第四章第二节 本节内容要点：土堆矿物质、土壤有机质、土壤溶液、土壤空气等。 土壤是陆地地表具有肥力并能生长植物的疏松层，它是地球地面岩石风化过程和母质成土过程的综 合作用下形成的。具有肥力是土壤异于其他物质最本质的特征。士仅是岩石圆上薄薄的一层，大约2m 左右，它能提供植物生长所必需的物质和能量， 土壤由固、液、气三相物质组成。固相包括土壤矿物质和有机质，占土壤总重量的90%~95%，占 体积的50%左右。液相指士摧水份及所含的可溶物，也称士壤溶液，占土推体积的20%~30%。气相指 土摈空气，占士滨体积的20%一30%。士壤中还有数量众多的细菌和微生物。因此，土滨是一个以周相 为主的不均质多相体系，三相物质互相联系、制约，构成一个有机整体，如图4-1所示。土壤中与土壤污 染化学行为关系密切的组分主要是矿物质、有机质和微生物。 植物根须 水膜 士壤颗粒 空气 水饱和的土壤 E三三 流向地面水 图4-1土壤中固相、液相、气相结构示意国 1)土填矿物质 土堞矿物质按其成因可分为原生矿物和次生矿物。 原生矿物是指那些在风化过程中未改变化学组成的原始成岩矿物，主要有石英、长石类、角闪石类 云母类等.原生矿物的粒径较大，如砂粒的粒径为0.02一2mm,粉砂粒为0.002一0.02mm.它具有 坚实而稳定的品格，不透水，不具有物理化学吸收性能，不膨张 次生矿物是岩石经历化学风化形成的新矿物，其粒径较小，大部分以黏粒和胶体（位径小于 0.002mm)分散状态存在。许多次生矿物具有活动的品格、强的吸附和离子交换能力，吸水后膨胀，有明 的胶体特征。次生矿物是构成士滨的最主要组成部分，对士壤中无机污染物的行为和归宿影响银大。 次生矿物有品态和非品态之分。非品态次生矿物主要早胶膜状态，它要于土粒表面，如水合氧化铁 铝及硅等：也有呈粒状凝胶成为极细的上拉，如水铝类石等：后者是一种无固定组成的陆铝氧化物，并有 较高的阳离子和明离子代换量，特别是无定形氧化物具有巨大的比表面和较高的化学活性。品态次生矿物 主要是铝硅酸盐类黏土矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石、匠石等：它们由硅氧四面体（一个硅原子与四个 氧原子组成，形成一个三角锥形的品格单元)和铝氧四面体（一个铝原子与六个氧原子或氢氧原子组成，形 成具有八个面的品格单元)的层片组成。 酷土矿物通常分为1：1和2：1两种类型，根据构成品层时硅氧四面体（硅氧片）与铝氧八面体（水铝
第四章 第二节 本节内容要点：土壤矿物质、土壤有机质、土壤溶液、土壤空气等。 土壤是陆地地表具有肥力并能生长植物的疏松层，它是地球地面岩石风化过程和母质成土过程的综 合作用下形成的。具有肥力是土壤异于其他物质最本质的特征。土壤仅是岩石圈上薄薄的一层，大约 2m 左右，它能提供植物生长所必需的物质和能量。 土壤由固、液、气三相物质组成。固相包括土壤矿物质和有机质，占土壤总重量的 90%～95%，占 体积的 50%左右。液相指土壤水份及所含的可溶物，也称土壤溶液，占土壤体积的 20%～30%。气相指 土壤空气，占土壤体积的 20%～30%。土壤中还有数量众多的细菌和微生物。因此，土壤是一个以固相 为主的不均质多相体系，三相物质互相联系、制约，构成一个有机整体，如图 4-1 所示。土壤中与土壤污 染化学行为关系密切的组分主要是矿物质、有机质和微生物。 图 4-1 土壤中固相、液相、气相结构示意图 1） 土壤矿物质 土壤矿物质按其成因可分为原生矿物和次生矿物。 原生矿物是指那些在风化过程中未改变化学组成的原始成岩矿物，主要有石英、长石类、角闪石类、 云母类等。原生矿物的粒径较大，如砂粒的粒径为 0.02～2 mm，粉砂粒为 0.002～0.02mm。它具有 坚实而稳定的晶格，不透水，不具有物理化学吸收性能，不膨胀。 次生矿物是岩石经历化学风化形成的新矿物，其粒径较小，大部分以黏粒和胶体(粒径小于 0.002mm)分散状态存在。许多次生矿物具有活动的晶格、强的吸附和离子交换能力，吸水后膨胀，有明 显的胶体特征。次生矿物是构成土壤的最主要组成部分，对土壤中无机污染物的行为和归宿影响很大。 次生矿物有晶态和非晶态之分。非晶态次生矿物主要呈胶膜状态，它裹于土粒表面，如水合氧化铁、 铝及硅等；也有呈粒状凝胶成为极细的土粒，如水铝类石等；后者是一种无固定组成的硅铝氧化物，并有 较高的阳离子和阴离子代换量，特别是无定形氧化物具有巨大的比表面和较高的化学活性。晶态次生矿物 主要是铝硅酸盐类黏土矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石、蛭石等；它们由硅氧四面体(一个硅原子与四个 氧原子组成，形成一个三角锥形的晶格单元)和铝氧四面体(一个铝原子与六个氧原子或氢氧原子组成，形 成具有八个面的晶格单元)的层片组成。 黏土矿物通常分为 1∶1 和 2∶1 两种类型。根据构成晶层时硅氧四面体(硅氧片)与铝氧八面体(水铝
片)的数目和排列方式，黏土矿物可分为三大类：(1)高岭石类：由一硅氧片与一水铝片组成一个品层，属 1:1型二层盐土矿物（图42）。品层的一面是氧原子，另一面是氢氧原子组，品层之间通过氢键相连结 品层间的距离很小，仅0.72，故内部空隙不大，水分子和其他离子都难以进入层间。(2)装脱石类： 由两层硅氧片中间夹一层水铝片组成一个品层，属于2：1型的三层酷土矿物。品层表而都是氧原子，议 有氢氧原子组，品层间没有氢健结合力，只有松驰的联系：晶层间的距离为0.96~2.14m.水分子或其 他交换性阳离子可以进入层间。因此，蒙脱石具有较高的阳高子交换容量（图4-3）。(3)伊利石类：2：1 型品格，即两层硅氧片中夹一层水铝片组成一个品层。但伊利石类品格中有一部分硅被铝代替，不足的 正电荷被处在两个品层间钾高子所补偿：这些仰离子似平起桥梁作用，把上下相邻的两个品层连结起来（图 44)。在黏土矿物的形成过程中，常常发生半径相近的离子取代一部分铝()或硅（Ⅳ）的现象，即同品替 代作用。如Mg2+、Fe3+等离子取代A+,AP+取代S+,同品替代的结果，使黏土矿物微粒具有过剩的 负电荷。此负电荷由处于层状结构外部的K+,N妇*等来平衡.。这一特征决定了黏土矿物具有离子交换吸明 等性能 家能 @.@ 可@O@4020 图4-21：1型黏土矿物（高龄石）结构示意图 交换性阳离子与水 2002Q004 09@0.Q@02m 1。m 4S1 b606d0 图4-32：1型谿土矿物（脱石）结构示意图
片)的数目和排列方式，黏土矿物可分为三大类：(1)高岭石类：由一硅氧片与一水铝片组成一个晶层，属 1∶1 型二层黏土矿物 (图 42)。晶层的一面是氧原子，另一面是氢氧原子组，晶层之间通过氢键相连结。 晶层间的距离很小，仅 0.72nm，故内部空隙不大，水分子和其他离子都难以进入层间。(2)蒙脱石类： 由两层硅氧片中间夹一层水铝片组成一个晶层，属于 2∶1 型的三层黏土矿物。晶层表面都是氧原子，没 有氢氧原子组，晶层间没有氢键结合力，只有松驰的联系；晶层间的距离为 0.96～2.14nm。水分子或其 他交换性阳离子可以进入层间。因此，蒙脱石具有较高的阳离子交换容量(图 4-3)。(3) 伊利石类：2∶1 型晶格，即两层硅氧片中间夹一层水铝片组成一个晶层。但伊利石类晶格中有一部分硅被铝代替，不足的 正电荷被处在两个晶层间钾离子所补偿；这些钾离子似乎起桥梁作用，把上下相邻的两个晶层连结起来(图 4-4)。在黏土矿物的形成过程中，常常发生半径相近的离子取代一部分铝(Ⅲ)或硅(Ⅳ)的现象，即同晶替 代作用。如 Mg2+、Fe3+等离子取代 Al3+，Al3+取代 Si4+，同晶替代的结果，使黏土矿物微粒具有过剩的 负电荷。此负电荷由处于层状结构外部的 K+、Na+等来平衡。这一特征决定了黏土矿物具有离子交换吸附 等性能。 图 4-2 1∶1 型黏土矿物(高岭石)结构示意图 图 4-3 2∶1 型黏土矿物(蒙脱石)结构示意图
3Si+11 0、.@.0.Q@402o 10 “4A1 图4-4伊利石结构示意图 土壤是由原生矿物和次生矿物按不同粒缓的组合比例。并按发生层次构成的。土体内物质的迁移、转 化既可在土壤各组成分内，也可在各发生层次内同时进行 2)土壤有机质 上境有机质包括生物死亡的成、施用的有机肥料、微牛物活动生成的有机物等。士壤有机质的化学 组分有腐殖质、糖类，木质素、有机氨、脂、蜡质、有机磷等，其中腐殖质占有机质总量的70%~90% 和土壤矿物质相比，有机质含量不高，只占土埃总量的5%左右。但有机质对土堞的一系列物理化学性质 有很大的影响，对土壤肥力有重大作用。 土壤有机质不但含有丰富的营养元素，而且在自身缓慢的分解过程中，把生成的C02释放到空气中 成为光合作用的物质来源：与此同时，产生的有机酸可以促进物养分的溶出，为作物生长提供丰富的养 分。土壤有机质，尤其是胡敏酸具有芳香族多元酚官能用，能增强植物呼吸，提高细取膜的参透性，促讲 根系的生长。有机质中的维生素、生长素、抗生素等对植物起促生长、抗病害的作用。有机质还能促进 寒良好结构的形成，增加土壤疏松性、通气性、透水性和保水性。腐殖质有巨大的比表面，可强烈吸附士 滨中可溶性养分，保持土维肥力：具有两性胶体性质的有机物可缓冲士壤溶液的D州。有机物可作为土维微 生物的营养物，而微生物活动又增加士堞养分，促进作物生长。 土桌有机质和微生物是土壤中最活跃的组成部分，有机质的合成与分解、微生物的代谢和转化活动不 仅具有肥力意义，从环境角度看，腐殖质对士壤中有机、无机污染物的吸雕、络合或盈合作用，微生物对 有机污染物的代谢、降解活动等具有重要意义。 3)土壤溶液 士填溶液占土总体积的20%一30%，含有Na*、K.Mg2*、Ca2、C、NOg、S02*、HC0 等无机离子，还含有机物。 士岸水分是土壤三相（固、液、气）中的要素。它把士，、大气中的植物养分溶解成营养溶液，输送到 植物根部，最大程度地提供给植物体，因此，上境水分是植物吸收养料的主要媒介 摧水分主要来源于降雨、雪和灌溉。在地下水位接近于地面(2~3m)的情况下，地下水也是上层 土境水分的重要来源。土粒表面的吸附力和微细孔隙的毛细管力可把进入土摧的水分保持住。土壤固体保 持水分的牢固程度，在很大程度上决定了土填中水分的运动和植物对水分的利用。 当水分进入土壤后，即和其他组成物质发生作用，其中的一些可溶性物质如盐类和空气将溶解在水里 这种溶有盐类和空气的土壤水即为士滨溶液
图 4-4 伊利石结构示意图 土壤是由原生矿物和次生矿物按不同粒级的组合比例，并按发生层次构成的。土体内物质的迁移、转 化既可在土壤各组成分内，也可在各发生层次内同时进行。 2） 土壤有机质 土壤有机质包括生物死亡的残骸、施用的有机肥料、微生物活动生成的有机物等。土壤有机质的化学 组分有腐殖质、糖类、木质素、有机氮、脂肪、蜡质、有机磷等，其中腐殖质占有机质总量的 70%～90%。 和土壤矿物质相比，有机质含量不高，只占土壤总量的 5%左右。但有机质对土壤的一系列物理化学性质 有很大的影响，对土壤肥力有重大作用。 土壤有机质不但含有丰富的营养元素，而且在自身缓慢的分解过程中，把生成的 CO2释放到空气中， 成为光合作用的物质来源；与此同时，产生的有机酸可以促进矿物养分的溶出，为作物生长提供丰富的养 分。土壤有机质，尤其是胡敏酸具有芳香族多元酚官能团，能增强植物呼吸，提高细胞膜的渗透性，促进 根系的生长。有机质中的维生素、生长素、抗生素等对植物起促生长、抗病害的作用。有机质还能促进土 壤良好结构的形成，增加土壤疏松性、通气性、透水性和保水性。腐殖质有巨大的比表面，可强烈吸附土 壤中可溶性养分，保持土壤肥力；具有两性胶体性质的有机物可缓冲土壤溶液的 pH。有机物可作为土壤微 生物的营养物，而微生物活动又增加土壤养分，促进作物生长。 土壤有机质和微生物是土壤中最活跃的组成部分。有机质的合成与分解、微生物的代谢和转化活动不 仅具有肥力意义，从环境角度看，腐殖质对土壤中有机、无机污染物的吸附、络合或螯合作用，微生物对 有机污染物的代谢、降解活动等具有重要意义 。 3） 土壤溶液 土壤溶液占土壤总体积的 20%～30%，含有 Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO3 -、SO4 2+、HCO3 - 等无机离子，还含有机物。 土壤水分是土壤三相(固、液、气)中的要素。它把土壤、大气中的植物养分溶解成营养溶液，输送到 植物根部，最大程度地提供给植物体。因此，土壤水分是植物吸收养料的主要媒介。 土壤水分主要来源于降雨、雪和灌溉。在地下水位接近于地面(2～3 m)的情况下，地下水也是上层 土壤水分的重要来源。土粒表面的吸附力和微细孔隙的毛细管力可把进入土壤的水分保持住。土壤固体保 持水分的牢固程度，在很大程度上决定了土壤中水分的运动和植物对水分的利用。 当水分进入土壤后，即和其他组成物质发生作用，其中的一些可溶性物质如盐类和空气将溶解在水里。 这种溶有盐类和空气的土壤水即为土壤溶液
4)土空气 士岸是一个多孔体系，在水分不饱和的情况下，孔霞中充满空气。土壤空气主要来自大气，其次来自 土壤中的生物化学过程 士壤空气是不连续的，它存在于被土壤因体隔开的土壤孔隙中，其组成在不同处是有差异的。土壤略 气与大气组成有较大的差别： (1)C02含量一般远比在大气中高，氧的含量则低于大气（表4-1）。造成这种差别的原因是壤中 物根系的呼吸作用、微生物活动中有机物的降解及合成时消耗其中的O2,放出CO2。 (2)士壤空气一般比大气含有较高的水量。土壤含水量适宜时，相对湿度接近100%。除此之外，由 于土壤空气经常被水汽所饱和，在通气不良情况下，厌氧细菌活动产生的少量还原性气体如CH4、HS、 H2也积累在土壤空气中 表4-1土壤空气与大气组成(%) 写体 氧 二氧化碳 氮 土空气 18.00~2003 0150,6 78,88024 近地大气 2095 0.03 78.09 土空气的含量和组成在很大程度上取决于土水关系。作为气体混合物的土埃空气，只进入未被水分 占据的那些土壤孔隙。细孔累比例大的土，往往通气条件较差。在这类土壤中，水分占优势，土壤空 的含量和组成不适于植物的最佳生长。在土壤孔隙里贮存的水分和空气，它们的相对含量经常随自然条件 的改变而变化
4） 土壤空气 土壤是一个多孔体系，在水分不饱和的情况下，孔隙中充满空气。土壤空气主要来自大气，其次来自 土壤中的生物化学过程。 土壤空气是不连续的，它存在于被土壤固体隔开的土壤孔隙中，其组成在不同处是有差异的。土壤空 气与大气组成有较大的差别： (1)CO2含量一般远比在大气中高，氧的含量则低于大气(表 4-1)。造成这种差别的原因是土壤中植 物根系的呼吸作用、微生物活动中有机物的降解及合成时消耗其中的 O2，放出 CO2。 (2)土壤空气一般比大气含有较高的水量。土壤含水量适宜时，相对湿度接近 100%。除此之外，由 于土壤空气经常被水汽所饱和，在通气不良情况下，厌氧细菌活动产生的少量还原性气体如 CH4、H2S、 H2也积累在土壤空气中。 表 4-1 土壤空气与大气组成（%） 土壤空气的含量和组成在很大程度上取决于土水关系。作为气体混合物的土壤空气，只进入未被水分 占据的那些土壤孔隙。细孔隙比例大的土壤，往往通气条件较差。在这类土壤中，水分占优势，土壤空气 的含量和组成不适于植物的最佳生长。在土壤孔隙里贮存的水分和空气，它们的相对含量经常随自然条件 的改变而变化