土壤环境工程材料.ppt

《土壤环境工程材料.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土壤环境工程材料.ppt（75页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一章土壤的组成,1.土壤生态系统的基本组成2.土壤矿物颗粒的粒级分类及不同粒级的形状3.土壤矿物质的矿物组成和化学组成4.粘粒矿物、土壤有机质的来源及其组成5.土壤腐殖酸、土壤有机质的转化、土壤有机质的作用及其生态与环境意义。6.有机无机复合体的环境意义,教学要求,土壤的组成 composition of soil,（一）土壤容积组成 composition of soil by volume,土壤三相体系满足了植物生长对各营养因素和环境因素的需求，使土壤区别于其它一切自然物质。评级土壤质量的标准不同应用方面有所不同，工程上要求孔隙度（porosity）愈小愈好。但“理想的”草地、园子或大田

2、土壤中，各种成分从体积而言大体比例是：矿物质占45%，有机质5%，水占25%，空气占25%。建立一个概念：土壤孔隙占总体积一半。评价土壤质量的指标之一“固、液、气三相比（容积比）”。,土壤三相组成：固相、液相、气相,第一节矿质土粒（soil particle）,一.矿质土粒（soil particle）,由于风化的强弱不同，成土条件不同，形成的土壤颗粒大小是否相同？答案=否,（一）矿质土粒的来源,一.矿质土粒（soil particle）,（二）土粒概念 soil particle,土粒 soil particle：土壤中各种粒径的固相颗粒,依据存在的状态：单粒：single particle

3、复粒：compound particle,依据粒径大小（单粒）,（三）土壤粒级 particle sizes,1.粒级概念（fraction)：土壤颗粒的大小分级2.粒级划分依据：粒级化分的表观依据（或依赖的指标）：依据单个颗粒的粒径大小进行。,一.矿质土粒（soil particle）,土壤颗粒绝非标准球形，是各种不规格形状的，那么，粒径的含义就并非它们的真实直径或半径。-当量直径 当量直径（有效直径）equivalent diameter or effective diameter of soil particle:与同质的标准球形颗粒沉降速度相同的土粒直径或半径（建立在颗粒分析方法上）3

4、.粒级分类制（classification systems of soil separates)土壤颗粒大小是连续分布的，要确定土壤颗粒的分级需要研究土壤颗粒大小和性状间关系，找到由量变到质变分界点，突变点，就可以作为化分类别的依据。受人为因素的影响，当前土壤立即分类制有：,土壤粒级分类系统(三级分类制)classification systems of soil separates,基本粒级,一.矿质土粒（soil particle）,（四）土粒的基本性状,1.粒级不同矿物组成不同,一.矿质土粒（soil particle）,（四）土粒的基本性状,2.表面特性不同：表面积极表面能,一.矿质土

5、粒（soil particle）,（四）土粒的基本性状,3.物理性状不同,一.矿质土粒（soil particle）,（四）土粒的基本性状,4.化学组成不同,颗粒愈小，氧化物多，营养程度高；颗粒愈粗，SiO2多，土壤愈贫瘠。,一.矿质土粒（soil particle）,（四）土粒的基本性状,4.生物性状不同,不同粒级颗粒上微生物类型和数量、酶等的差异是当今研究的热点,大颗粒是土壤的骨骼，细小的粘粒是肌肉，要特别重视小颗粒尤其是胶体颗粒（纳米土壤或土壤中纳米材料研究）,第二节土壤矿物soil minerals,土壤矿物基本组成composition of soil minerals,结晶态氧化物

6、,（一）原生矿物 primary minerals,1.原生矿物概念：在风化合成土过程中未改变化学组成的原始成岩矿物。2.土壤中主要原生矿物,正长石,斜长石,黑云母,白云母,辉石,铁锰硅酸盐,闪石,橄榄石,磷灰石,钠长石,石英SiO2,钾长石,白云母(KH2Al3Si3O12)黑云母KH2(Mg,Fe)3AlSi3O12,磷灰石,角闪石Ca(Mg,Fe)Si4O12,辉石Ca(Mg,Fe)Si2O6,橄榄石(Mg，Fe)2SiO4,土壤原生矿物,3.原生矿物对土壤肥力的贡献(1)构成了土壤的骨骼粗的土粒(2)提供潜在养分通过风化作用逐渐释放 原生矿物的组成和比例很少能反映土壤形成过程特点，但是

7、，它们说明成土母质成因特征。土壤中原生矿物丰富，说明土壤相当年轻。随着土壤年龄增长，原生矿物含量和种类逐渐减少。,1.次生矿物的概念 在风化和成土过程中新形成的矿物。次生矿物一般比较小，属于粘粒范围，因此，也有人叫它粘土矿物或者粘粒矿物(clay minerals).粘土矿物（粘粒矿物）clay mineral；粒径大小在粘粒范围内的次生矿物称之。2.粘土矿物意义:粘土矿物的类型和特征综合地反映土壤的风化和成土条件。研究和鉴定它的类型、数量和特征具有以下意义：（1）可以帮助人们了解各种土壤在发生学上的地位，在土壤分类学中，次生矿物成为鉴别土类的主要依据。（2）有助于了解土壤一系列理化性状（吸湿

8、性、可塑性、胀缩性、离子吸附性），判断土壤肥力特征。（必须更加关注粘土矿物）,（二）次生矿物 secondary minerals,（二）次生矿物 secondary minerals,3.次生矿物主要类型,蒙脱石,高岭石,伊利石,硅氧四面体,铝氧八面体,硅酸盐类粘土矿物的基本结构单元,2：1型单位晶层构造,蒙脱石(montmorillonite),蒙脱石特征(2:1型胀缩性矿物）-这一组矿物主要有：蒙脱石，拜来石，绿脱石，蛭石等1.晶层结构为2:1型（2:1layer silicates）2.分子式 Al2Si4O10（OH)2.nH2O-Al2O3.4SiO2.H2O.n H2O Sa=4

9、3.晶架结构内部同晶替代较普遍主要发生在硅层，又有少量发生Mg、Fe代替Al。4.晶层之间为分子键，胀缩性强5.既有外表面，又有丰富的内表面6.外形是片状，颗粒较小，厚度在0.0101.8,粘着力、可塑性强。这类矿物主要分布在东北的黑钙土和华北的栗钙土中，华北褐土、西北灰钙土也有少量。,瞧：胀缩比多么大,这里是内表面,单位晶层,2:1型非胀缩性矿物,伊利石特征（水化云母组）(2:1型非胀缩性矿物）-这一组矿物主要代表矿物为伊利石1.晶层结构为2:1型（2:1layer silicates）2.Sa值=SiO2/Al2O3=343.晶架结构内部同晶替代较普遍（永久电荷多）主要发生在硅层，很少发生

10、在Al层。4.晶层之间为钾键，胀缩性弱K=1.33埃 与1.32埃层间网眼相近。5.既有外表面，又有一定的内表面6.外形是不规则片状，颗粒较小，厚度在0.0101.8,粘着力、可塑性强。这类矿物主要分布在西北干旱半干旱土壤中，钾素丰富，南方雨量大淋溶强的土壤中少。,1：1粘土矿物单位晶层构造,1.高岭石组,瞧：氢键在这里（牢固）,单位晶层,内表面（无）,外表面,高岭石,高岭石特征(1:1型矿物）-这一组矿物主要有：高岭石，珍珠陶土，迪凯石，埃洛石等1.晶层结构为1:1型（1:1layer silicates）2.分子式 Al2Si2O5（OH）4-Al2O3.2SiO2.2H2O Sa值=Si

11、O2/Al2O3=23.晶架结构内部同晶替代少（永久电荷少）4.晶层之间为H键，胀缩性小5.只有外表面，无内表面6.高岭石外表面氢（H）离子可以被解离，表面带负电荷（可变电荷多）7.外形是片状(明显的六角形片状，粒径在0.105.多数在0.22 8,粘着力、可塑性弱。这类矿物主要分布在南方热带和亚热带土壤中，而华北、东北、西北及西藏高原土壤中含量较少,间层矿物2:1:1 或2:2型矿物,代表矿物有：绿泥石CEC（可交换阳离子容量）约为2040cmol/kg在我国土壤中少见，主要存在于一些漠境、半漠境地带的某些黄土母质发育的土壤里。,水镁石或水铝石,滑石,次生层状铝硅酸盐矿物,1:1型粘土矿物2

12、:1型粘土矿物,（三）非硅酸盐粘土矿物,意义：1.对土壤颜色主要作用 2.土壤磁性材料 3.颗粒胶结剂 4.磷素的包被作用（Fe-P，AlP）（固磷基质）5.土壤酸度主要原因 6.气候和环境指示剂 7.正电荷载体（碱胶基）,粘土矿物形成规律,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,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

13、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。,粘土矿物形成规律,我国粘土矿物分布规律,粘土矿物的形成与环境条件有密切关系，在偏碱性条件下，如有富足盐基离子，特别是具有较多镁离子，则有利于蒙脱石粘粒形成，如果钾离子特别丰富，则形成的粘粒矿物可能以伊利石为主，南方土壤淋溶作用强，盐基离子少，所形成的粘粒矿物以高岭石为主，其次为氧化物矿物。湿润和半湿润热带的排水良好的土壤趋向于以铁和铝的各种含水氧化物为主。高岭石一般是这些土壤中占优势的硅酸盐矿物。并且和含水氧化物粘粒一起存在于热带地区土壤中。蒙脱石、蛭石和伊利石在较冷地带更为突出。较冷地区风化强度比热带和亚热带弱。

14、,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,粘土矿物研究,有差热分析，利用热特性曲线决定矿物类型和含量有x衍射技术电子探针技术偏光显微镜镜检技术研究矿物结构特征,第三节 土壤有机质soil organic,土壤有机质,概述 土壤有机质是土壤固相的组成部分，一般占到土壤总重量的5%左右.土壤学中把耕层土壤有机质含量在20%（200g/kg）以上土壤叫有机质土，20%以下土壤叫矿质土壤。我国土壤耕层有机质大多数在5%以下，东北土壤较多，华北、西北大多在1%左右。各别漠境土壤不足0.5%。华中、华南水田

15、土壤在1.53.5%,旱地土壤也较少。尽管如此，土壤有机质对土壤性质影响却很大。是土壤肥力主要指标 目前土壤有机质含量标准计量单位为g/kg,土壤有机质与土壤肥力关系,土壤有机质来源,（一）来源于数目众多微生物1.微生物是最早出现在母质中的有机体。成为最早的土壤有机物质来源2.微生物数目繁多，生活代谢周期短。1g肥沃的表土含有细菌可在10亿以上。最多细菌为杆菌，每英亩细菌活质可超过2000磅，每公顷2000公斤。3.微生物的代谢产物是土壤有机质来源之一（二）来源于各种动植物残体及其它们的代谢物 树木、灌丛、草类、和其它植物残体。植物生长量成为土壤有机质含量的主要依据土壤动物：蚯蚓、蚂蚁、鼠类、

16、昆虫等的残体及分泌物（三）来源于施入的各种有机肥。,有机肥施用很重要,土壤有机质组成特点,（一）土壤有机质的物质组成 依据有机物质的分解阶段和存在物理形态分为：1.未分解的动植物残体（原材料）2.半分解的有机质：成为暗褐色小片3.腐殖质：特殊性有机物质。,（二）土壤有机质化学组成1.碳水化合物：单糖、多糖、淀粉、纤维素、果胶物质等2.木质素：比较稳定。是形成腐殖质中心核的原始材料3.含氮化合物：蛋白质、多肽、氨基酸4.脂溶性物质：如树脂、腊质、单宁等,土壤有机物质的分解与转化decomposition of organic Matter,有机残体,矿（质）化作用mineralization,腐

17、殖化作用humification,有机质的矿化作用mineralization,水解酶作用,有机质的矿化作用mineralization,己糖淀粉半纤维素纤维素；糖类物质的分解是土壤中生物物活动的主要能源（生物热）。（45千卡热/g有机物）,2.含氮物质的分解,蛋白质,多肽,氨基酸,氨NH3,硝酸根NO3-,蛋白酶,肽酶,氨化细菌,硝化细菌,水解作用（hydrolyzation),氨化作用（ammonification),硝化作用（nitrification),任何条件下,好气条件下,思考题：旱地和水地含氮化合物的转化结果会有何差异？,有机质的矿化作用mineralization,3.含磷和硫

18、化合物的分解,含磷和硫化合物的分解,正磷酸盐H2PO4-、HPO4=、PO4+3、正硫酸盐 HSO4-、SO4=好气条件,偏磷酸盐和次磷酸盐H3PO3、H3PO2、H3P正硫酸盐 H2S(黑根、毒害）嫌气条件,(三）矿化率（mineralization rate)：每年因矿化而消耗的有机物质量占土壤有机质总量的百分数。矿化率作为土壤矿化快慢的指标。一般土壤年矿化率为1%左右。,土壤腐殖化作用（humification）,（一）腐殖化概念：有机物质在分解转化过程中，又重新合成腐殖质的过程。腐殖化过程也就是有机碳从一种有机碳形式转化为另一种有机碳形式，也叫有机碳的周转。它是一种极端复杂的生物过程。

19、（二）土壤腐殖化过程-腐殖质的形成过程（假说阶段）腐殖化过程是以微生物为主导的生物和生化过程，还有一些纯化学过程。有机质的形成分为两个阶段：第一阶段：产生了合成腐殖质原始材料：（1）芳香核：主要由木质素降解所产生。酚类氧化成醌所产生。（2）支链化合物：一些含氮的有机化合物，如氨基酸、肽类等。第二阶段：合成阶段：将分解转化的基本材料在微生物作用下经过缩合和聚合，合成结果复杂的腐殖质。,多元酚理论（较为盛行）,土壤腐殖质组成,土壤腐殖质Soil humus,非腐殖物质,腐殖物质（humic substances),（一）非腐殖物质：微生物的代谢产物1.碳水化合物：多糖、糖醛酸、和氨基糖组成。主要来

20、源于植物残体和根系分泌物。含量占有机质总量1527%。其中多糖是主体。含量约为有机质总量的922%。多糖多土壤结果影响研究被受到关注2.含氮化合物：主要来源于生物残体中含氮化合物，其中主要形式为蛋白质、缩氨酸。易于分解成氨基酸。占的量不高。（二）腐殖物质,土壤腐殖质组成,腐殖物质概念：有机物质在微生物作用下分解转化成一种特殊的、高分子、暗色的有机物质。腐殖物质是在土壤中形成的一类特殊的化合物，远不同于动植物体内的其它有机化合物，结构复杂，性质稳定、存留时间长、和无机矿物颗粒密切结合在一起。是土壤有机质质体成分，占有机质总量的5090%。基本上与盐基离子形成各种腐殖酸盐。中心为芳香核、连接了许多

21、支链化合物的复杂结构,土壤腐殖质分离与提取,以上是依据腐殖酸类物质溶解性进行分类与提取请注意三大类腐殖组分，尤其是褐腐酸（HA）和黄腐酸（FA）,黄腐酸（富啡酸、富里酸）既能溶解于碱，又能有解于酸。曾经成为可连酸、阿波可连酸。分子量相对较小,褐腐酸（胡敏酸）：指能溶解于碱而不溶解于酸。分子量相对较大,+,=60%,土壤腐殖质性质,（一）腐殖酸的组成1.腐殖酸的元素组成 腐殖酸主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。一般以腐殖质分子的平均含碳量为58%为有机碳和腐殖质的换算系数（1.724=100/58）。C/N=10:112:1,褐腐酸大于黄腐酸,我国土壤腐殖酸的元素组成（南京土壤研究所）,2.腐

22、殖酸的化学结构 分子结构非常复杂。有许多模式，但相对统一的认识是中心为芳香核（疏水性基团），周围有许多支链化合物（有许多功能团）成为网状结构特征。功能基团包含有：羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。这些基团成为腐殖质分子活性最强的部分、如带电性、吸附性、亲水性等。,三.土壤腐殖质性质,腐殖质的含氧官能团含量（m mol M）.kg-1,芳构化程度：表示腐殖酸分子中芳香环结构所占的比例。表示腐殖质的缩合度,3.腐殖酸的分子形状：多数人认为是网状多孔结构.现代用电子显微镜观察发现，腐殖质为非晶质物质，分子结构非常松散。大致呈无规则线状，其结构受pH、溶液电解质浓度的影响极大。pH 2-3

23、纤维、纤维束状 4-7 网状、海绵状 8-9 页状 10 粒状,三.土壤腐殖质性质,HA的3D优化结构模型,土壤腐殖质性质,(二）腐殖酸的理化性质1、颜色：腐殖酸不分组时，整体呈现黑色，但不同组分其颜色不同，胡敏酸颜色较深，呈棕褐色，富里酸颜色较浅，称淡黄色。腐殖质颜色主要由缩合度的大小和发色团的比例不同而引起。A4/A6比值（A4/A6 ratio of humic acids)(E4/E6):腐殖质在波长为465nm和665nm（或400nm和600nm)处的吸光值的比。是腐殖化程度的指标。2、溶解性：腐殖质是一种弱酸，可溶于碱溶液而生成腐殖酸盐。富里酸溶于水、酸、碱；胡敏酸不溶于水和酸，

24、但溶于碱；富里酸的一价、二价盐溶于水，三价盐几乎不溶于水；胡敏酸的一价盐溶于水，但二价、三价盐几乎不溶于水。3、吸水性 是一种亲水胶体，最大吸水量可以超过500%,土壤腐殖质性质,4.带电性 属于两性胶体。在酸性情况下带负电荷，碱性情况下带正电荷。电荷来源主要是分殖酸分子羟基解离和胺基质子化。带电量为200500coml/kg，随pH升高而升高。,5、腐殖酸的络合性,腐殖酸与Fe、Al、Ca等大多数阳离子形成可溶的稳定络合物。,土壤腐殖酸对重金属阳离子配位作用,重金属阳离子（比如Cu2）可以同土壤中的腐殖酸形成稳定的配位化合物。,第四节 土壤有机无机复合体,一.土壤胶体概念（soil coll

25、oid）,（一）分散系统（分散体系）分散体系是由两种或两种以上物质组成的，一种物质呈连续分布状态，量相对也比较大，称为分散介质(分散剂）；另一种物质分子不连续，量也比较小，称为分散相（质）。分散相如果与分散介质之间没有明显物理界面，分散体系称为溶液，若果分散介质与分散相有明显的物理界面，叫做悬浮液（粗分散体系）。当分散相介于二者之间时，构成了相对稳定的体系，叫做胶体系统。土壤本身就是一个复杂的多元分散体。把土壤中较小颗粒叫胶体。空气和溶液成为分散剂。,一.土壤胶体概念（soil colloid）,（二）胶体的大小范围 土壤胶体指的是小于5m，2 m，1 m，0.5 m，0.1 m固体颗粒，胶体

26、历经范围划分很乱，大多数人认为应在1100 m之间。,electron micrographs of the clay minerals montmorillonite,electron micrographs of the clay minerals kaolinite,无机胶体 有机胶体 有机无机复合胶体,二.土壤胶体种类（type of soil colloid）,土壤胶体,（一）有机胶体（soil organic colloid）指土壤中一类分子量大，结构复杂的高分子化合物。土壤腐殖质主体、其次还有少量蛋白质、多肽、氨基酸、以及多糖类高分子化合物。土壤中有大量的微生物，本身也具有胶体性

27、质，属于一种生物胶体。（二）无机胶体（soil mineral colloid）：无机胶体又称为矿质胶体。是土壤中胶体主要成分，比无机胶体高几倍到几十倍。统称用土壤中粘粒（0.001mm）含量反映土壤无机胶体数量。1.层状无机铝硅酸盐矿物:高岭石、蒙脱石、伊利石（负电性胶体）2.无定形氧化物,按照胶体体系的化学-矿物学组成与来源划分,（1）含水氧化硅（SiO2.nH2O）H2SiO3(SiO2.nH2O)H+HSiO3-H+SiO3-（酸胶基）（2）含水氧化铁铝Al（OH）3+H+Al（OH）2+H2O（正电荷，碱胶基）Fe（OH）3+H+Fe（OH）2+H2O（正电荷，碱胶基）（三）有机无机

28、胶体（organic-mineral colloid）有机胶体和无机胶体通过物理、化学或物理化学的作用，相互结合在一起形成有机-无机复合体。主要的作用机理有物理键；静电键；氢键；配位键。有机无机复合度：把土壤有机无机复合体中含C量占土壤总C量的百分数成为有机无机复合度。作为衡量土壤有机无机复合体的数量指标。土壤有机无机复合度可达到5070%,二.土壤胶体种类（type of soil colloid）,有机无机复合体意义在于改善了土壤的理化性状，它的稳定性比单纯的有机胶体高。腐殖质的MRT（Mean Residence time（之所以高，就在于形成了有机无机复合体；有机胶体以膜的形式粘附在矿物胶体的表面，也改变了无机胶体的性质。复合体是形成良好土壤水稳性和疏松多孔的团聚体基础，其水稳性要比单纯的矿质团聚体高，从而对土壤结构性、通透性、耕性等产生重要影响，是土壤肥力高低的指标之一。有机-无机胶体的非加和性：有机-无机复合体的粘性、塑性要比粘粒弱，其表面积和代换量（电荷数量）一般比复合前有机胶体和无机胶体两者之和小，不具有加和性。,二.土壤胶体种类（type of soil colloid）,