环境土壤学第一章(第1节)全解课件.ppt

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1、第一部分 基础知识第一章 环境环境组成化学土壤的三相组成：固相、液相和气相固相物质粒间物质生物体：包括各类昆虫、线虫、节肢动物，尤其是土壤微 生物，一般1g土壤中数量可达10亿左右。有机质：占固相重量的5%左右，总体积的12%左右。气相：组成与大气有差异，取决于生物活动及气体交换的难易程度。液相：粒间水分及溶解于其中的多种溶解性物质。矿物质：占固相重量的95%左右，总体积的38%左右。土壤第一节 土壤矿物质一、原生矿物原生矿物：指在土壤形成过程中末改变化学组成的原始成岩矿物。1、橄榄石类：属岛状结构硅酸盐，其Si-O四面体以孤岛状排列，典型矿物为橄榄石(Ca，Mg)2SiO4，极易风化。其中的

2、Si/O=1:4。橄榄石(Mg,Fe)2SiO4：橄榄绿色，立方形晶粒，断口常为贝壳状，硬度6.57。富含铁，易分解，为土壤提供铁、镁等养分。孔雀石孔雀石Cu2(OH)2(CO3)一、原生矿物2、辉石、角闪石类 属链状结构硅酸盐，其Si-O四面体沿一维方向延伸，又可分为单链结构的辉石类和双链结构的角闪石类。其中的Si/O=1:3。3、云母类 属层状结构硅酸盐，常见的有白云母和黑云母，土壤中的次生粘土矿物也多为此类型。辉石辉石Ca(Mg,Fe)Si2O6：绿黑色,短柱状或近似粒状,硬度56,玻璃光泽;易风化，为土壤提供钙、铁、镁等养分。角闪石角闪石Ca(Mg,Fe)Si4O12：黑绿色，长柱状或

3、近似细长条状，硬度56，玻璃光泽；易风化，为土壤提供钙、铁、镁等养分。白云母白云母(KH2Al3Si3O12)：无色，片状，具弹性，硬度23，极完全解理。易发生物理崩解，很发生化学分解，为土壤提供 钾。黑云母黑云母KH2(Mg,Fe)3AlSi3O12：黑色，片状，具弹性，硬度23，极完全解理。土壤提供钾、铁、镁等养分。此外还有金云母。一、原生矿物4、长石类 属架状结构硅酸盐，其Si-O四面体沿三维方向延伸，其代表性矿物为钾长石和石英，是土壤中最难风化的原生矿物。其中的Si/O=1:2。5、其他类型 土壤中常见的原生矿物还包括磷铁矿、钛铁矿(氧化物类)，黄铁矿、白铁矿(硫化物类)及另一些特别稳

4、定的原生矿物如锆英石、电气石等。正长石正长石(KAlSi3O8)：钾长石，肉红色，晶体为短柱状，常具有卡斯巴双晶或穿插双星，硬度6。易化学分解，为土壤提供钾 肾状（赤铁矿）和黄铁矿一、原生矿物抗风化的顺序1、结构：晶体的构型（Si/O）：架状硅酸盐层状硅酸盐链状硅酸盐岛状硅酸盐2、化学键：离子特征：K-O Ca-O Al-O Si-O;电负性差值：钾长石钙长石3、颜色和同晶替代石英是土壤中含量最丰的原生矿物 土壤矿物质原生矿物原生矿物橄榄石类橄榄石类辉石、角闪石类辉石、角闪石类云母类云母类长石类长石类其他其他次生粘土矿物次生粘土矿物（层状硅酸盐矿物）（层状硅酸盐矿物）高岭（土）组（高岭（土）组

5、（1:1型）型）蒙脱（土）组（蒙脱（土）组（2:1型）型）伊利组（伊利组（2:1型）型）蛭石类矿物（蛭石类矿物（2:1型）型）绿泥石类矿物（绿泥石类矿物（2:1:1型）型）氧化物氧化物氧化铁氧化铁氧化铝氧化铝水铝英石水铝英石次生矿物次生矿物次生粘土矿物次生粘土矿物2（层状硅酸盐矿物）（层状硅酸盐矿物）硅氧四面体硅氧四面体l硅硅酸酸盐盐晶晶体体结结构构中中的的基基本本构构造造单元。单元。l由由位位于于中中心心的的一一个个硅硅原原子子与与围围绕绕它它的的四四个个氧氧原原子子所所构构成成的的配配阴阴离离子子SiO44-，因因周周围围的的四四个个氧氧原原子子分分布布成成配配位位四四面面体体的的形形式，

6、故名。式，故名。l在在晶晶体体结结构构中中，各各硅硅氧氧四四面面体体可可以以各各自自孤孤立立地地存存在在，也也可可以以通通过过共共用用四四面面体体角角顶顶上上的的一一个个、两两个个、三三个个以以至至全全部部四四个个氧氧原原子子相相互互连连结结而而形形成成多多种种不不同同形形式式的的络络阴阴离离子子，从从而而形形成成不不同同结构类型的硅酸盐晶体。结构类型的硅酸盐晶体。铝铝氧八面体氧八面体l层状硅酸盐晶体结构中的基本构造单元之一。层状硅酸盐晶体结构中的基本构造单元之一。l铝铝（Al3+）或或镁镁（Mg2+）离离子子距距离离稳稳定定地地配配上上六六个个氧氧（O2-）或或OH-，三三个个在在上上，三三

7、个个在在下下，相相互互错错开开作作最最紧紧密密的的堆堆积积，配配位位形形成成八八面面体的形式。体的形式。2:1型层状硅酸盐晶体结构l1:1型矿物：晶架结构都由一层硅氧片和一层水铝片重叠而成，结构中硅氧片和水铝片的比例为1:1；l分子式：(OH)8Al4Si4O10。从式中可见，典型高岭石的SiO2/R2O3分子比率为2；l电荷为零；l无或很少的同晶替代，颜色纯净灰白，颗粒细小；lc轴间距为70nm。1、高岭石（、高岭石（Kaolinite)1:1型层状硅酸盐晶体结构高岭石高岭石2、蒙脱石（、蒙脱石（Montmori)l2:1型矿物，属于胀缩型矿物；l分子式：(OH)4Al4Si8O20。从式中

8、可见典型蒙脱组矿物的SiO2/R2O3分子比率为4；l同晶替代：X0.66(Al3.34Mg0.66)Si8O20(OH)4（其中X可为一价、二价或三价的离子）；lc轴 间 距：收 缩 时 为 140nm，膨 胀 时 为200nm；l晶层之间容易胀缩，晶层更容易分开，颗粒更微小。2:1型层状硅酸盐晶体结构3、伊利石（、伊利石（Illite）l2:1型矿物，属于非胀缩型矿物；l分子式：(OH)4Al4Si8O20；l同晶替代：K1.33Al4(Si6.67Al1.33)O20(OH)4同晶替代现象主要以Al3+代Si4+(发生在硅氧片中)；l存在补偿离子K+；l在我国分布最为广泛的次生矿物；lc

9、轴间距为100nm。4、蛭石（、蛭石（Vermiculinite）2:1型矿物，属于半胀缩型矿物；三 八 面 体（Mg八 面 体）X1.1(Al2.3Si5.7)(Al0.5Fe3+0.7Mg4.8)O20(OH)4；同晶替代：蛭石中四面体片和八面体片都有同晶置换作用，但主要发生在四面体片中，Si被Al置换的数量比蒙脱石高，所以电荷密度比蒙皂石类高补偿离子不确定。晶层间距为140nm5、绿泥石、绿泥石l2:1:1型矿物，是过渡型矿物。l分子式：(MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16由2:1型云母晶层和一层氢氧化物间层规则地相间。l过渡性：多在环境不稳定状态下存在l酸性条件下：八面

10、体被中和形成 2:1型矿物l碱性条件下：脱水形成1:1型矿物l晶层间距为140nm2:1:1型（2:2型）层状硅酸盐晶体结构氧化物氧化物3土壤粘粒矿物组成中，除层状硅酸盐外，还包含一类矿物结构比较简单，水化程度不等的铁、锰、铝和硅的氧化物及其水合物和水铝英石等。氧化物类矿物中，部分是结晶型的，也有些是非晶质无定形的物质。土壤中氧化物是由硅酸盐类矿物在地表特定水热条件下，经过彻底风化作用和成土作用形成的。1、氧化铁Fe3+Fe(OH)3-Fe2O3-FeOOHFe(OH)2-FeOOH-Fe2O3Fe2+Fe3O4OH-高温老化失 水低pH、缓慢沉淀老 化OH-O缓慢氧化脱 水OO2、氧化铝土壤

11、中常见的铝氧化物是三水铝矿Al(OH)3 土壤中三水铝矿的含量可作为脱硅作用和富铝风化作用的指标。离子态(Al3+)无定形态晶质态 3、水铝英石水铝英石是由氧化硅、氧化铝和水组成的非晶质铝硅酸盐矿物。水铝英石外观上是呈海绵状团聚体，有许多细孔和巨大表面积。颜色随吸附的金属离子而异，常为白色，浅蓝色和浅绿色。水铝英石是火山灰土壤的主要粘粒矿物 4、氧化硅土壤粘粒中的氧化硅有结晶的和非结晶的两种形态 非结晶态的二氧化硅称为蛋白石，是由硅酸凝胶经部分脱水的产物，也可由硅氧四面体构成，但排列没有规则。土壤中蛋白石含量常与土壤腐殖质含量有关，蛋白石的多少也可以作为古土壤埋藏表层的指示矿物。四、粘土矿物形

12、成规律1、脱盐基：K2Al4Si6O16+H2O HKAl4Si6O16+KOH KOH+H2Al4Si6O162、脱硅：H2Al4Si6O16+5H2O Al2Si2O5(OH)4+4H2SiO3由原生矿物2:1型矿物1:1型矿物四、粘土矿物形成规律3、富Fe、Al过程：Al2Si2O5(OH)4 Al(OH)3+Si(OH)4+Fe(OH)3整个过程称为脱硅富铝化过程同时，热带土壤中粘土含量较高，特别是Fe3+含量高，能发生胶结作用。五、粘土矿物分布规律 根据我国不同地区、山地高原和平原丘陵地带土壤粘粒矿物组成，全国土壤粘粒矿物分布可划分七个区：1水云母区2水云母蒙脱石区3水云母蛭石区4水

13、云母蛭石高岭区5蛭石高岭区6高岭水云母区7高岭区五、粘土矿物分布规律常用改良粘土：1、膨润土：很强反映活性，吸湿膨胀性和巨大的阳离子交换量。改性可提高对有机污染物的吸附性。2、凹凸棒石3、蒙脱石：活化与钝化六、土壤粘粒矿物的鉴定粘粒矿物的鉴定通常用化学分析和仪器分析两种方法。化学分析仪器分析第二节 土壤有机质可粗略分为非腐殖物质（30%）和腐殖物质（70%）两大类 表面积大：有机质呈链状，增大表面积，同质量的有机质表面积超过矿物质活性基团多一、非腐殖质类型1、碳水化合物包括各种单糖、双糖和多糖类(纤维素和半纤维素)以及氨基糖、甲基化糖等 C/N=2530/1有机物质的重要组成部分微生物和腐殖质

14、物质形成的能源一、非腐殖质类型2、有机酸土壤有机酸是土壤酸类物质的重要成分之一，产生螯合作用和溶解作用，影响金属活性、矿物风化、养分释放等。H+：土壤形成的矿物风化中具有独特作用（灰土的形成）。离子活性（重金属离子）一、非腐殖质类型3、木质素土壤中特别稳定的有机物质 芳香化程度高，不易分解。植物体当中独有的，腐殖物质形成的必需元素4、含氮、磷、硫的有机物质该类化合物大体包括氨基酸或蛋白质类、糖类、核酸类和脂类及数量很少的植酸、维生素等。二、腐殖质类型依据其溶解性能，一般可分为富啡酸(黄腐酸，富里酸)，胡敏酸(褐腐酸)和胡敏素(黑腐素)。除去动植物残屑的细土样品溶液黑色残余物黄色溶液富啡酸褐色沉

15、淀胡敏酸胡敏素用NaOH溶液浸提过滤酸化过滤二、腐殖质类型1、溶解性能酸碱醇HuminHAFA吉马多美朗酸二、腐殖质类型2、化学基团与组成FA：O、S、-COOH HA：C、酚羟基 3、化合物的溶解性FA：一、二、三价盐可溶HA：一价盐可溶，二、三价不可溶4、分子量FA大约5000，HA大约100005、半衰期FA：500年 HA：1000年三、腐殖物质的形成非腐殖物质 矿化过程：CO2、H2O、NH3、SO2 腐殖过程：腐殖质1、主要的矿质化反应不含氮有机物质的化解三、腐殖物质的形成含氮有机物的分解含磷有机化合物的分解ATP H3PO4三、腐殖物质的形成2、腐殖化过程的经典反应途径(1)(2

16、)三、腐殖物质的形成(3)(4)三、腐殖物质的形成3、反应条件温度：030（2030最有利于矿化作用）湿度：6080%C/N=25/1四、区域分异规律腐殖化过程越高，HA/FA越大东北：HA/FA=1.52.5，生物最量大，有机物含量35%西北：HA/FA=0.50.8，温度较高，天气干燥，有机物含量下降南方：HA/FA=0.45，温度高，生物量大，生物活动多，矿质化程度高五、有机无机复合体及腐殖物质的环境学意义土壤胶体类别负电荷(cmol/kg)正电荷(cmol/kg)表面积(m2/g)零电荷点(pH)电动电位(mV)褐 土粘 粒41.9300.53.00粘粒复合体51.7272.52.65棕 壤粘 粒37.5268.53.0023.5粘粒复合体40.2232.01.9017.5黄棕壤粘 粒35.10.20241.04.1519.8粘粒复合体42.70.18230.03.1010.1红 壤粘 粒15.74.30152.04.3016.8粘粒复合体19.52.20196.02.6026.4砖红壤粘 粒8.15.50137.04.0060.粘粒复合体12.14.70196.03.4024.2五、有机无机复合体及腐殖物质的环境学意义重金属的稳定性取决于重金属和有机物的种类独特的形成过程独特的结构独特的性质