量元素的来源 土壤中微量元素主要来自岩石和矿物,（1）水溶态 一般含量很低。,（2）代换态 一般土壤中交换态微量元素含量不高，少的不足1g/g，多的可达几十g/g。,（3）专性吸附态 Cu 2+、Zn 2+、MoO42-、H4BO4-。,（4）有机结合态的微量元素 与土壤中的胡敏酸和富里酸形成的络合物。,（5）铁、锰氧化物包被态 钼+铁（近于矿物态）。,二、土壤中微量元素的形态,（6）矿物态 指存在于矿物晶格中的微量元素。但大多数矿物的溶解度都很低。,元素,极低,低,中,丰,高,B, 0.25,0.25,-,0.5,0.5,-,1.0,1.0,-,2.0,2.0,Cu, 0.,1,0.1,-,0.2,0.2,-,1.0,1.0,-,1.8,1.8,Fe, 2.5,2.5,-,4.5,4.5,-,10,10,-,20,20,Mn, 5.0,5,-,10,10,-,20,20-,30,30,Zn, 0.5,0.5,-,1.0,1.0,-,2.0,2.0,-,5.0,5.0,微量元素丰缺标准 （单位 mg/kg）,土壤中微量元素的全量并不能表征对植物是否充足，而微量元素的有效形态则与植物生长关系更为密切。,缺乏临界值,DTPA浸提,土壤微量元素的形态、临界值及本省缺乏状况,H 3.3草酸草酸铵,四、影响微量元素有效性的因素,在土壤正常的pH变幅内，对于阳离子型的微量元素（Fe、Mn、Cu、Zn）其溶解度随pH的下降而增大，有效度也随之增大。而对于阴离子型的微量元素如Mo，则相反。,1土壤的酸碱度, 强酸性土壤中，Fe、Mn、Cu、Zn有时会超出植物的忍耐范围，产生毒害。pH值升高，土壤的固定作用增强, 石灰性土壤，pH较高，CaCO3对微量元素的固定作用强，所以植物易于缺乏微量元素，如Fe、Mn、Cu、Zn、B，单施效果差，,可以施用络合态微量元素或叶面喷施,2土壤氧化还原状况,土壤的氧化还原状况主要影响那些具有多种化合价的元素，如Fe、Mn、Cu 随着土壤的氧化还原电位降低，土壤中还原态的物 质增多，如还原态Fe、Mn的含量增加；,3有机质和微生物的活动,有机物络合，如泥炭对铜、锌的固定；生物固定 。,4固定作用,过量施用化学磷肥，可以导致一部分有效性的Fe、Mn、Cu、Zn等与磷酸根作用，形成沉淀。,第四节 土壤和植物的营养诊断,一、土壤和植物营养诊断的概念和原理,浓度：指单位植物干物质中某一特定元素的量（w/w），含量：指特定植物干物质总量中某养分的量(w/plant organ)。因此，浓度是与植株大小没有关系的强度指标，而含量是一个依存于植株大小的容量指标。,含量 = 浓度*干重总量,1.养分组成的表示,2. 诊断的基本原理,植物生长、养分浓度和养分含量与养分供应之间关系,三个植物营养状态：养分缺乏、奢侈消耗和毒害,稀释效应,在进行植物的培养试验时，通过植物分析常可发现，当提高一种限制性养分的供应量，并使得植物生长量增加时，常会降低其它非限制性营养元素在植物组织中的浓度，即所谓的“稀释效应”,二、 营养诊断的应用,土壤养分分析法 用土壤养分含量多少来反映林木的营养状况具有很大的实用价值，形态症状分诊断法 当某一元素供应失调时，必然会影响某些功能正常发挥或器官的正常生长，植物的外观就会表现出特定的症状。 植物组织分析法 分析测定植物组织中某一营养元素的含量。有组织汁液速测和全量分析两种。,1.营养诊断的方法,（1）施肥 根据评定土壤养分供应状况的要求，一般土壤测定的主要项目是：土壤全氮、土壤水解性氮(即有效氮)、速效磷、速效钾和土壤腐殖质，其他土壤养分及化学性质则视情况而定 （2）植物缺素症,2. 营养诊断的应用,土壤的重要性,二、土壤是陆地生态系统的重要组成部分,土壤在陆地生态系统中起着极重要作用：保持生物活性，多样性和生产性；对水体和溶质流动起调节作用；对有机、无机污染物具有过滤、缓冲、降解、固定和解毒作用；具有贮存并循环生物圈及地表的养分和其它元素的功能。,土壤是地球陆地生态系统的基础,植物生产和动物生产都直接或间接以土壤为基地而实现，因此对土壤进行合理利用、科学管理，是保证动植物正常生产的前提。 （1）科学规划，宜农则农，宜林则林，宜牧则牧。 （2）用地和养地相结合（科学施肥，灌溉），促进农业持续发展。 （3）植物生产动物生产废弃物堆肥培肥土壤。,土壤的重要性,三、土壤管理是植物生产和动物生产的基础,土壤作为资源，不同于煤、石油、金属矿产等资源，只要开垦得当，用之得宜，具有一定的可再生能力，越种则土壤肥力越高。但如果土壤被占用，如修路、筑房等，则土壤的再生作用就会永远消失，不再是农业最基本的生产资料。,土壤的重要性,四、土壤是具有再生作用的自然资源,五、土壤是最珍贵的自然资源,1、土壤资源的相对不可再生性 土壤资源与光、热、水、气资源一样被称之为可再生资源。但从其自然属性来看又是不可再生的，是有限的自然资源。,土壤的重要性,2、土壤资源数量的有限性 土壤形成的时间长 土地被占用的面积逐渐扩大 土地退化日趋严重 人口剧增,3、土壤资源质量的可变性 土壤肥力在物质循环和平衡中不断获得发育和提高 高强度、无休止的向土壤索取，土壤肥力将逐渐下降和破坏,4、土壤资源空间分布上的固定性 覆盖在地球表面各种不同类型的土壤，在地面空间位置上有相对的固定性，在不同生物气候带内分布着不同的地带性土壤（如东部沿海地区从温带至热带森林土壤分布呈现有规律的更替：棕壤黄棕壤红壤、黄壤赤红壤砖红壤）土壤资源的空间分布还受区域性地形、母质、水文、地质等条件的影响。人类的耕作活动也改变了土壤的性状，从而影响土壤的空间分布。,我国土壤资源丰富,国土面积 960万km2,但是我国是个多山的国家,各种山地丘陵地面积占全部土地面积的65,平原区土地仅占35。我国人均耕地面积为0.13hm2 , 不到世界人均耕地的l3。人均林地面积0.11hm2 , 占世界人均林地面积的19。人均草地面0.28hm2 , 不到世界人均草地面积的12。,我国土壤退化概况,据统计，我国目前水土流失面积达367万km2，占国土总面积的38.2%。其中水蚀面积已发展至 179.4万km2,占国土面积的 18.6，每年流失表土约 60亿t。耕地中有667万800万hm2，已发生次生盐化，有1.0亿hm2 草地退化。我国现已有重金属污染耕地 2000万hm2，农药污染耕地 1300万1600万hm2，受酸雨危害的耕地达 267万hm2。,土壤的可持续利用是持续农业的基础,我国要跨进可持续发展的“大门”还需要：30-50年？,短期内不可逆转的趋势： 1、耕地减少不可逆转； 2、人口增长不可逆转； 3、消费水平的提高不可逆转；,可持续发展的条件： 人口的零或负增长 （中国每年净增人口1000万） 资源破坏的零或负增长 （中国每年减少土地300万亩） 生态环境恶化的零或负增长 （中国荒漠化速度2620km2/年）,六、土壤是一个独立的自然历史体,土壤不仅是具有一定的物质组成、形态特征、结构功能的物质实体，而且具有自身发生发展、长期演变的历史过程。它是一个独立的自然历史体。土壤在自然界并不是孤立存在的，处于大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的交界面上，与大气、水分、生物及岩石共同处于永恒的交互作用之中。,第二节 土壤目前的环境问题：,1、生态破坏问题：土壤退化、土壤侵蚀、水土流失、沙漠化和荒漠化等；,2、环境污染问题：农药、化肥的投入；污水灌溉；“三废”堆弃等，造成土壤污染事件的发生；,土地沙化、荒漠化和沙尘暴,土地沙漠化已成为世界性灾难。全世界沙漠和沙漠化土地已有4500多万平方公里，沙漠化土地每年还以5至7万平方公里的速度在扩大，全世界有10亿人口的生产、生活直接受沙漠威胁，2/3的国家和地区饱尝土壤沙化之苦。土壤沙化已被列为当今世界十大环境问题之首。,1. 沙漠化： 非洲的北部，5600公里长、宽2000公里，总面积945万平方公里的浩瀚沙漠，这就是撒哈拉大沙漠。,2.荒漠化： 干旱、半干旱和湿润、半湿润地区，由于气候变化或人类活动造成的土地退化。,原因： 过渡放牧和不适当的旱作农业； 大量砍伐森林。,拉丁美洲的亚马逊河流域，20世纪60年代开始的大规模“垦荒运动”，有些地方现已成为不毛之地；,3.沙尘暴： 前苏联的黑风暴事件。十万拓荒者在哈萨克斯坦北部，俄罗斯东部，开垦了4000万公顷土地；到了1963年，干旱的春天发生了沙尘暴，300万公顷的作物由于干旱全部损失掉。 美国1934年的黑风暴事件。,美国1934年的沙尘暴,我国的实例： 我国是世界上受荒漠化危害最严重的国家之一。黄河流域大片丰沃的森林与良田成为风沙迷漫的高原荒地；著名的丝绸之路等等； 到1993年，全国荒漠化土地面积已达332.7万平方公里，超过国土总面积的1/3。我国荒漠化最严重的地区在西北部的新疆、甘肃、青海、内蒙、宁夏等省和自治区，尤其是半干旱地带的农牧交错区和草原上开垦的干旱农业区。,我国的沙尘暴,1993年5月5日，甘肃省金昌市遭受特大沙尘暴，黑风过境时，能见度为零米，风速32米/秒。这次特大沙尘暴横扫我国西北110万平方公里、72个县市、1200万人口。据统计，共夺去了80多人的生命，资产损失近10亿元。,我国沙尘暴的分布,金昌沙尘暴,沙尘笼罩的北大校园,沙尘暴来了,第三节 土壤污染的概念,一、土壤背景值,土壤背景值在理论上应该是土壤在自然成土过程中，构成土壤自身的化学元素的组成和含量。即未受人类活动影响的土壤本身的化学元素组成和含量。,即严格按照土壤背景值研究方法所获得的尽可能不受或少受人类活动影响的土壤化学元素的原始含量。,判断土壤是否受到污染或污染程度的标准。土壤背景值又称土壤本底值，它代表一定环境单元中的一个统计量的特征值。背景值（地质学）：指在各区域正常地质地理条件和地球化学条件下元素在各类自然体中的正常含量。环境科学上：指在未受或少受人类影响的情况下，尚未受或少受污染和破坏的土壤中元素的含量。不同土壤的本底值相差很大,不受污染的净土或者还有？,全国土壤(A层)背景值 单位：g/kg,A层指土壤表层或耕层。,土壤背景值的表达方法：算术平均值算术平均值标准偏差几何平均值几何标准偏差 我国土壤元素背景值的表达方法： 95%置信度如元素测定值符合正态分布：用算术平均值 如元素测定值呈对数正态分布：用几何平均值,土壤背景值的用途： 1、农田施肥； 2、土壤污染评价 3、计算土壤环境容量； 4、应用于医疗卫生；,二、土壤自净作用,土壤自净是指进入土壤的污染物，在土壤矿物质、有机质和土壤微生物的作用下，经过一系列的物理、化学及生物化学反应过程，降低其浓度或改变其形态，从而消除污染物毒性的现象。,物理自净 化学和物理化学自净 生物化学自净,土壤自净,三、土壤环境容量,环境容量指的是在一定条件下环境对污染物最大容纳量。,土壤环境容量被定义为：“土壤环境单元一定时限内遵循环境质量标准，既保证农产品产量和生物学质量、同时也不使环境污染时，土壤所能允许承纳的污染物的最大数量或负荷量”。,当土壤环境容量标准确定后，可由下式获得土壤的静容量： Cso=M(Ci-Cbi),式中， Cso为土壤静容量； M为耕层土重 为耕层土重(2250thm2)； Ci为i元素的土壤环境标准 (mgkg)； Cbi为i元素的土壤背景值 (mgkg)。,Q:土壤中镉的卫生标准是1.0ppm，经调查研究镉的自然本底值为0.1ppm，该土壤对镉的环境容量的是多少?,A:土壤中镉的自然本底值为0.1ppm，土壤镉的卫生标准为1.0ppm，则土壤的环境容量1.00.10.9ppm。,元素,我国主要土壤重金属临界含量 （mg/kg）,第四节 土壤的概念及其物质组成,一、土壤的概念 简明定义： 土壤是在地球表面生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用下所形成，处于永恒变化中的疏松矿物质与有机质的混合物。 土壤是陆地表面由矿物质、有机质、水、空气和生物组成，具有肥力，能生长植物的未固结层。 土壤是指覆盖于地球陆地表面，能生长植物的疏松物质层。,综合定义：土壤是地球表面生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用下所形成的、可供植物生长的一种复杂的生物地球化学物质；与形成它的岩石和沉积物相比，具有独特的疏松多孔结构，化学和生物学特性；它是一个动态生态系统，为植物生长提供了机械支撑、水分、养分和空气、热等条件；支持大部分微生物群体的活动，来完成生命物质的循环；维持着所有的陆地生态系统，其中通过供给粮食、纤维、水、建筑材料、建设和废物处理用地，来维持人类的生存发展；通过滤掉有毒的化学物质和病原生物体，来保护地下水的水质，并提供了废弃物的循环场所和途径或使其无害化。,土壤的分层和性质,土壤从上到下通常分为A、B、C、D四层： A层（淋溶层）：厚度在10厘米左右，含有丰富的有机物和腐殖质； B层（淀积层）：由上层土淋滤出来的有机物、盐类、以及粘土颗粒组成； C层（母质层）：风化的成土母岩组成。 D层（原始层）：为未风化的基岩。,The soil profile,Soil profile: a vertical section through a soil.Most soil profiles exhibit pronounced horizontal banding. Each band, called a horizon, which is different in one or more of color, texture, structure, hardness or other tangible property with neighbours.,二、土壤的物质组成土壤是由固相、液相和气相组成的多孔分散体系。组成土壤的基本物质主要有矿物质、有机质、水分、空气和生物等，土壤的固相主要由土壤矿物和土壤有机质组成。,土壤,土壤固相(占容积的50),空隙,矿物质(质量占固相总质量的9598),有机质和生物（质量占固相总质量的25）,土壤溶液,空气,土壤溶液和空气占土壤总体积的50，且二者之间经常处于彼此消长的状态。,土壤矿物质是由岩石经风化而来的，一般占土壤固体部分质量的9598。矿物质直接影响土壤性质，又是植物矿质养分的主要来源，故同土壤肥力有密切关系。,1.土壤矿物质的组成 （1）原生矿物质：岩石经过物理风化作用被破碎形成的碎屑，其原来的化学组成没有改变。 （2）次生矿物质：原生矿物质经过化学风化后形成的新矿物，其化学组成和晶体结构均有所改变。,(一) 土壤矿物质,硅 酸 盐 类,氧 化 物 类,硫 化 物 类,磷 化 物 类,原生矿物,次生矿物,次生硅铝酸盐矿物,氧化物类矿物,简单盐类矿物,一类由金属阳离子与硅酸根化合而成的含氧酸盐矿物。,原生矿物(original mineral),概念： （岩浆） 由地壳深处熔融状态的岩浆直接冷凝而形成的矿物称原生矿物。经过不同程度的物理风化后，未改变原始的化学组成和结晶结构。 土壤中的原生矿物主要有石英、长石、云母、角闪石、辉石等；其次有少量橄榄石、磷灰石、赤铁矿等。,水晶晶簇,黑云母,长石,次生矿物(secondary mineral) 1. 概念 原生矿物经物理、化学风化作用后，在形态、组成和性质上发生了化学变化，形成的新矿物称次生矿物。土壤中的次生矿物： 氧化物类（含水的氧化铁，氧化铝，氧化硅等）、次生铝硅酸盐、各种简单盐类（碳酸盐、硫酸盐、氯化物）,2. 特点： 颗粒直径非常细小（0.005mm），是土壤粘粒的主要成分。 对土壤的贡献： 参与土壤骨架的构成；形成 土壤矿质胶体，影响土壤的通气透 水性和保水保肥性。,由次生矿物（细颗粒）形成的粘土,硅氧四面体是硅酸盐矿物的最基本的结构单位，不同的连接组合方式形成不同的硅酸盐矿物。,3. 层状硅酸盐粘土矿物,铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图,Share1 oxygen,硅氧片 Silica Tetrahedral Sheet,铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图,鋁氧片 Octahedral Sheet,Share2 oxygens,Four groups： 高岭石组 蒙脱石组 水云母（伊利石）组 绿泥石组,（1）1:1型单位晶层:,由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。 这样1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面，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。,1:1型粘土矿物的构造示意图,Al,Si,OH,O,O,1:1型高岭石类晶体结构模型图,Non-Expanding 10 cmol(+)/kg,Kaolinite,Silica Tetrahedral Sheet,Aluminum Octahedral Sheet,1:1 Clay,特点：(1）1:1型的晶层结构。单位晶胞的分子式可表示为Ai4Si4O10(OH)8。 （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.高岭石层间距约为0.72nm。 （3）电荷数量少阳离子交换量只有3-15Cmoles(+)Kg-1。 （4）胶体特性较弱。较粗（0.2-2m），颗粒的总表面积相对较小，为1020103m2kg-1。,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。,高岭组（1:1型矿物） 包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等,由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，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。这样2:1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。,2:1型粘土矿物的构造示意图,O,Si,Al,O,2:1 Clay,Si Tetra.,Al Oct.,Si Tetra.,Expanding,H2O,H2O,H2O,H2O,H2O,Montmorillonite,100 cmol(+)/kg,特征：（1）2:1型的晶层结构蒙脱石是其典型代表。（2）胀缩性大。蒙脱石晶层间距变化在0.96-2.14nm之间，蛭石的膨胀性比蒙脱石小，其晶层间距变化在0.96-1.45nm之间。（3）电荷数量大。同晶替代现象普遍。（4）胶体特性突出。较细（有效直径0.01-1m），总表面积为600800103m2kg-1，且80是内表面。蛭石一般为400103m2kg-1。,蒙蛭组（2:1型膨胀性矿物） 包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。,蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广,K,K,K,K,K,K,2:1 Clay,Illite,40 cmol(+)/kg,Non-expanding,Interlayer K+,特征： （1）2:1型晶层结构，伊利石是其主要代表。 （2）无膨胀性。在伊利石晶层之间吸附有钾离子，对相邻两晶层产生了很强的键联效果，使晶层不易膨胀，伊利石晶层的间距为1.0nm。 （3）电荷数量较大。2040Cmoles(+)kg-1。 （4）胶体特性一般。总表面积为70120103m2kg-1，其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之间。,水化云母组（2:1型非膨胀性矿物）,伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。,（3）同晶替代 是指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。由于这种代换并不影响矿物的晶体结构，所以这种代换称为同晶替代或同晶代换。,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,使土壤具有保肥能力。,土壤中同晶替代的规律：,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为阴性。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。,3.3.3 硅酸盐粘土矿物的种类及特性,什么叫做矿物?分析原生矿物和次生矿物在土壤中的主要作用是什么?2. 试比较高岭石、蒙脱石和伊利石在晶架构造上有何不同?3. 试比较高岭石组矿物与蒙脱石组矿物在性质上的差异? 以及产生这些差异的原因是什么?,思考题,4.土壤化学组成氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁八大元素含量约占96以上，与岩石中各元素的含量相似。5.土壤机械组成指不同大小颗粒（沙砾、粉粒、黏粒）的相对含量。不同粒径的矿物质颗粒的成分和物理化学性质有很大差异，如对污染物的吸附、解吸和迁移、转化能力，有效含水量及保水、保温能力等。 我国土壤质地分类参见表3.1；国际制土壤质地分类见表3.2。,表3.1 我国土粒分级标准,表3.2 国际制土壤质地分类,Soil texture triangle,由进入土壤的植物、动物、微生物残体及施入土壤的有机肥料经分解转化逐渐形成，通常可分为非腐殖物质和腐殖物质两类；是土壤 形成的重要基础，与土壤矿物质共同构成土壤的固相部分。,（二）土壤有机质,非腐殖物质：包括糖类化合物(如淀粉、纤维素等)、含氮有机合物及有机磷和有机硫化合物。腐殖物质：是植物残体中稳定性较大的木质素及其类似物在微生物作用下，部分被氧化形成的一类特殊的高分子聚合物，具有芳环结构，苯环周围连有多种官能团，如羧基、羟基、甲氧基及氨基等，使之具有表面吸附、离子交换、络合、缓冲、氧化还原作用及生理活性等性能。,土壤中生活的微生物(细菌、真菌、放线菌、藻类等)及动物(原生动物、蚯蚓、线虫类等) 对进入土壤的有机污染物的降解及无机污染物(如重金属)的形态转化起着主导作用，是土壤净化功能的主要贡献者。,（三）土壤生物,细菌,放线菌,蚯蚓,线虫,图5.1 土壤微生物和动物,蚯蚓,螨类,弹尾虫,线虫,土壤水分及其所含溶质的总称，溶有土壤中可溶成分的稀溶液，来源主要有：大气降水、降雪、地表径流、灌溉、地下水。,(四) 土壤溶液,浅层地下水,农田灌溉,河流,雾,雨,雪,图5.2 土壤溶液的来源,土壤空气存在于未被水分占据的土壤孔隙中，来源于大气、生物化学反应和化学反应产生的气体(如甲烷、硫化氢、氢气、氮氧化物、二氧化碳等)。积水的土壤通气不良，导致对植物的危害，茶树最忌积水，积水的土壤不应用于种茶树。,(五) 土壤空气,三、土壤肥力,我国目前较公认的土壤肥力的概念为： 指能供应与协调植物正常生长发育所需要的养分和水、空气 、热的能力。 土壤肥力可分为自然肥力和人为肥力。 自然肥力是由自然成土因素（气候、生物、母质、地形、时间）综合作用形成的土壤具有的肥力,如森林土壤、草原土壤等,自然肥力的高低决定于成土过程中诸成土因素的相互作用,特别是生物的作用。 人为肥力是土壤在人为因素（耕作、施肥、灌溉及其他技术措施等）影响作用下形成的肥力。,有效肥力 由于受土壤性质、环境条件和管理水平的限制，土壤肥力往往只有部分表现出来，这部分肥力称为“有效肥力”，又称“经济肥力”，即在一定农业技术措施下反映土壤生产能力的那部分肥力，亦称自然肥力与人为肥力的总和。潜在肥力 另一部分肥力则没有直接表现出来称“潜在肥力”，指受环境条件和科技水平限制不能被植物利用，但在一定生产条件下可转化为有效肥力的那部分肥力。,四、土壤的基本性质,1）土壤是一个多相的疏松多孔体系。污染物质在土壤中可进行挥发、稀释、扩散和浓集以至移出土体之外。这一过程是与土壤温度和含水量的变化，土壤质地和结构，以及层次构型相关的。2）土壤是一个胶体体系。对于某些可呈离子态的污染物质，如重金属、化学农药进入土壤后，土壤胶体的吸附作用可以大大改变其有效含量，成为土壤污染物，特别是重金属自净和富集的关键因子。3）土壤是一个络合螯合体系。土壤中有许多天然的有机和无机配位体，也有人工合成的污染物的有机配位体。而天然环境中几乎所有的金属离子都有形成络合物和螯合物的能力。因而，天然环境中络合螯合过程的存在，也显著影响污染物质在天然环境中的迁移、转化及其环境效应。,4）土壤是一个氧化还原体系。其氧化还原作用影响有机物质分解的速度和强度，也影响有机物质存在的状态（可溶性和不溶性），从而影响到它们的迁移转化。这也是关系到土壤污染物质迁移转化的重要的土壤环境条件。特别是对某些变价元素，如铁、硫、砷、汞、铬等尤为重要。5）土壤是一个化学体系。土壤中的化合物或进入土壤的污染物质，还直接受到土壤总化学平衡（溶解和沉淀）过程的控制，在重金属和磷迁移转化中，化学平衡过程扮演着重要角色。6）土壤是一个生物体系。土壤微生物是土壤生物的主体。土壤微生物在土壤有机质的转化过程（有机质的分解和合成）中起着巨大作用。土壤对有机污染物质之所以具有强大的自净能力，即生物降解作用，也主要是因为种类繁多、数量巨大的土壤微生物存在。土壤微生物除参与有机质的转化外，还积极参与其它土壤过程。此外，土壤动物在有机污染物的分解转化中也起着一定作用。,