環(huán)境管理_環(huán)境土壤學(xué)概述

環(huán) 境 土 壤 學(xué) ENVIRONMENTAL SOIL SCIENCE,安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院 蕪湖市北京東路1號(hào) (241000),博 士 教授,戴萬(wàn)宏,Soil Environmentology,Unite 1. 土壤組成和性質(zhì) Soil constituents and properties,The soil can be viewed as a three-phase system comprising solid, liquid and gaseous constituents.,Solid phase mineral and organic material Parent material Vegetation Liquid phase soil water Precipitation Ground-water Gaseous phase soil atmosphere (air) Above-ground atmosphere Respiration of soil organisms,Unite 1. 土壤組成和性質(zhì) Soil constituents and properties,1. 土壤礦物質(zhì) Soil mineral material 2. 土壤有機(jī)質(zhì) Soil organic matter 土壤生物 Soil organisms 土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu) Soil texture and structure 土壤水分 Soil water (moisture) 土壤空氣和熱量 Soil air and heat regime ，,Unite 1. 土壤組成和性質(zhì) Soil constituents and properties,第一章 土壤礦物質(zhì) Soil mineral material,Introduction 第一節(jié) 土壤礦物質(zhì)的礦物組成和化學(xué)組成 第二節(jié) 粘土礦物 第三節(jié) 中國(guó)土壤粘土礦物分布規(guī)律,地殼物質(zhì)組成： 元素 礦物 巖石,Introduction,礦 物 地殼及上地幔中的化學(xué)元素在各種地質(zhì)作用下形成的具有相對(duì)固定化學(xué)組成和物理性質(zhì)的均質(zhì)單質(zhì)或化合物。是組成巖石的基本單位。 巖 石 在各種地質(zhì)作用下，按一定方式結(jié)合而成礦物復(fù)合體。是構(gòu)成地殼和地幔的主要物質(zhì)。,巖石按形成方式分類(lèi) 巖漿(火成)巖 地球內(nèi)部巖漿侵入地殼或噴出地表冷凝形成的巖石。 沉積巖 由地殼表面早期形成的巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積、 壓實(shí)、膠結(jié)硬化而形成的巖石。 變質(zhì)巖 原來(lái)存在的巖石在新的地殼變動(dòng)或巖漿活動(dòng)產(chǎn)生的高 溫、高壓下，使巖石的礦物重新結(jié)晶，重新排列，改 變其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和化學(xué)成分，而形成的新巖石。,The mineral fraction of soils is derived largely from weathering of the underlying parent material, which may consist of consolidated bedrocks or unconsolidated superficial deposits.,Bedrock,Igneous(火成巖） Sedimentary(沉積巖） Metamorphic（變質(zhì)巖）,Deposit,Riverine alluvium（河流沖積物） Glacial till (冰積物） Lacustrine clays (湖積粘土）,土壤礦物來(lái)源,第一節(jié) 土壤礦物質(zhì)的礦物組成和化學(xué)組成 Soil mineral constituents and chemical compositions,一、元素組成 二、礦物組成,一、土壤礦物質(zhì)的主要元素組成 地殼和土壤的平均化學(xué)組成（W%）,幾乎包括元素周期表中所有元素； 土壤礦物質(zhì)元素的相對(duì)含量與地球表面巖石圈元素的平均含量及其化學(xué)組成相似。 O、Si、Al、Fe為主，四者共占88.7%以上； 植物必需營(yíng)養(yǎng)元素含量低，分布不平衡。 化學(xué)組成既繼承了地殼化學(xué)組成的特點(diǎn)，又反映了成土過(guò)程中元素的分散、富集特性和生物積聚作用。O、Si、C、N等增加，Ca、Mg、K、Na等減少。,土壤礦物質(zhì)元素組成特點(diǎn)：,二、土壤的礦物組成,原生礦物 經(jīng)過(guò)不同程度的物理風(fēng)化，未改變化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)的原始成巖礦物。土壤粗粒部分主要由原生礦物組成。 硅（鋁硅）酸鹽礦物：長(zhǎng)石類(lèi)、輝石、角閃石、云母類(lèi) 碳酸鹽礦物：方解石、白云石 (氫)氧化物礦物：石英、赤鐵礦、褐鐵礦、金紅石 磷酸鹽礦物：鱗灰石 次生礦物(粘土礦物) 由原生礦物經(jīng)過(guò)風(fēng)化、成土過(guò)程分解轉(zhuǎn)化而形成的礦物。粘粒主要由次生礦物組成。 高嶺石、蒙脫石、伊利石 、蛭石、 綠泥石、 氧化物,土壤原生礦物簡(jiǎn)介,土壤原生礦物簡(jiǎn)介,以硅酸鹽和鋁硅酸鹽為主 氧化硅和硅酸鹽礦物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 如石英、長(zhǎng)石、云母、輝石、角閃石等。 原生礦物類(lèi)型和數(shù)量決定于礦物的穩(wěn)定性 石英最穩(wěn)定,是粗土粒的主要成分；白云母和長(zhǎng)石較穩(wěn)定,在粗土粒中較多；黑云母、角閃石、輝石等暗色礦物易風(fēng)化。 原生礦物對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn) 構(gòu)成土壤的骨骼土粒 原生礦物是植物養(yǎng)分的重要來(lái)源, 通過(guò)風(fēng)化提供養(yǎng)料Ca、Mg、K、P、S等,硅酸鹽礦物 Silicate mineral,閃石 amphibole,輝石 augite,長(zhǎng)石 feldspar,云母 mica,Oxide 氧化物,石英 quartz,金紅石,赤鐵礦 hematite,Phosphate 磷酸鹽,磷灰石 phosphate rock,Carbonate 碳酸鹽,方解石 calcite,白云石,硅酸鹽礦物構(gòu)造,硅氧四面體 Silicon-oxygen tetrahedron Si4+ O2- (SiO4)4-,架硅酸鹽礦物,鏈狀硅酸鹽礦物,環(huán)硅酸鹽礦物,Sheet silicates 片狀硅酸鹽礦物,硅酸鹽礦物構(gòu)造與穩(wěn)定性的關(guān)系,原生礦物的風(fēng)化穩(wěn)定性,第二節(jié) 粘土礦物 Clay mineral,Introduction 層狀硅酸鹽粘土礦物 Sheet silicate clay minerals 非硅酸鹽粘土礦物 Non-silicate clay minerals,粘土礦物的類(lèi)型特征綜合反映了土壤的風(fēng)化和成土條件，研究和鑒定其種類(lèi)、數(shù)量和特征有重要意義. 幫助了解各種土壤在發(fā)生學(xué)上的地位； 幫助了解土壤的理化性質(zhì)（如吸濕性、可塑性、脹縮性和吸附性等）; 概略評(píng)價(jià)肥力特征及質(zhì)量。,粘土礦物簡(jiǎn)介,土壤中的主要次生礦物 Aluminosilicates (鋁硅酸鹽類(lèi)) 高嶺石 、 蒙脫石、 伊利石 、蛭石、綠泥石 Simple salts (簡(jiǎn)單鹽類(lèi)) 碳酸鹽、 硫酸鹽(石膏) 、氯化物 Oxides (氧化物類(lèi)) 針鐵礦、赤鐵礦、三水鋁石、銳鈦礦,Aluminosilicates 鋁硅酸鹽類(lèi),高嶺石 Kaolinite,蒙脫石 Montmorillonite,綠泥石 Chlorite,Simple salts 簡(jiǎn)單鹽類(lèi),方解石 calcite,白云石,Oxide 氧化物類(lèi),針鐵礦 goethite,褐鐵礦,三水鋁石 gibbsite,第二節(jié) 粘土礦物 Clay mineral,Introduction 層狀硅酸鹽粘土礦物 Sheet silicate clay minerals 非硅酸鹽粘土礦物 Non-silicate clay minerals,一、層狀硅酸鹽粘土礦物 Sheet silicate clay minerals,（一）構(gòu)造特征,1.基本結(jié)構(gòu)單位 2.單位晶片 3.單位晶層 4.同晶替代,(二) 硅酸鹽粘土礦物的種類(lèi)和一般特性,1.基本結(jié)構(gòu)單位,Silicon-oxygen tetrahedron 硅氧四面體 (SiO4)4-,Aluminum-oxygen octahedron 鋁氧八面體 (AlO6)9-,2. 單位晶片,Hexagonal arrangement,n (Al4O12)12-,Silicon-oxygen tetrahedron sheet 硅氧四面體片,Aluminum-oxygen octahedron sheet 鋁氧八面體片,n (Si4O10)4-,2. 單位晶片,n (Al4O12)12-,Aluminum-oxygen octahedron sheet 鋁氧八面體片,Clay minerals are made up of various combinations of three fundamental sheet structures: Si-O sheet in which the Si-O tetrahedron are linked in a hexagonal arrangement; Al-O sheet in which the Al3+ ions are surrounded by six closely packed hydroxyl (OH-) ions to form an octahedron structure; Mg-O sheet whose structure is similar to that of the Al-O sheet but contains Mg2+ ions rather than Al3+.,3. 單位晶層,3. 單位晶層,1:1 型晶層 2:1 型晶層 2:1:1 型晶層,1:1 型晶層 (Kaolinite) one silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet,1:1 型晶層 (Kaolinite) one silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet,2:1 型晶層 (Montmorillonite, illite) two silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet,2:1 型晶層 (Montmorillonite, illite) two silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet,2:1 :1 型晶層 (Chlorite 綠泥石） two silicon-oxygen sheet to one aluminum-oxygen sheet，forming a 2:1 layer structure, to one further Mg-O (brucite) sheet which occupies the interlayer position.,4. 同晶替代 （Isomorphous substitution）,組成礦物的中心離子被電性相通、大小相近的離子所替代而晶格構(gòu)造不變的現(xiàn)象叫做同晶替代（同型異質(zhì)替代）。 The most common substitutions involves replacement of some Si4+, in Si-O tetrahedron, by Al3+, and the substitution of Al3+, in Al-O oxtahedron, by Mg2+ or Fe3+. This substitution also can led to forming the Mg-O sheet.,同晶替代常見(jiàn)的是以低價(jià)代高價(jià)的金屬離子，所以產(chǎn)生的電荷以負(fù)為主。粘土礦物以負(fù)電荷為主，通過(guò)靜電引力吸附陽(yáng)離子。陽(yáng)離子養(yǎng)料吸附是土壤一個(gè)極重要特性，和肥力關(guān)系密切。 同晶替代現(xiàn)象在2:1和2:1:1型粘土礦物中比較普遍，而1:1型粘土礦物中則相對(duì)較少。,4. 同晶替代 （Isomorphous substitution）,一、層狀硅酸鹽粘土礦物 Sheet silicate clay minerals,（一）構(gòu)造特征,1.基本結(jié)構(gòu)單位 2.單位晶片 3.單位晶層 4.同晶替代,(二) 硅酸鹽粘土礦物的種類(lèi)和一般特性,Classification of clay minerals is based on three criteria: The ratio of different sheets within a unite layers, The interlayer or basal spacing between unite layers, The interlayer components or species.,土壤中層狀硅酸鹽粘土礦物種類(lèi)很多，根據(jù)其構(gòu)造特點(diǎn)和性質(zhì)可歸納為四類(lèi)： 高嶺組 蒙蛭組 水化云母組 綠泥石組,(二) 硅酸鹽粘土礦物的種類(lèi)和一般特性,硅酸鹽粘土礦物 （構(gòu)造特點(diǎn)、性質(zhì)）,高嶺組 Kaolinite group 1:1 layer clay minerals 高嶺石、珍珠陶土，埃洛石等,蒙蛭組 Montmorillonite group 2:1 layer and shrink-swell minerals 蒙脫石，綠脫石，拜來(lái)石，蛭石等,水化云母組 Hydrous mica group 2:1 layer and no shrink-swell minerals 伊利石等,綠泥石組 Chlorite group 2:1:1 layer clay minerals 綠泥石等，富含鎂、鐵,Kaolinite has a 1:1 layer structure and an interlayer spacing of around 7 (0.7nm). Layer units are attracted by hydrogen bonding and the crystals have a characteristic hexagonal appearance.,1. 高嶺組 (1:1 型礦物) 高嶺石、珍珠陶土，埃洛石等,高嶺組粘土礦物特性 1:1型。 結(jié)構(gòu)相似，分子式：Al4Si4O10(OH)8 , SiO2/Al2O3 分子比率2。 非膨脹性。 四面體片與八面體片通過(guò)共用氧原子結(jié)合成一個(gè)晶片，晶片間 以較強(qiáng)的氫鍵相連，水化時(shí)基本不膨脹。 電荷數(shù)量少。 沒(méi)有或極少存在同晶替代現(xiàn)象。吸附陽(yáng)離子的能力極弱，吸附 容量3-15cmol(+)/kg。含量高的土壤保肥性差。 OH群中H在一 定酸度下解離，使其帶少量負(fù)電荷，且隨酸度條件而改變。 膠體特性較弱。 呈片狀，顆粒較粗、總表面積較?。?0103 20103m2/kg) 。 粘結(jié)性、可塑性和吸濕能力較弱。 熱帶、亞熱帶土壤中普遍存在，北方及青藏高原土壤中少。,兩個(gè)四面體片夾一八面體片組成一個(gè)晶片，八面體片中，部分Mg取代Al而使層片帶負(fù)電，多余電荷由層間陽(yáng)離子中和。水化時(shí)膨脹嚴(yán)重。,Montmorillonite (Smectite) is a 2:1 layer clay mineral with interlayer positions dominated by Na+ and Ca2+ ions, and water molecules. Although its basal spacing is approximately 14 (1.4nm), this varies somewhat due to its shrink-swell characteristics which occur on wetting and drying.,2. 蒙蛭組 (2:1 膨脹型礦物) 蒙脫石，綠脫石，拜來(lái)石，蛭石等,蒙蛭組粘土礦物特性 2:1型。 結(jié)構(gòu)相似，分子式：Al4Si8O20(OH)4nH2O, SiO2/Al2O3分子比率2-4。 脹縮性大。 層間結(jié)合力（分子引力）較小。晶架間距可變， 9.6-21.4 電荷數(shù)量多。 普遍存在同晶替代現(xiàn)象。Si-O片，鋁代硅；Al-O片中鎂、鐵代鋁， 帶有陰電荷，有較強(qiáng)的吸附陽(yáng)離子能力，吸附容量80-150cmol (+)/kg 含量高的土壤保肥性強(qiáng)。 膠體特性突出。 呈片狀，顆粒特別細(xì)，總表面積大（600103 800103m2/kg) 。含 量多的土壤，粘結(jié)、粘著性、可塑性和吸濕能力特別強(qiáng)，耕作不利。 東北黑鈣土和華北栗鈣土中含量較多，華北的褐土和西北的灰鈣土中也有。,3. 水化云母組 (2:1 型非膨脹型或伊利組礦物) 伊利石等,Illite also is a 2:1 layer clay minerals with an interlayer spacing of approximately 10 (1.0nm) and K+ ions as the dominant interlayer component. 伊利石晶架間的鉀離子同時(shí)受 相鄰兩晶架的陰電荷的吸附，產(chǎn)生 了聯(lián)結(jié)的效果，使其不易脹開(kāi)。這 和蒙脫石類(lèi)有明顯區(qū)別。,水化云母組粘土礦物特性 2:1型。 結(jié)構(gòu)相似，分子式：K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/Al2O3分子比率3-4。 非膨脹性。 晶架間吸附陽(yáng)離子以K+為主，半陷于晶穴內(nèi)，同時(shí)受相鄰兩晶層 陰電荷的吸附，產(chǎn)生了強(qiáng)聯(lián)結(jié)的效果，不易脹開(kāi)。層間距1.0nm。 電荷數(shù)量較多。 同晶替代現(xiàn)象普遍，主要發(fā)生在硅片，電荷量較大，但部分被層間 K+中和，有效電荷量少于蒙脫石，吸附容量介于高嶺石和蒙脫石之 間，為2040cmol(+)/kg. 膠體特性 介于高嶺組和蒙脫組之間。 伊利石主要存在于我國(guó)北方干旱地區(qū)土壤中，南方土壤含量很低。,2:1粘土礦物的相鄰晶片間加入一個(gè)八面體片，此八面體片中Mg被Al部分取代而帶正電荷，中和了相鄰晶片上的負(fù)電荷。由于強(qiáng)烈的靜電吸引使其成為非膨脹粘土。,Chlorite has a 2:1:1 layer structure (two Si-O sheet to one Mg-O sheet, forming a biotite mica (滑石）layer, to one further Mg-O sheet which occupies the interlayer position) with an interlayer spacing of about 14 (1.4nm).,4. 綠泥石組（ 2:1:1 型礦物 ） 以綠泥石為代表，富含鎂、鐵,綠泥石組粘土礦物特性 2:1:1型。 化學(xué)式為MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 同晶替代較普遍。 硅片、水鋁片和水鎂片上均有發(fā)生，硅片中Al3+代Si4+、鋁片中 Mg2+代Al3+產(chǎn)生負(fù)電荷，水鎂片中Al3+ 代Mg2+產(chǎn)生正電荷，兩者 相抵為凈負(fù)電荷，介于伊利石與高嶺石之間，為1040cmol (+)/kg 。 顆粒較小。 可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性居中。 土壤綠泥石主要來(lái)自母質(zhì)遺留，沉積巖和沉積物中較多。,第二節(jié) 粘土礦物 Clay mineral,Introduction 層狀硅酸鹽粘土礦物 Sheet silicate clay minerals 非硅酸鹽粘土礦物 Non-silicate clay minerals,二、非硅酸鹽粘土礦物 鐵、鋁、硅、錳等的氧化物及其水合物 結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì) 可變電荷，表面羥基的質(zhì)子化或離解，因介質(zhì)pH而異，可正可負(fù)（兩性膠體） 低pH： M-OH + H+M-OH2+（水合基） 高pH： M-OH + OH-M-O- + H2O,氧化鐵( Iron oxide ) 主要礦質(zhì)染色劑 針鐵礦(-FeOOH)：晶體較大者為黃色，較小者為棕色，存在于濕 潤(rùn)土壤有較高氧化性的亞表層，銹紋銹斑，鐵結(jié)核 赤鐵礦(-Fe2O3) ：紅色，存在于干燥的氧化性表土層及膠膜 纖鐵礦(-FeOOH) ：棕橙色，存在于排水不良而富含有機(jī)質(zhì)土壤 磁赤鐵礦(-Fe2O3) ：暗紅棕色, 存在于高度風(fēng)化且有機(jī)質(zhì)少的表土 磁鐵礦（Fe3O4）：棕黑色，多存在于母質(zhì)中,有時(shí)與磁赤鐵礦共存 無(wú)定形鐵（Fe(OH)3）：棕色，膠膜，銹水,氧化鐵的形態(tài)及轉(zhuǎn)化 非游離鐵 全鐵 （Fet） 游離鐵 結(jié)晶質(zhì) （Fed） 無(wú)定形或活性鐵 非絡(luò)合鐵 （Feo） 絡(luò)合鐵（Fep）,無(wú)定形隱晶質(zhì)晶質(zhì),氧化鋁 (Aluminium oxide) 硅酸鹽礦物徹底分解產(chǎn)物，常見(jiàn)的有三水鋁石Al2O33H2O，Al(OH)3和粘土礦物。 濕熱強(qiáng)度風(fēng)化脫硅富鋁化的指標(biāo)之一。 我國(guó)北緯30度以南土壤(紅壤、磚紅壤等)中才出現(xiàn)。 花崗巖風(fēng)化土壤中較多。山地土壤中有三水鋁石存在。 無(wú)定形鐵鋁氧化物比表面大，包被土粒，改變表面性質(zhì)可吸附固定H2PO4-等陰離子，減低其有效性。,氧化硅 (Silicon oxide) 結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì) 晶質(zhì)以石英為主 非晶質(zhì)為蛋白石(SiO2nH2O)，脫水結(jié)晶為玉髓、石英、方石英、鱗石英等變體。 土壤中部分蛋白石來(lái)源于有機(jī)體，其含量常與有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)?？勺鳛楣磐寥缆癫乇韺拥闹甘拘缘V物。 水鋁英石(Allophane) 非晶質(zhì)硅酸鹽礦物，火山灰土壤的主要粘土礦物，Si/Al變化在1-2之間。比表面較大，帶較多負(fù)電荷，數(shù)量決定于水化程度和溶液pH,第三節(jié) 中國(guó)土壤粘土礦物分布規(guī)律,一、風(fēng)化和成土作用與粘土礦物組成的關(guān)系 粘土礦物是次生礦物，其形成和類(lèi)型分布一方面受母巖、母質(zhì)的礦物學(xué)組成影響，另一方面又和風(fēng)化、成土條件（氣候、生物、地形等）密切相關(guān)。 氣候和生物因素的分布式隨緯度變化的，因而土壤粘土礦物的分布也有隨生物、氣候分布的緯度地帶性規(guī)律。 南方熱帶磚紅壤、亞熱帶紅壤礦物風(fēng)化度高，粘土礦物以1:1型為主，并有三水鋁石，粘粒硅鋁鐵率2左右，屬鐵鋁土。 北方溫帶地區(qū)，粘粒礦物為各種2:1型(伊利石、蒙脫石等)，粘粒硅鋁鐵率多在3以上。風(fēng)化度低，屬硅鋁土。,原生礦物風(fēng)化淋溶直接演變（學(xué)說(shuō)） +H2O，-K -K -Mg -Si -Si 云母類(lèi) 伊利石 蛭石 蒙脫石 高嶺石 三水鋁石,粘土礦物形成途徑,風(fēng)化沉淀（自然合成）學(xué)說(shuō) 原生礦物徹底風(fēng)化產(chǎn)物重新組合沉淀而成。 SiO2nH2O