1

第四篇 土壤环境化学

教学要求

（ 1 ）掌握土壤的组成与性质，了解土壤的粒级与质地分组特性。（ 2 ）了解污染物在土壤 - 植物体系中迁移特点、影响因素及作用机制。（ 3 ）掌握土壤的吸附、酸碱和氧化还原特性。（ 4 ）了解农药在土壤中的迁移原理与影响因素。

2

第一章 土壤成土过程

3

中国土壤类型

砖红壤、赤红壤、红壤和黄壤、黄棕壤、棕壤、暗棕壤、寒棕壤（漂灰土）、 褐土、黑钙土、栗钙土、棕钙土、黑垆土、荒漠土、高山草甸土、高山漠土

4

中国土壤类型－－砖红壤

分布地区 海南岛、雷州半岛、西双版纳和台湾岛南部，大致位于北纬 22°

以南地区。形成条件 热带季风气候。年平均气温为 23 ～ 26℃ ，年平均降水量为

1600 ～ 2000 毫米。 植被：热带季雨林。

特 征 风化淋溶作用强烈，易溶性无机养分大量流失，铁、铝残留，颜

色发红。 土层深厚，质地粘重，肥力差，呈酸性至强酸性。

5

中国土壤类型－－赤红壤

分布地区 滇南的大部，广西、广东的南部，福建的东南部，以及台湾省的

中南部，北纬 22°-25° 之间。 砖红壤与红壤之间的过渡类型。形成条件

南亚热带季风气候区。气温较砖红壤地区略低，年平均气温为 21 ～ 22℃ ，年降水量在 1200 ～ 2000 毫米之间。

植被：常绿阔叶林。

特 征 风化淋溶作用略弱于砖红壤，颜色红。土层较厚，质地较粘重，

肥力较差，呈酸性。

6

中国土壤类型－－红壤和黄壤

分布地区 长江以南的大部分地区、四川盆地周围的山地。形成条件 中亚热带季风气候区。 植被：亚热带常绿阔叶林。

特 征 有机质来源丰富，土壤腐殖质少，土性较粘，钾、钠、钙、镁积

存少，铁铝多，土呈均匀的红色。 黄壤中的氧化铁水解，土层呈黄色。

7

中国土壤类型－－黄棕壤

分布地区 北起秦岭、淮河，南到大巴山和长江，西自青藏高原东南边缘，

东至长江下游地带。 黄红壤与棕壤之间过渡型土类。形成条件 亚热带季风区北缘。 植被：落叶阔叶林，杂生有常绿阔叶树种。

特 征 具有黄壤与红壤富铝化作用的特点，又具有棕壤粘化作用的特点。

呈弱酸性反应，自然肥力比较高。

8

中国土壤类型－－棕壤

分布地区 山东半岛和辽东半岛。形成条件 暖温带半湿润气候。夏季暖热多雨，冬季寒冷干旱，年平均气温

为 5 － 14℃ ，年降水量约为 500-1000 厘米。 植被：暖温带落叶阔叶林和针阔叶混交林。

特 征 土壤粘化作用强烈，具有较明显的淋溶作用，钾、钠、钙、镁淋

失，粘粒向下淀积。 土层较厚，质地较粘重，表层有机质含量较高，呈微酸性反应。

9

中国土壤类型－－暗棕壤

分布地区 东北地区大兴安岭东坡、小兴安岭、张广才岭和长白山等地。形成条件 中温带湿润气候。年平均气温 -15℃ ，降水量 600 1100 毫

米。 植被：温带针阔叶混交林。

特 征 土壤呈酸性反应，具有丰富有机质，腐殖质积累量多。

10

中国土壤类型－－寒棕壤（漂灰土）

分布地区 大兴安岭北段山地。形成条件 寒温带湿润气候。年平均气温为 -5℃ ，年降水量 450-550 毫米。 植被：亚寒带针叶林。

特 征 土壤经漂灰作用（氧化铁被还原随水流失的漂洗作用和铁、铝氧

化物与腐殖酸形成螯合物向下淋溶并淀积的灰化作用）。 土壤酸性大，土层薄，有机质分解慢，有效养分少。

11

中国土壤类型－－褐土

分布地区 山西、河北、辽宁三省连接的丘陵低山地区，陕西关中平原。形成条件 暖温带半湿润、半干旱季风气候。年平均气温 11 14℃ ，年降

水量 500 700 毫米，主要集中在夏季，冬季干旱。 植被：中生和旱生森林灌木。

特 征 淋溶程度不强烈，有少量碳酸钙淀积。土壤呈中性、微碱性反应，矿物质、有机质积累较多，腐殖质层较厚，肥力较高。

12

中国土壤类型－－黑钙土

分布地区 大兴安岭中南段山地的东西两侧，东北松嫩平原的中部和松花江、

辽河的分水岭地区。形成条件 温带半湿润大陆性气候。年平均气温 -3 ～ 3℃ ，年降水量 350 ～

500 毫米。 植被：为产草量最高的温带草原和草甸草原。

特 征 腐殖质含量丰富，腐殖质层厚度大，土壤颜色以黑色为主，呈中

性至微碱性反应，钙、镁、钾、钠等无机养分较多，土壤肥力高。

13

中国土壤类型－－栗钙土

分布地区 内蒙古高原东部和中部的草原地区。形成条件 温带半干旱大陆性气候。年平均气温 -2 ～ 6℃ ，年降水量 250 ～

350 毫米。 草场为典型的干草原。

特 征 腐殖质积累程度比黑钙土弱，土壤颜色为栗色。土层呈弱碱性。

土壤质地以细沙和粉沙为主，区内沙化现象比较严重。

14

中国土壤类型－－棕钙土

分布地区 内蒙古高原的中西部，鄂尔多斯高原，新疆准噶尔盆地的北部，塔里木盆地的外缘。

形成条件 气候比栗钙土地区更干，大陆性更强。年平均气温 2 ～ 7℃ ，年

降水量 150 ～ 250 毫米。 植被：荒漠草原和草原化荒漠。特 征 腐殖质的积累和腐殖质层厚度最少，土壤颜色以棕色为主，土壤

呈碱性反应，地面普遍多砾石和沙，逐渐向荒漠土过渡。

15

中国土壤类型－－黑垆土

分布地区 陕西北部、宁夏南部、甘肃东部等黄土高原。形成条件 暖温带半干旱、半湿润气候。年平均气温 8 ～ 10℃ ，年降水量

300 ～ 500 毫米，与黑钙土地区类似，但气温较高，相对湿度较小。由黄土母质形成。

植被与栗钙土地区相似。

特 征 绝大部分被开垦为农田。腐殖质的积累和有机质含量不高，腐殖

质层的颜色上下差别较大，上半段为黄棕灰色，下半段为灰带褐色。

16

中国土壤类型－－荒漠土

分布地区 内蒙古、甘肃的西部，新疆的大部，青海的柴达木盆地等地区。

形成条件 温带大陆性干旱气候。年降水量大部分地区不到 100 毫米。 植被稀少，以非常耐旱的肉汁半灌木为主。

特 征 土壤无的腐殖质层，土壤剖面为砂砾，土壤发育程度差。

17

中国土壤类型－－高山草甸土

分布地区 青藏高原东部和东南部，阿尔泰山、准噶尔盆地以西山地和天山

山脉。形成条件 气候温凉、湿润；年平均气温在 -2 ～ 1℃左右，年降水量 400 毫

米左右。 高山草甸植被。特 征 剖面由草皮层、腐殖质层、过渡层和母质层组成。土层薄，土壤冻结期长，通气不良，土壤呈中性反应。

18

中国土壤类型－－高山漠土

分布地区 藏北高原的西北部，昆仑山脉和帕米尔高原。形成条件 气候干燥、寒冷，年平均气温 -10℃左右，冬季最低气温可达 -

40℃ ，年降水低于 100 毫米。植被的覆盖度不足 10％。

特 征 土层薄，石砾多，细土少，有机质含量很低，土壤发育程度差，

碱性反应。

19

土壤环境机能

（ 1 ）培育植物 植物生长支持体、植物生长提供水、空气和养分（ 2 ）推动物质循环 由岩石风化产生的物质都有可能进入大气和水系，又可能通过地球化

学循环归入土壤。（ 3 ）保存水资源 大气和地下水之间的缓冲地区。（ 4 ）防止灾害 防止洪水发生。土壤植物又可防止风雨侵蚀、水土流失或土壤荒漠

化趋向，并兼有防风、消音等作用。（ 5 ）自净能力 具有极大比表面和催化活性，土壤中水、空气、微生物等都能使污

染物降解。

20

土壤退化过程

风和水侵蚀作用：土壤流失 受纳酸雨或过量使用氨氮肥料： 土壤酸化 灌溉水含（过多）盐分或深度风化作用：土壤盐碱化 干旱： 土壤板结、龟裂、结构单元破坏，甚至荒漠化 水涝： 营养物浸出、流失 污染： 土壤有毒物质累积

21

土壤环境的质量 1995 年制订和发布《土壤质量环境标准》

GB15618-1995 适用范围： 农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场、林地、自然保护区等。

（土壤应用功能、保护目标和主要性质）土壤质量分三级一级标准 I类土壤区，包括国家规定的自然保护区 (原有背景重金属含量

高的除外 )、集中生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤。 土壤质量应基本上保持自然背景水平。

规定土壤区中污染物的最高允许浓度限制值

22

土壤环境的质量二级标准 Ⅱ类土壤区（一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等的土壤），

土壤质量应基本上对植物和环境不造成危害和污染。 规定土壤区：污染物的最高允许浓度限制值 三级标准 Ⅲ类土壤区（林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿区

附近等地的农田土壤，蔬菜地除外）。 土壤质量应基本上对植物和环境不造成危害和污染。 规定土壤区：污染物浓度的临界值

23

第二章 土壤组成与性质

24

土壤组成与性质

25

土壤组成与性质 --土壤矿物质

（成因类型）土壤矿物：原生矿物和次生矿物

原生矿物 岩石受程度不同的物理风化而未经化学风化的碎屑物（原来的化

学组成和结晶构造都未发生改变）。

次生矿物 由原生矿物经风化，形成的新矿物。

在土壤形成过程中，原生矿物以不同的数量与土壤中的次生矿物混合存在，成为土壤矿物质。

26

土壤组成与性质 --土壤原生矿物

（ 1 ）硅酸盐类矿物 长石类 、云母类 、辉石类 和闪角石类 等矿物 ， 风 化释放

K 、 Na 、 Ca 、 Fe 、 Mg 和 Al 等元素可供植物吸收，可形成新的次生矿物。

（ 2 ）氧化物类矿物 石英 (SiO2) 、赤铁矿 (Fe2O3) 、金红石 (TiO2) 、蓝晶石 (Al2SiO5)。 （ 3 ）硫化物类矿物 黄铁矿和白铁矿（分子式： Fe2S），易风化，土壤 S 主要来源。

（ 4 ）磷酸盐类矿物 氟磷灰石、氯磷灰石、磷酸铁、铝和其它磷的化合物， 土壤无机磷的重要来源。

27

土壤组成与性质 --土壤次生矿物

粒径小于 0.25m 、具有胶体性质，土壤中粘粒和无机胶体的组成部分

（ 1 ）简单盐类 方解石 (CaCO3) 、白云石 (Ca、Mg(CO3） 2) 、石膏 (CaSO2·2H2O)等。

（ 2 ）三氧化物 针铁矿 (Fe2O3 H2O) 、褐铁矿（ 2Fe2O3 3H2O ）等。

（ 3 ）次生硅酸盐类 由长石等原生硅酸盐矿物风化形成，构成土壤粘粒的主要成分，又称粘土矿物或粘粒矿物。

伊利石、蒙脱石和高岭石

28

土壤组成与性质 --土壤有机质

来源：动植物残体 ，高等绿色植物。

土壤有机质（ 1 ） 非特殊性的土壤有机质 动植物残体的组成部分以及有机质分解的中间产物（如蛋白质、

树脂、糖类、有机酸等，占土壤有机质总量的 10~15% ）。

（ 2 ） 土壤腐殖质 土壤特有的有机物质，占土壤有机质总量的 85~90% ，由动植

物残体通过微生物作用，发生复杂转化而成。

29

土壤组成与性质 --土壤有机质

土壤有机物质（按其化学组成）分类

（ 1 ）非氮有机化合物（如单糖和有机酸、多糖类、树脂、脂肪、蜡质和

木质素等）。（ 2 ）含氮有机化合物（以蛋白质为主，土壤中的植物残体、土壤动物

积 微生物均含有种当多的蛋白质）。（ 3 ）灰分物质（植物体经过燃烧残留的无机物）。

30

土壤组成与性质 --土壤水分

31

土壤组成与性质 --土壤空气

土壤孔隙中存在的气体混合物称为土壤空气。

以 O2 、 N2 、 CO2及水汽等为主要成分。 土壤进行生物化学作用产生的气体。如 H2S 、 NH3 、 NO2 、 CO

等 ; 醇类、酸类以及其它挥发性物质通过挥发作用进入土壤。

土壤空气与大气 差异 （ 1 ）土壤空气不连续性 （ 2 ）土壤空气水量高 （ 3 ）土壤空气 CO2 含高

32

土壤的粒级分组与质地分组

33

土壤的粒级分组与质地分组

34

土壤粒级的矿物成分和理化特性

35

土壤粒级的矿物成分和理化特性

（ 1 ）石块和石砾 --岩石碎块（￠﹥ lmm ）

（ 2 ）砂粒 -- 原生矿物（石英、长石、云母、角闪石等） （ 3 ）粘粒 --次生矿物（ ￠﹤ 0.001mm ）

（ 4 ）粉粒（粉粒、面砂） -- 原生矿物与次生矿物的混合体。

36

土壤质地分类及其特性 由不同的粒级混合所表现的土壤粗细状况，称为土壤质地（或土

壤机械组成）。

土壤质地分类 以土壤各粒级含量的相对百分比作标准。

国际制和美国制 采用三级分类法，即按砂粒、粉砂粒、粘粒三种粒级的百分数，划分为砂土、壤土、粘壤土和粘土四类十二级。

37

土壤质地分类及其特性

38

土壤质地分类及其特性

39

土壤质地分类及其特性

40

土壤吸附性 -- 土壤吸附特性

土壤最活跃组分 土壤胶体和土壤微生物

土壤胶体性质（ 1 ）土壤胶体（巨大的比表面和表面能）吸附性 （ 2 ）土壤胶体双电层结构（ 3 ）土壤胶体凝聚性和分散性

影响土壤凝聚性能的主要因素 :

土壤胶体的电动电位、扩散层厚度以及土壤溶液中电解质浓度和pH值等。

41

土壤吸附性 -- 土壤胶体的离子交换吸附

（土壤胶体双电层的扩散层） 补偿离子溶液中相同电荷的离子

（以离子价为依据作等价交换） （离子交换或代换）

阳离子交换吸附作用、阴离子交换吸附作用。

42

土壤吸附性—阳离子交换吸附

土壤胶体阳离子交换吸附过程： 等价交换、质量作用定律、阳离子交换能力（电荷数、 离子半径及水化程度）

可交换性阳离子 致酸离子： H+ 、 A13+ ； 盐基离子： Ca2+ 、 Mg2+ 、 K+ 、 Na+ 、 NH4

+ 等

（盐基饱和土壤、盐基不饱和土壤 ） 土壤盐基饱和度

43

土壤吸附性—阴离子交换吸附

带正电荷的胶体吸附的阴离子与溶液中阴离子的交换作用。

阴离子交换吸附可与胶体微粒（如酸性条件下带正电荷的含水氧化铁、铝）或溶液中阳离子(Ca2+ 、 Fe3+ 、 A13+ )形成难溶性沉淀而被强烈地吸附。

44

土壤酸碱性

45

土壤酸碱性 -- 土壤酸度

（根据土壤 H+ 存在方式 ）土壤酸度 -- 活性酸度、潜性酸度 活性酸度 有效酸度（ pH 表示） H+ 来源：碳酸（无机酸）、有机酸、大气酸沉降 潜性酸度 土壤潜性酸度来源：土壤胶体吸附的可代换性 H+ 和 A13+ 。

潜性酸度 代换性酸度 水解性酸度

46

土壤酸碱性 -- 土壤碱度

土壤溶液 OH- 来源 CO3

2 －和 H CO3－的碱金属 (Na 、 K) 及碱土金属 (Ca 、 Mg) 的

盐类。

碳酸盐碱度和重碳酸盐度的总和称为总碱度

当土壤胶体吸附的 Na+ 、 K+ 、 Mg2+ 等离子的饱和度增加到一定程度，会引起交换性阳离子的水解作用，在土壤溶液中产生NaOH ，使土壤呈碱性。

Na+ 离子饱和度亦称土壤碱化度

47

土壤的缓冲性能土壤缓冲性能 土壤具有缓和其酸碱度发生激烈变化的能力。

（ 1 ）土壤溶液的缓冲作用 碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸和其他有机酸等弱酸及其盐类 --- 缓冲体系

（ 2 ）土壤胶体的缓冲作用 土壤胶体吸附阳离子 （盐基离子和氢离子能分别对酸和碱起缓冲作用） 缓冲能力大小：腐殖质土粘土砂土

48

土壤的氧化还原性

土壤氧化剂： O2、 NO3－和高价金属离子

土壤还原剂：有机质和低价金属离子

土壤植物根系和土壤生物 --- 土壤氧化还原反应的重要参与者

49

土壤的氧化还原性

50

土壤环境容量基本概念（第 1 种观点）

污染物质含量未超过一定浓度之前，作物体内不会产生明显的累积或危害作用，只有超过一定浓度之后，才有可能产生出超过食品卫生标准作物或使作物受到危害而减产。

土壤存在一个可承纳一定污染物而不致污染作物的量。

土壤环境容量 ---- 土壤允许承纳污染物质的最大数量

51

土壤环境容量基本概念（第 2 种观点）

从生态学观点出发，认为在不使土壤生态系统的结构和功能受到损害的条件下，土壤中所能承纳污染物的最大数量。

土壤临界容量 ----- 综合临界指标

52

土壤环境容量 -- 土壤环境容量确定

土壤静容量 从静止的观点度量土壤的容纳能力，由下式表示， Cs = M （ Ci-CB1） 式中，M表示每亩耕地土壤重， kg ； Ci为 i元素的土壤临界含

量， mg/kg ； CBi为 i元素的土壤背景值， mg/kg 。

现存容量 CSP = M （ Ci-CB1- CP） CP是土壤中人为污染而增加的量。

53

土壤环境容量 -- 土壤环境容量确定

土壤动容量 若假定年输入量为 Q ，年输出量为 Q ，并且Q大于 Q 残留量 : Q － Q 残留量 (Q－ Q)与输入量 Q之比，称之为累积率 (K)

若土壤污染物累积总量 AT(含当年转入量 )，则： AT= Q + QK + QK2 + …… + QKn

而 n年内的污染物残留总量 RT( 不含当年输入量 )则为： RT = QK + QK2 + …… + QKn

污染累积总量 AT和残留总量 RT 均为等比级数之和，等比系数为 K 。

54

土壤环境容量 -- 土壤环境容量的确定

（当年限n足够长时 QKn趋于零，且 AT达到最大极限值）

积累关系 —等比有限累积规律， 其数学模式： AT = K （ B+Q ）

AT：污染物在土壤中的年累积量， mg/kg ； K ：土壤污染物年残留率 (%)，即残留量与输入量的比率； B ：污染物的区域土壤背景值， mg/kg ； Q ：土壤污染物的年输入量， mg/kg 。