第3章-土壤環(huán)境地球化學-1

1、第三章 土壤環(huán)境地球化學,,你想過www嗎？ what is this soil? www: where is this soil? why is this soil? Soil sciene tell you 3w!,如果沒有土，世界將會怎么樣？如果沒有土， 明天將會怎么樣？,What’s the soil?!,How to use the soil?,第一

2、節(jié) 土壤在人類農業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)中的重要性,土壤是植物生長繁育和生物生產的基地土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分土壤是最珍貴的自然資源土壤資源是可持續(xù)農業(yè)的基礎,一、土壤是植物生長繁育和生物生產的基地　在人類賴以生存的物質生活中，人類消耗的約80％以上的熱量，75％以上的蛋白質和大部分的纖維都直接來源自土壤。,土壤的重要性,,民以食為天，食以土為本！,,土壤在植物生長中的特殊作用***,2、養(yǎng)分轉化和循環(huán)作用,3、雨水涵養(yǎng)作用,4、

3、生物的支撐作用,5、穩(wěn)定和緩沖環(huán)境變化的作用,1、營養(yǎng)庫的作用,一、土壤養(yǎng)分,1、土壤養(yǎng)分：由土壤提供的植物生長所必須的營養(yǎng)元素。,2、土壤養(yǎng)分分類 ： 大量元素和微量元素 大量元素、中量元素和微量元素,目前 國內外公認的高等植物所必需的營養(yǎng)元素有16 種。它們是碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、硼、錳、銅、鋅、鉬、氯。 鎳,Mn,B,Fe,S,N,C,O,H,Ca,K,P,Cu,Cl,Zn,Mg,M

4、o,必需營養(yǎng)元素,Ni,,,鎳：1987年，P. H. Brown等,,,必需營養(yǎng)元素的分組,必需營養(yǎng)元素的分組,二、土壤養(yǎng)分來源,三、土壤養(yǎng)分形態(tài),1、水溶態(tài)養(yǎng)分：土壤溶液中溶解的離子和少量的低分子有機化合物 2、代換態(tài)養(yǎng)分：是水溶態(tài)養(yǎng)分的來源之一 3、礦物態(tài)養(yǎng)分：大多數(shù)是難溶性養(yǎng)分，有少量是弱酸溶性的（對植物有效）4、有機態(tài)養(yǎng)分：礦質化過程的難易強度不同,? 根據在土壤中存在的化學形態(tài)分為：,? 根據植物對營養(yǎng)元素吸收利用的

5、難易程度分為：,? 速效養(yǎng)分：不經轉化就可被植物直接吸收利用的養(yǎng)分? 遲效養(yǎng)分：不能直接利用，只有經分解轉化為速效態(tài)才能被植物利用的養(yǎng)分,三、土壤養(yǎng)分形態(tài),1、水溶態(tài)養(yǎng)分：土壤溶液中溶解的離子和少量的低分子有機化合物 2、代換態(tài)養(yǎng)分：是水溶態(tài)養(yǎng)分的來源之一 3、礦物態(tài)養(yǎng)分：大多數(shù)是難溶性養(yǎng)分，有少量是弱酸溶性的（對植物有效）4、有機態(tài)養(yǎng)分：礦質化過程的難易強度不同,? 根據在土壤中存在的化學形態(tài)分為：,? 根據植物對營養(yǎng)元素吸

6、收利用的難易程度分為：,? 速效養(yǎng)分：不經轉化就可被植物直接吸收利用的養(yǎng)分? 遲效養(yǎng)分：不能直接利用，只有經分解轉化為速效態(tài)才能被植物利用的養(yǎng)分,四、土壤養(yǎng)分的有關概念,? 有效養(yǎng)分－能夠直接或經過轉化被植物吸收利用的 土壤養(yǎng)分,? 速效養(yǎng)分－在作物生長季節(jié)內，能夠直接、迅速為 植物吸收利用的土壤養(yǎng)分。遲效（緩效）養(yǎng)分,? 無效養(yǎng)分－不能被植物吸收利用的土壤養(yǎng)分。,? 土壤養(yǎng)分狀況－是指土壤養(yǎng)分的含量、組成、形態(tài)

7、 分布和有效性的高低。,五、土壤養(yǎng)分轉化與消耗,1、養(yǎng)分形態(tài)的轉化 ? 養(yǎng)分的有效化過程 ? 養(yǎng)分的固定過程。 2、養(yǎng)分的消耗 ? 土壤內部復雜的轉化過程； ? 植物吸收利用； ? 損失：淋失；氣態(tài)損失；侵蝕流失；人為活動引起的損失；,第二節(jié) 土壤中的大量元素,? 氮素是構成一切生命體的重要元素? 在植物生產中，植物對氮的需要量較大: 肥料三要素? 氮素肥料施用過剩會造成江湖水體富營養(yǎng)化、地下水硝態(tài)氮（NO3-N)積

8、累及毒害等。,一、土壤中的氮,1、土壤中氮的來源：生物固氮、降水、灌溉、施肥等 ? 土壤氮素的60%來自生物固氮。三葉草固氮量45—670 KgN/ha/a。固氮的樹木80—500 KgN/ha/a ? 降水帶入氮素10—20 KgN/ha/a，據測定在溫帶隨降水進入土壤的NO3-和NH4+約為15.0kg/公頃/年,（一）土壤中氮的來源和含量,2．有機態(tài)氮,土壤中的氮主要以有機態(tài)為主，一般可占全氮量的95%以上。按其

9、溶解度和水解難易程度可分為以下三類：,（3）非水解性有機氮(不溶于水，用酸、堿處理不水解 ),雜環(huán)態(tài)氮化物 糖與銨的縮合物 銨或蛋白質與木質素類物質作用形成復合物。,,（三）土壤中氮的轉化,（1）有機態(tài)氮的氨化：（2）NH4+－N的硝化：旱地通氣條件下，銨態(tài)氮轉化為硝態(tài)氮。（3）NO3-－N的反硝化：通氣不良情況下，硝態(tài)氮轉化為 N2、N2O等，是土壤氮素的損失過程。（4）無機態(tài)氮的生物固定（5）無機態(tài)氮的晶格固定與釋放

10、、吸附與解吸,表3-8 化肥氮在冬小麥季的去向Table 3-8 The fate of nitrogen fertilizer in winter wheat season,氨揮發(fā)：小麥：1-7%，玉米：2-8.5%,土壤氮素轉化過程與氮素循環(huán)示意圖,（四）土壤中氮的有效性,（1）、土壤全氮：凱氏消煮（2）、剖面無機氮：0—100 cm 的NO3-N + NH4-N ? 40 mg/kg （Nmin）（3）、土壤堿解氮

11、：1mol/L NaOH ? 120 mg/kg,? 土壤診斷---土壤氮素豐缺指標,（化學分析方法）,? 土壤中磷的主要來源于礦物質，在長期的風化和成土過程中，經過生物的積累而逐漸聚積到土壤的上層? 土壤有機質? 開墾后，則主要來源于施用磷肥,1、土壤中磷的來源：,（一）土壤中磷的來源和含量,2、土壤中磷的含量：,我國大多數(shù)土壤表層（0-20cm）的含磷量變動在0.04%-0.25%之間，不同土壤類型變幅很大。,? 全磷

12、含量雖然受人為因素的影響變幅很大，但由于土壤磷的遷移率小，因而仍表現(xiàn)出明顯的地帶性分布規(guī)律,二、土壤中的磷,從總體看，我國自南而北或自東而西土壤含磷量呈遞增趨勢。以華南的磚紅壤含磷量最低，東北的黑土、黑鈣土和內蒙的栗鈣土含磷量最高，華中的紅、黃壤以及華北的褐土、棕壤介于以上二者之間。（耕作施肥影響）,（二）土壤中磷的形態(tài),1．土壤中的有機磷化合物（簡稱有機磷）,土壤磷素可分為兩大類：有機態(tài)磷和無機態(tài)磷,一般有機磷含量約占全磷量的10%

13、~25%在侵蝕嚴重的紅壤中不足10%，而東北地區(qū)的黑土有機磷的含量較高，可達70%以上。粘質土有機磷含量比砂質土高,2．無機磷化合物（ 用P表示）,（1）磷酸鈣（鎂）類化合物（Ca—P ）,磷酸一鈣Ca(H2PO4)2 磷酸二鈣CaHPO4磷酸三鈣Ca3(PO4)2磷酸八鈣Ca8(PO4)6?5H2O磷酸十鈣Ca10(PO4)6?(OH)2羥基磷灰石Ca5(PO4)3OH磷灰石Ca5(PO4)3?F、,它們是石灰性或鈣質

14、土壤中磷酸鹽的主要形態(tài),,（2）磷酸鐵和磷酸鋁化合物（Fe—P, Al—P）,在酸性土壤中常見主要有粉紅磷鐵礦Fe(OH)2H2PO4、磷鋁石Al(OH)2H2PO4，它們溶解度極小。在水稻土和沼澤土中，常有藍鐵礦Fe3(PO4)2?8H2O，綠鐵礦Fe3(PO4)2?Fe(OH)2存在。,? 風化程度較高的南方磚紅壤、紅壤中，以O—P占的比重最大，最高可達90%以上，其次是Fe—P, Al—P; Ca—P很少。? 風化程度較低的

15、北方石灰性土壤中，Ca—P所占比例大，約在60%以上，其次是O—P; Al—P和Fe—P極少。,我國主要土壤類型中，一般分布有以下規(guī)律：,（三）土壤中磷的轉化,（2）無機磷的生物化學固定：(磷的固定) ? 易溶性或速效態(tài)磷酸鹽轉化為難溶性遲效態(tài)和緩效態(tài)的過程，通常稱之為磷的固定。 ? 吸附固定：非專性吸附、專性吸附 ? 化學沉淀：,（1）有機態(tài)磷的礦化：,（3）無機態(tài)磷的生

16、物固定（4）難溶性磷的釋放,,,活化,,,,,,,,,,,,,,,,菌根菌,根,土壤難溶性無機磷釋放的途徑,可溶性磷,,,,50-80%,酸化,螯合,酸化,螯合,,有機肥帶入的微生物,,,分泌物,解磷菌,,,生理酸性肥料,,CO2,（四）土壤中磷的有效性,土壤中能直接或經轉化為植物所利用的磷，稱為有效磷。土壤中有效磷的形態(tài)主要有： 1）土壤溶液中的磷酸根離子；2）包含在有機物中并較易分解的P；3）磷酸鹽固相礦物中溶解的磷酸根

17、離子； 4）交換吸附態(tài)磷酸根離子。,就有效P數(shù)量而言，以2）、3）兩種形態(tài)最重要。在培肥較好的土壤中，有機P的重要性更大。而在一般土壤中，則以磷酸鹽固相所釋放出的P為主。,速效態(tài)磷,土壤有效磷含量分級指標（0.5 M NaHCO3 浸提),? 土壤診斷土壤磷素豐缺指標,3-7mg/kg,華北土壤：,15 mg/kg,森林土壤：,變幅大：10-200mg/kg 一般土壤：50 mg/kg 基本滿足生長發(fā)育需要闊葉樹、杉木：

18、10-15 mg/kg,,,,,三、土壤中的鉀,三要素品質元素限制因素,（一）土壤中鉀的來源和含量,巖石礦物風化施肥,1、土壤中鉀的來源：,2、土壤中鉀的含量：,（一）土壤中鉀的來源和含量,0.5～2.5% K2O 平均為1.2% K2O,我國自南向北含鉀量是逐漸增加的趨勢? 華南地區(qū)，其平均水平 2% 河北：1.92% 135和150mg/kg 東北、內蒙的黑土可達2.6%,? 這主要是和地區(qū)的風化、成

19、土條件、淋失狀況等因素有關,（二）土壤中鉀的形態(tài),土體里的鉀完全是礦質態(tài)的，沒有有機態(tài)。鉀在土壤里的形態(tài)有以下幾種：,3．非交換性鉀,是存在于層狀硅酸鹽礦物層間和顆粒邊緣上的 K，即那些處在強吸附點上不能為上述鹽溶液在短時間內提取的 K。（直接貯備庫）也稱緩效態(tài) K。,4．礦物態(tài)鉀,又稱難溶性鉀，指含鉀原生礦物，如長石、云母中鉀，不溶于水，不易被溶液中的陽離子所代換，有效性低。（潛在儲備）也稱無效態(tài) K。,,（三）土壤中鉀的轉化,鉀的

20、固定,釋放、固定、吸收、流失,鉀的固定：水溶性鉀或交換性鉀進入粘土礦物晶層而被固定有效性降低的過程 ?,,,,,P,e,,,,i,,鉀的固定,第三節(jié) 土壤中的微量元素,微量元素：鐵、錳、銅、鋅、鉬、硼、氯,（四）土壤中鉀的有效性,,80-100 mg/kg,（1）、土壤速效鉀(醋酸銨浸提—火焰光度計) （2）、緩效鉀：硝酸消煮（供應潛力）,一、土壤中微量元素的來源及含量,1、土壤中微量元素的來源 土壤中微量元素主要來自巖

21、石和礦物,（1）水溶態(tài) 一般含量很低。,（2）代換態(tài) 一般土壤中交換態(tài)微量元素含量不高，少的不足1?g/g，多的可達幾十?g/g。,（3）專性吸附態(tài) Cu 2+、Zn 2+、MoO42-、H4BO4-。,（4）有機結合態(tài)的微量元素 與土壤中的胡敏酸和富里酸形成的絡合物。,（5）鐵、錳氧化物包被態(tài) 鉬+鐵（近于礦物態(tài)）。,二、土壤中微量元素的形態(tài),（6）礦物態(tài) 指存在于礦物晶格中的微量元素。但大多數(shù)礦物的溶解度都很低。,,元素,,極低

22、,,低,,中,,豐,,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,-,

23、10,,10,-,20,20-,30,,>30,Zn,,< 0.5,,0.5,-,1.0,,1.0,-,2.0,,2.0,-,5.0,,>5.0,,,,,,,,,,,,,,微量元素豐缺標準 （單位 mg/kg）,土壤中微量元素的全量并不能表征對植物是否充足，而微量元素的有效形態(tài)則與植物生長關系更為密切。,,缺乏臨界值,,DTPA浸提,,土壤微量元素的形態(tài)、臨界值及本省缺乏狀況,pH 3.3草酸—草酸銨,,四、影響微量

24、元素有效性的因素,在土壤正常的pH變幅內，對于陽離子型的微量元素（Fe、Mn、Cu、Zn）其溶解度隨pH的下降而增大，有效度也隨之增大。而對于陰離子型的微量元素如Mo，則相反。,1．土壤的酸堿度,? 強酸性土壤中，F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn有時會超出植物的忍耐范圍，產生毒害。pH值升高，土壤的固定作用增強,? 石灰性土壤，pH較高，CaCO3對微量元素的固定作用強，所以植物易于缺乏微量元素，如Fe、Mn、Cu、Zn、B，單施效果差，,可以施

25、用絡合態(tài)微量元素或葉面噴施,2．土壤氧化還原狀況,土壤的氧化還原狀況主要影響那些具有多種化合價的元素，如Fe、Mn、Cu? 隨著土壤的氧化還原電位降低，土壤中還原態(tài)的物 質增多，如還原態(tài)Fe、Mn的含量增加；,3．有機質和微生物的活動,有機物絡合，如泥炭對銅、鋅的固定；生物固定 。,4．固定作用,過量施用化學磷肥，可以導致一部分有效性的Fe、Mn、Cu、Zn等與磷酸根作用，形成沉淀。,,第四節(jié) 土壤和植物的營養(yǎng)診斷,一、土壤

26、和植物營養(yǎng)診斷的概念和原理,濃度：指單位植物干物質中某一特定元素的量（w/w），含量：指特定植物干物質總量中某養(yǎng)分的量(w/plant organ)。因此，濃度是與植株大小沒有關系的強度指標，而含量是一個依存于植株大小的容量指標。,含量 = 濃度*干重總量,1.養(yǎng)分組成的表示,2. 診斷的基本原理,植物生長、養(yǎng)分濃度和養(yǎng)分含量與養(yǎng)分供應之間關系,三個植物營養(yǎng)狀態(tài)：養(yǎng)分缺乏、奢侈消耗和毒害,稀釋效應,在進行植物的培養(yǎng)試驗時，通過植物分

27、析?？砂l(fā)現(xiàn)，當提高一種限制性養(yǎng)分的供應量，并使得植物生長量增加時，常會降低其它非限制性營養(yǎng)元素在植物組織中的濃度，即所謂的“稀釋效應”,二、 營養(yǎng)診斷的應用,土壤養(yǎng)分分析法 用土壤養(yǎng)分含量多少來反映林木的營養(yǎng)狀況具有很大的實用價值，形態(tài)癥狀分診斷法 當某一元素供應失調時，必然會影響某些功能正常發(fā)揮或器官的正常生長，植物的外觀就會表現(xiàn)出特定的癥狀。 植物組織分析法 分析測定植物組織中某一營養(yǎng)元

28、素的含量。有組織汁液速測和全量分析兩種。,1.營養(yǎng)診斷的方法,,,（1）施肥 根據評定土壤養(yǎng)分供應狀況的要求，一般土壤測定的主要項目是：土壤全氮、土壤水解性氮(即有效氮)、速效磷、速效鉀和土壤腐殖質，其他土壤養(yǎng)分及化學性質則視情況而定 （2）植物缺素癥,2. 營養(yǎng)診斷的應用,,土壤的重要性,二、土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,,,土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)中起著極重要作用：★保持生物活性，多樣性和生產性；★對水體和

29、溶質流動起調節(jié)作用；★對有機、無機污染物具有過濾、緩沖、降解、固定和解毒作用；★具有貯存并循環(huán)生物圈及地表的養(yǎng)分和其它元素的功能。,,土壤是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的基礎,植物生產和動物生產都直接或間接以土壤為基地而實現(xiàn)，因此對土壤進行合理利用、科學管理，是保證動植物正常生產的前提。 （1）科學規(guī)劃，宜農則農，宜林則林，宜牧則牧。 （2）用地和養(yǎng)地相結合（科學施肥，灌溉），促進農業(yè)持續(xù)發(fā)展。 （3）植物生產—動物生產—廢棄

30、物堆肥—培肥土壤。,土壤的重要性,,三、土壤管理是植物生產和動物生產的基礎,土壤作為資源，不同于煤、石油、金屬礦產等資源，只要開墾得當，用之得宜，具有一定的可再生能力，越種則土壤肥力越高。但如果土壤被占用，如修路、筑房等，則土壤的再生作用就會永遠消失，不再是農業(yè)最基本的生產資料。,土壤的重要性,,四、土壤是具有再生作用的自然資源,五、土壤是最珍貴的自然資源,1、土壤資源的相對不可再生性 土壤資源與光、熱、水、氣資源一樣被稱之

31、為可再生資源。但從其自然屬性來看又是不可再生的，是有限的自然資源。,土壤的重要性,,2、土壤資源數(shù)量的有限性★ 土壤形成的時間長★ 土地被占用的面積逐漸擴大★ 土地退化日趨嚴重★ 人口劇增,3、土壤資源質量的可變性 ★ 土壤肥力在物質循環(huán)和平衡中不斷獲得發(fā)育和提高 ★ 高強度、無休止的向土壤索取，土壤肥力將逐漸下降和破壞,4、土壤資源空間分布上的固定性 ★覆蓋在地球表面各種不同類型的土壤，在地面空間位置上有相對

32、的固定性，在不同生物氣候帶內分布著不同的地帶性土壤（如東部沿海地區(qū)從溫帶至熱帶森林土壤分布呈現(xiàn)有規(guī)律的更替：棕壤—黃棕壤—紅壤、黃壤—赤紅壤—磚紅壤）★土壤資源的空間分布還受區(qū)域性地形、母質、水文、地質等條件的影響?！锶祟惖母骰顒右哺淖兞送寥赖男誀睿瑥亩绊懲寥赖目臻g分布。,我國土壤資源豐富,國土面積 960萬km2,但是我國是個多山的國家,各種山地丘陵地面積占全部土地面積的65％,平原區(qū)土地僅占35％。我國人均耕地面積為0.1

33、3hm2 , 不到世界人均耕地的l／3。人均林地面積0.11hm2 , 占世界人均林地面積的1／9。人均草地面0.28hm2 , 不到世界人均草地面積的1／2。,,,,我國土壤退化概況,據統(tǒng)計，我國目前水土流失面積達367萬km2，占國土總面積的38.2%。其中水蝕面積已發(fā)展至 179.4萬km2,占國土面積的 18.6％，每年流失表土約 60億t。耕地中有667萬－800萬hm2，已發(fā)生次生鹽化，有1.0億hm2 草地退化。我國現(xiàn)已有

34、重金屬污染耕地 2000萬hm2，農藥污染耕地 1300萬－1600萬hm2，受酸雨危害的耕地達 267萬hm2。,,土壤的可持續(xù)利用是持續(xù)農業(yè)的基礎,我國要跨進可持續(xù)發(fā)展的“大門”還需要：30-50年？,短期內不可逆轉的趨勢： 1、耕地減少不可逆轉； 2、人口增長不可逆轉；

35、 3、消費水平的提高不可逆轉；,可持續(xù)發(fā)展的條件： 人口的零或負增長 （中國每年凈增人口>1000萬） 資源破壞的零或負增長 （中國每年減少土地>300萬畝） 生態(tài)環(huán)境惡化的零或負增長 （中國荒漠化速度2620km2/年）,,六、土壤是一個獨立的自然歷史體,土壤不僅是具有一定的物質組成、形態(tài)特征、結構功能的物質實體，而且具有自身發(fā)生發(fā)展、長期演變的歷史過程。它是一個獨立的自然歷史體。土壤在

36、自然界并不是孤立存在的，處于大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈的交界面上，與大氣、水分、生物及巖石共同處于永恒的交互作用之中。,,第二節(jié) 土壤目前的環(huán)境問題：,1、生態(tài)破壞問題：土壤退化、土壤侵蝕、水土流失、沙漠化和荒漠化等；,2、環(huán)境污染問題：農藥、化肥的投入；污水灌溉；“三廢”堆棄等，造成土壤污染事件的發(fā)生；,土地沙化、荒漠化和沙塵暴,土地沙漠化已成為世界性災難。全世界沙漠和沙漠化土地已有4500多萬平方公里，沙漠化土地每年還以5至7萬

37、平方公里的速度在擴大，全世界有10億人口的生產、生活直接受沙漠威脅，2/3的國家和地區(qū)飽嘗土壤沙化之苦。土壤沙化已被列為當今世界十大環(huán)境問題之首。,1. 沙漠化： 非洲的北部，5600公里長、寬2000公里，總面積945萬平方公里的浩瀚沙漠，這就是撒哈拉大沙漠。,,,2.荒漠化： 干旱、半干旱和濕潤、半濕潤地區(qū)，由于氣候變化或人類活動造成的土地退化。,原因： 過渡放牧和不適當?shù)暮底鬓r業(yè)； 大

38、量砍伐森林。,拉丁美洲的亞馬遜河流域，20世紀60年代開始的大規(guī)?！皦ɑ倪\動”，有些地方現(xiàn)已成為不毛之地；,,3.沙塵暴： 前蘇聯(lián)的黑風暴事件。十萬拓荒者在哈薩克斯坦北部，俄羅斯東部，開墾了4000萬公頃土地；到了1963年，干旱的春天發(fā)生了沙塵暴，300萬公頃的作物由于干旱全部損失掉。 美國1934年的黑風暴事件。,美國1934年的沙塵暴,我國的實例： 我國是世界上受荒漠化危害最嚴重的國家之一。黃河流域大片

39、豐沃的森林與良田成為風沙迷漫的高原荒地；著名的絲綢之路等等； 到1993年，全國荒漠化土地面積已達332.7萬平方公里，超過國土總面積的1/3。我國荒漠化最嚴重的地區(qū)在西北部的新疆、甘肅、青海、內蒙、寧夏等省和自治區(qū)，尤其是半干旱地帶的農牧交錯區(qū)和草原上開墾的干旱農業(yè)區(qū)。,我國的沙塵暴,1993年5月5日，甘肅省金昌市遭受特大沙塵暴，黑風過境時，能見度為零米，風速32米/秒。這次特大沙塵暴橫掃我國西北110萬平方公里、72個縣

40、市、1200萬人口。據統(tǒng)計，共奪去了80多人的生命，資產損失近10億元。,我國沙塵暴的分布,,,金昌沙塵暴,沙塵籠罩的北大校園,沙塵暴來了,第三節(jié) 土壤污染的概念,一、土壤背景值,土壤背景值在理論上應該是土壤在自然成土過程中，構成土壤自身的化學元素的組成和含量。即未受人類活動影響的土壤本身的化學元素組成和含量。,即嚴格按照土壤背景值研究方法所獲得的盡可能不受或少受人類活動影響的土壤化學元素的原始含量。,判斷土壤是否受到污染或污染程度的

41、標準。土壤背景值又稱土壤本底值，它代表一定環(huán)境單元中的一個統(tǒng)計量的特征值。背景值（地質學）：指在各區(qū)域正常地質地理條件和地球化學條件下元素在各類自然體中的正常含量。環(huán)境科學上：指在未受或少受人類影響的情況下，尚未受或少受污染和破壞的土壤中元素的含量?！煌寥赖谋镜字迪嗖詈艽?不受污染的凈土或者還有？,全國土壤(A層①)背景值 單位：μg/kg,①A層指土壤表層或耕層。,土壤背景值的表達方法：算術平均值

42、算術平均值±標準偏差幾何平均值±幾何標準偏差 我國土壤元素背景值的表達方法： 95%置信度如元素測定值符合正態(tài)分布：用算術平均值 如元素測定值呈對數(shù)正態(tài)分布：用幾何平均值,土壤背景值的用途： 1、農田施肥； 2、土壤污染評價 3、計算土壤環(huán)境容量； 4、應用于醫(yī)療衛(wèi)生；,二、土壤自凈作用,土壤自凈是指進入土

43、壤的污染物，在土壤礦物質、有機質和土壤微生物的作用下，經過一系列的物理、化學及生物化學反應過程，降低其濃度或改變其形態(tài)，從而消除污染物毒性的現(xiàn)象。,物理自凈 化學和物理化學自凈

44、 生物化學自凈,,,,土壤自凈,三、土壤環(huán)境容量,環(huán)境容量指的是在一定條件下環(huán)境對污染物最大容納量。,土壤環(huán)境容量被定義為：“土壤環(huán)境單元一定時限內遵循環(huán)境質量標準，既保證農產品產量和生物學質量、同時也不使環(huán)境污染時，土壤所能允許承納的污染物的最大數(shù)量或負荷量”。,當土壤環(huán)境容量標準確定后，可由下式獲得土壤的靜容量： Cso=M(Ci-Cb

45、i),式中， Cso為土壤靜容量； M為耕層土重 為耕層土重(2250t／hm2)； Ci為i元素的土壤環(huán)境標準 (mg／kg)； Cbi為i元素的土壤背景值 (mg／kg)。,Q:土壤中鎘的衛(wèi)生標準是1.0ppm，經調查研究鎘的自然本底值為0.1ppm，該土壤對鎘的環(huán)境容量的是多少?,A:土壤中鎘的自然本底值為0.1ppm，土壤鎘的衛(wèi)生標準為1.0ppm，則土壤的環(huán)境容量＝1.0－0.1＝0.9ppm。,元素,我國主要土壤重金屬臨界含

46、量 （mg/kg）,,第四節(jié) 土壤的概念及其物質組成,一、土壤的概念 簡明定義： 土壤是在地球表面生物、氣候、母質、地形、時間等因素綜合作用下所形成，處于永恒變化中的疏松礦物質與有機質的混合物。 土壤是陸地表面由礦物質、有機質、水、空氣和生物組成，具有肥力，能生長植物的未固結層。 土壤是指覆蓋于地球陸地表面，能生長植物的疏松物質層。,綜合定義：土壤是地球表

47、面生物、氣候、母質、地形、時間等因素綜合作用下所形成的、可供植物生長的一種復雜的生物地球化學物質；與形成它的巖石和沉積物相比，具有獨特的疏松多孔結構，化學和生物學特性；它是一個動態(tài)生態(tài)系統(tǒng)，為植物生長提供了機械支撐、水分、養(yǎng)分和空氣、熱等條件；支持大部分微生物群體的活動，來完成生命物質的循環(huán)；維持著所有的陸地生態(tài)系統(tǒng)，其中通過供給糧食、纖維、水、建筑材料、建設和廢物處理用地，來維持人類的生存發(fā)展；通過濾掉有毒的化學物質和病原生物體，來保

48、護地下水的水質，并提供了廢棄物的循環(huán)場所和途徑或使其無害化。,土壤的分層和性質,土壤從上到下通常分為A、B、C、D四層： A層（淋溶層）：厚度在10厘米左右，含有豐富的有機物和腐殖質； B層（淀積層）：由上層土淋濾出來的有機物、鹽類、以及粘土顆粒組成； C層（母質層）：風化的成土母巖組成。 D層（原始層）：為未風化的基巖。,The soil profile,Soil profile: a vertical se

49、ction 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 neighb

50、ours.,二、土壤的物質組成　　土壤是由固相、液相和氣相組成的多孔分散體系。組成土壤的基本物質主要有礦物質、有機質、水分、空氣和生物等，土壤的固相主要由土壤礦物和土壤有機質組成。,,,土壤,,土壤固相(占容積的50％),空隙,,礦物質(質量占固相總質量的95％～98％),有機質和生物（質量占固相總質量的2％～5％）,,土壤溶液,空氣,土壤溶液和空氣占土壤總體積的50％，且二者之間經常處于彼此消長的狀態(tài)。,土壤礦物質是由巖石經風化而

51、來的，一般占土壤固體部分質量的95％～98％。礦物質直接影響土壤性質，又是植物礦質養(yǎng)分的主要來源，故同土壤肥力有密切關系。,1.土壤礦物質的組成 （1）原生礦物質：巖石經過物理風化作用被破碎形成的碎屑，其原來的化學組成沒有改變。 （2）次生礦物質：原生礦物質經過化學風化后形成的新礦物，其化學組成和晶體結構均有所改變。,(一) 土壤礦物質,硅 酸 鹽 類,氧 化 物 類,硫 化 物 類,磷 化 物 類,原生礦物,次生礦

52、物,次生硅鋁酸鹽礦物,氧化物類礦物,簡單鹽類礦物,,,,一類由金屬陽離子與硅酸根化合而成的含氧酸鹽礦物。,原生礦物(original mineral),概念： （巖漿） 由地殼深處熔融狀態(tài)的巖漿直接冷凝而形成的礦物稱原生礦物。經過不同程度的物理風化后，未改變原始的化學組成和結晶結構。 土壤中的原生礦物主要有石英、長石、云母、角閃石、輝石等；其次有少量橄欖石、磷灰石、赤鐵礦等。,水晶晶簇,黑云母,長石,次生礦物(s

53、econdary mineral) 1. 概念 原生礦物經物理、化學風化作用后，在形態(tài)、組成和性質上發(fā)生了化學變化，形成的新礦物稱次生礦物。土壤中的次生礦物： 氧化物類（含水的氧化鐵，氧化鋁，氧化硅等）、次生鋁硅酸鹽、各種簡單鹽類（碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物）,2. 特點： 顆粒直徑非常細?。?lt;0.005mm），是土壤粘粒的主要成分。 對土壤的貢獻： 參與土壤

54、骨架的構成；形成 土壤礦質膠體，影響土壤的通氣透 水性和保水保肥性。,由次生礦物（細顆粒）形成的粘土,硅氧四面體是硅酸鹽礦物的最基本的結構單位，不同的連接組合方式形成不同的硅酸鹽礦物。,3. 層狀硅酸鹽粘土礦物,,鋁硅酸鹽類礦物的基本結構單元示意圖,Share1 oxygen,,,,硅氧片 Silica Tetrahedral Sheet,鋁硅酸鹽類礦物的基本結構單元示意圖,鋁氧片 Octahedral Sheet,

55、Share2 oxygens,,,,Four groups： 高嶺石組 蒙脫石組 水云母（伊利石）組 綠泥石組,（1）1:1型單位晶層:,由一個硅片和一個鋁片構成。硅片頂端的活性氧與鋁片底層的活性氧通過共用的方式形成單位晶層。 這樣1:1型層狀鋁硅酸鹽的單位晶層有兩個不同的層面，一個是由具有六角形空穴的氧原子層面，

56、一個是由氫氧構成的層面。,1:1型粘土礦物的構造示意圖,,Al,Si,OH,O,O,1:1型高嶺石類晶體結構模型圖,,,,,,,,Non-Expanding 10 cmol(+)/kg,Kaolinite,,Silica Tetrahedral Sheet,,Aluminum Octahedral Sheet,1:1 Clay,特點：(1）1:1型的晶層結構。單位晶胞的分子式可表示為Ai4Si4O10(OH)8。

57、 （2）無膨脹性。兩個晶層的層面間產生了鍵能較強的氫鍵，膨脹系數(shù)一般小于5％.高嶺石層間距約為0.72nm。 （3）電荷數(shù)量少陽離子交換量只有3-15Cmoles(+)Kg-1。 （4）膠體特性較弱。較粗（0.2-2?m），顆粒的總表面積相對較小，為10－20×103m2kg-1。,高嶺組粘土礦物是南方熱帶和亞熱土壤中普遍而大量存在的粘土礦物，在華北、西北、東北及西藏高原土壤中含量很少。,高嶺組（

58、1:1型礦物） 包括：高嶺石、珍珠陶土、迪愷石及埃洛石等,由兩個硅片夾一個鋁片構成。兩個硅片頂端的氧都向著鋁片，鋁片上下兩層氧分別與硅片通過共用頂端氧的方式形成單位晶層。這樣2:1型層狀硅酸鹽的單位晶層的兩個層面都是氧原子面。,2:1型粘土礦物的構造示意圖,,O,Si,Al,O,,2:1 Clay,Si Tetra.,Al Oct.,Si Tetra.,Expanding,H2O,H2O,H2O,H2O,H2O

59、,Montmorillonite,100 cmol(+)/kg,,,特征：（1）2:1型的晶層結構蒙脫石是其典型代表。（2）脹縮性大。蒙脫石晶層間距變化在0.96-2.14nm之間，蛭石的膨脹性比蒙脫石小，其晶層間距變化在0.96-1.45nm之間。（3）電荷數(shù)量大。同晶替代現(xiàn)象普遍。（4）膠體特性突出。較細（有效直徑0.01-1?m），總表面積為600－800×103m2kg-1，且80％是內表面。蛭石一般為400&

60、#215;103m2kg-1。,蒙蛭組（2:1型膨脹性礦物） 包括：蒙脫石、綠脫石、拜來石、蛭石等。,蒙脫石組在我國東北、華北和西北地區(qū)的土壤中分布較廣,K,K,K,K,K,K,2:1 Clay,Illite,40 cmol(+)/kg,Non-expanding,Interlayer K+,,特征： （1）2:1型晶層結構，伊利石是其主要代表。 （2

61、）無膨脹性。在伊利石晶層之間吸附有鉀離子，對相鄰兩晶層產生了很強的鍵聯(lián)效果，使晶層不易膨脹，伊利石晶層的間距為1.0nm。 （3）電荷數(shù)量較大。20－40Cmoles(+)kg-1。 （4）膠體特性一般?？偙砻娣e為70－120×103m2kg-1，其可塑性、粘結性、粘著性和吸濕性都介于高嶺石和蒙脫石之間。,水化云母組（2:1型非膨脹性礦物）,伊利石廣泛分布于我國多種土壤中，尤其是華北干旱地區(qū)的土壤中含量很高，而南方

62、土壤中含量很低。,（3）同晶替代 是指組成礦物的中心離子被電性相同、大小相近的離子所替代而晶格構造保持不變的現(xiàn)象。由于這種代換并不影響礦物的晶體結構，所以這種代換稱為同晶替代或同晶代換。,＊同晶替代的結果使土壤產生永久電荷，能吸附土壤溶液中帶相反電荷的離子,使土壤具有保肥能力。,土壤中同晶替代的規(guī)律：,1、高價陽離子被低價陽離子取代的多；因此，土壤膠體一般其凈電荷為陰性。2、四面體中的Si4+被Al3+離子所替代，八面體中A

63、l3+被Mg2+替代。3、同晶替代現(xiàn)象在2:1型的粘土礦物中較普遍，而1:1型的粘土礦物中則相對較少。,,3.3.3 硅酸鹽粘土礦物的種類及特性,什么叫做礦物?分析原生礦物和次生礦物在土壤中的主要作用是什么?2. 試比較高嶺石、蒙脫石和伊利石在晶架構造上有何不同?3. 試比較高嶺石組礦物與蒙脫石組礦物在性質上的差異? 以

64、及產生這些差異的原因是什么?,思考題,,4.土壤化學組成氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂八大元素含量約占96％以上，與巖石中各元素的含量相似。5.土壤機械組成指不同大小顆粒（沙礫、粉粒、黏粒）的相對含量。不同粒徑的礦物質顆粒的成分和物理化學性質有很大差異，如對污染物的吸附、解吸和遷移、轉化能力，有效含水量及保水、保溫能力等。 我國土壤質地分類參見表3.1；國際制土壤質地分類見表3.2。,表3.1 我國土粒分級標準,表3.2

65、國際制土壤質地分類,Soil texture triangle,由進入土壤的植物、動物、微生物殘體及施入土壤的有機肥料經分解轉化逐漸形成，通?？煞譃榉歉澄镔|和腐殖物質兩類；是土壤 形成的重要基礎，與土壤礦物質共同構成土壤的固相部分。,（二）土壤有機質,非腐殖物質：包括糖類化合物(如淀粉、纖維素等)、含氮有機合物及有機磷和有機硫化合物。腐殖物質：是植物殘體中穩(wěn)定性較大的木質素及其類似物在微生物作用下，部分被氧化形成的一類特殊的高分子聚

66、合物，具有芳環(huán)結構，苯環(huán)周圍連有多種官能團，如羧基、羥基、甲氧基及氨基等，使之具有表面吸附、離子交換、絡合、緩沖、氧化還原作用及生理活性等性能。,土壤中生活的微生物(細菌、真菌、放線菌、藻類等)及動物(原生動物、蚯蚓、線蟲類等) 對進入土壤的有機污染物的降解及無機污染物(如重金屬)的形態(tài)轉化起著主導作用，是土壤凈化功能的主要貢獻者。,（三）土壤生物,細菌,放線菌,蚯蚓,線蟲,圖5.1 土壤微生物和動物,蚯蚓,螨類,彈尾蟲,線蟲,土

67、壤水分及其所含溶質的總稱，溶有土壤中可溶成分的稀溶液，來源主要有：大氣降水、降雪、地表徑流、灌溉、地下水。,(四) 土壤溶液,淺層地下水,農田灌溉,河流,霧,雨,雪,圖5.2 土壤溶液的來源,土壤空氣存在于未被水分占據的土壤孔隙中，來源于大氣、生物化學反應和化學反應產生的氣體(如甲烷、硫化氫、氫氣、氮氧化物、二氧化碳等)。積水的土壤通氣不良，導致對植物的危害，茶樹最忌積水，積水的土壤不應用于種茶樹。,(五) 土壤空氣,三、土壤肥

68、力,我國目前較公認的土壤肥力的概念為： 指能供應與協(xié)調植物正常生長發(fā)育所需要的養(yǎng)分和水、空氣 、熱的能力。 土壤肥力可分為自然肥力和人為肥力。 自然肥力是由自然成土因素（氣候、生物、母質、地形、時間）綜合作用形成的土壤具有的肥力,如森林土壤、草原土壤等,自然肥力的高低決定于成土過程中諸成土因素的相互作用,特別是生物的作用。 人為肥力是土壤在人為因素（耕作、施肥、灌溉及其他技術措施等）影