《环境土壤学》讲义.docx

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《环境土壤学》讲义

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第一章绪论

第一节土壤与生态系统

1.土壤的概念

定义1：

   存在于地球表层的含有生命物质，植物可以生长的自然集合体。

定义2：

  土壤是能产生植物收获物的地球陆地的疏松表层，是岩石圈，水圈，大气圈和生物圈相互进行物质循环和能量转换的产物，是在母质（岩石及其风化物）、气候、生物、地形、时间等因素相互作用下形成的自然体。

土壤圈Pedosphere：

地球陆地表层由所有土壤所构成的具有重要特征的圈层。

土壤圈是地球圈层结构中具有重要作用的一个圈层，界于岩石圈和大气圈、生物圈、水圈之间。

成土条件SiolFormingCondition：

s=f（cl,o,r,p,t）   式中：

  s 土壤 soil

  cl气候 climate

  o 生物 organism（Vegetation）

  r 地形  relief

   p 岩石或母质 rockorparentmaterials

  t  时间（年龄）  time

Thetypeofsoildevelopeddependsontheamountoftimeaparentmaterialonaspecifictopographyisexposedtotheeffectsofclimateandvegetation.  "WhydoIhavesomanydifferentsoilseriesonmyland?

"Theanswerisquitesimple.Ifyouhadthreeparentmaterialsonfivetopographiesdevelopedundertwovegetations,oneclimate,andtwoperiodsoftime,youwouldhavethefollowingnumberofsoilseries:

3parentmaterials×5topographies×2vegetations×1climate×2timeintervals=60soilseries（土系）.

土壤的作用RoleofSoil:

Theyhelpsupplyourfood,supportourhomesandhighways,actasbuildingmaterialsforourconstruction,absorbourwastematerials,andgiveusmanybeautifulandscenicareasforrelaxationandrecreation. 

"Thewealthofanationliesinhersoilsandtheirintelligentdevelopment." ---RichardGordon

我国主要的土壤类型：

砖红壤，红壤，黄壤，暗棕壤，黑土，紫色土，水稻土，荒漠土。

2.土壤学SoilScience

研究土壤的形成、发生分类、基本性质与功能、土壤分布规律、土壤资源利用与管理和土壤调查技术的专门学科。

派生的分支学科主要有：

土壤生态学、土壤环境学、土壤生物学、土壤物理学、土壤化学、土壤胶体化学、土壤地理学、土壤微生物学、土壤肥料学、土壤改良学、土壤发生与地理学和土壤调查与制图学等一系列学科体系。

3.土壤和生态系统

土壤是农业生态系统中不可缺少的部分。

   土壤以其肥力（Fertility）养育着陆地上的植物，通过植物又养育着动物和微生物。

   “万物土中生”：

植物（plants）、动物（animals）、微生物（microorganisms）

土壤生态系统是整个生态系统中最基础、最关键的。

  土壤提供物质循环的基础：

光合作用和代谢作用；  

  植被是土壤生态系统良性循环的保障。

  植物生物量的增加为整个生物界的生存繁育提供物质能量基础。

一旦植被破坏，不仅直接使土壤生态受损，导致各种生物的能量匮乏，同时整个生态系统也因物质和能量的收支改变而导致平衡失调，以致最终被破坏。

这就是土壤与生态系统的关系，也是为什么要重视土壤生态环境保护的原因。

第二节环境土壤学的兴起

1.土壤环境问题EnvironmentalProblemofSoil

存在数量（quality）和质量（guantity）两个方面的问题。

  人口爆炸式增长，资源（矿藏、森林、草原）过度开发（粮食数量供应的安全），人工合成化学物质加速发展，土壤被过度的集约化经营都直接或间接地损害和污染着土壤，构成对土壤生态环境的危害（影响粮食质量的安全）。

直接影响：

“三废”排放，导致土壤污染、酸化、次生盐渍化。

  间接影响：

森林、草原植被的破坏导致土壤冲刷、侵蚀与沙化。

2.土壤污染SoilPollution

进入土壤的污染物超过土壤的自净能力，而且对土壤、植物和动物造成损害时的状态。

与大气污染、水体污染相比，土壤污染更隐蔽，其危害的后果也更深远。

污染物在土壤中能与土壤成分相结合，它被土粒所吸收、吸附和固定，也受到微生物分解转化作用的影响。

保存下来的污染物能逐渐为植物和微生物所吸收，再通过食物链向人、蓄体内输送。

由于土体比水体对污染物的容量要大，其危害的过程就缓慢得多，从而也增加了人们对此认识的难度。

  （第五章）

3.土壤环境研究StudyonSoilProblem

20世纪50-60年代“三废”治理与综合利用，城市污水进行农田灌溉；

  20世纪70年代进行农田污水灌溉利弊与监测评价，部分城市郊区土壤污染与背景值研究；

  20世纪80年代关注农药、化肥污染，引起部分地区土壤的酸化、板结，深入开展土壤背景值、环境容量及酸沉降危害研究；

  20世纪90年代注意污染土壤排放的甲烷对环境的影响，同时开展污染土壤生物修复研究，并逐步成为研究的热点。

第三节环境土壤学任务与内容

1.环境土壤学的任务MainDutyoftheCourse

研究人类活动引起的土壤环境质量变化及由此对农业生产、生态环境和人体健康等产生的影响，并探索调节、控制和改善土壤环境质量的优化途径、有效防治技术和治理方法等。

主线是土壤的环境功能（土壤与环境的质能交换）和土壤环境行为（背景值、环境容量、污染与修复机制、生态优化）。

   从土壤生产力的角度研究土壤是农业土壤学的任务；从生态环境的角度研究土壤是环境土壤学的主要任务。

2.环境土壤学的重要内容MainContentoftheCourse

土壤的基本特性及其主要功能；

  土壤环境背景值与土壤环境容量；

  土壤中污染物的迁移转化与土壤修复；

  土壤生态优化、污染治理、质量评价。

第四节环境土壤学与相关学科

1.环境土壤学的基本学科BasicScienceoftheCourse

环境土壤学是建立在土壤学、生态学和环境学之间的边缘学科，它是随着环境问题的出现在土壤学基础上发展起来的新学科。

  土壤学、生态学和环境学以化学、物理学和数学为基础，特别是化学。

环境土壤学以生物学、气候学、地学和经济学为原理揭示其规律，并通过工程技术（生物工程）和区划方法达到分区规划和治理目的。

2.环境地学的概念EnvironmentalGeography

环境地学包括环境地质学、环境地球化学、化学地理学、污染气象学和海洋环境学等。

环境地质学以人类活动与地质环境的关系为研究对象。

人类活动会诱发环境地质问题，如地震、废弃矿床、地下水质恶化、地面沉降。

而地质作用产生的地震、火山爆发、海啸、山崩、泥石流等又深刻影响着土壤的生态环境。

环境地球化学以化学物质在地表环境中的分布、迁移和转化规律为研究对象。

化学物质从土壤到植物再影响食物链和整个生态系统。

污染气象学研究大气污染和大气运动的科学，大气运动对污染物质在大气中扩散，气象因素对污染物的化合和分解的影响。

环境海洋学主要研究物质在水体中的运动规律，底泥对水生生物的影响。

第二章土壤的形成与功能

第一节土壤的形成过程

1.形成土壤的矿物和岩石MineralsandRocks

研究土壤首先要认识形成土壤的母质材料（parentmaterials）。

  母质是最重要的成土因素和土壤形成的条件。

按照风化物不同搬运动力与沉积特点可分为八大类型：

  残积物（就地风化堆积，未经搬运）；

  坡积物（流水、重力搬运和就地堆积）；

  洪积物（洪水、搬运距离远和分选性差、磨圆度不佳）；

  冲击物（水搬运，河流相沉积）；

  湖积物（水搬运，湖相沉积）；

  浅海沉积物（水搬运，海相沉积）；

  风成物（风搬运和堆积：

黄土）；

  冰积物（冰川搬运和沉积）。

需要很好理解和掌握以下三个基本概念：

   岩石（rock）:

 各种矿物大多以集合体的形式存在于地壳（音：

Qiao；earth'scrust）中，这种矿物的集合体就是岩石。

  根据岩石的成因，可以分为三大类：

  岩浆岩（igneousrock）:

火山喷发（未喷出）的岩浆冷凝而形成。

根据二氧化硅的含量多少区分为酸性岩（>65%）、中性岩（52-65%）、基性岩（45-52%）和超基性岩（<45%）。

  沉积岩（sedimentaryrock）:

在地表常温常压下，先成的岩石风化剥蚀的产物，以及生物作用与火山作用的产物在原地或经外力搬运而形成沉积层，再经过固结成岩作用而形成的岩石。

是主要的成土母质，分砾岩、砂岩、页岩、石灰岩。

  变质岩（metamorphicrock）:

已经形成的岩浆岩或沉积岩受到地壳运动或岩浆运动造成的高温高压和热气热液作用，而发生变质的岩石，就叫变质岩。

常见的变质岩有：

片麻岩、石英岩、大理岩和结晶片岩类。

   矿物（mineral） :

各种地质作用下自然产生于地壳中的化合物或化学元素，是具有一定化学成分和物理性质的自然均质体，是组成岩石的基本单位。

  根据矿物的成因，区分为原生矿物和次生矿物。

  原生矿物（primaryminerals）:

形成于高温高压下的矿物，如岩浆熔融体或热液中形成的矿物，石英、长石、云母等；   

  次生矿物（secondaryminerals）:

由原生矿物在风化和成土过程中经过化学蚀变，或由分解产物重新结合而成的矿物，如高岭石、蒙脱石、水云母等。

风化作用（rock-weathering  processes）暴露于地表（或不露出地表）的矿物、岩石遇到和它形成时不相同的外界条件就发生形变、组成和性质的变化，这就叫风化。

风化作用包括三大类型：

物理风化（physicalweathering） 由物理作用使岩石发生物理变化而成碎屑的过程。

如温度变化引起的热力风化、水力作用。

化学风化（chemicalweathering） 岩石的化学成分受到化学作用发生化学成分和性质的变化，以及产生新的矿物的过程。

如溶解作用、水化作用、水解作用、碳酸化作用、氧化作用。

此外还有硫酸化作用、还原作用、去碳作用、中和作用。

水化作用实例：

        2Fe2O3 +3H2O > 2Fe2O3-3H2O

       （赤铁矿）         （褐铁矿）

生物作用与风化（biologicalweathering） 生物所参与的风化过程。

物理风化和化学风化都直接或间接地与生物作用有关。

  直接方面：

根系对岩石的挤压、穿插而使岩石崩解。

  间接方面：

生物呼吸作用是大气二氧化碳的主要来源；绿色植物在光合作用中放出氧气。

而氧气和二氧化碳都是化学风化作用的重要因素。

2.土壤的主要形成过程MainProcessesofSoilForming

各种土壤的成土过程是多种多样的；不同土壤的成土过程是不一样的。

一般来说，任何土壤都必须经历三个基本的成土过程：

原始成土过程，有机质积累过程和粘化过程，而象脱硅富铝化过程只有南方红黄壤上才具有，盐碱化过程只有盐碱土上才有。

这就是说土壤的成土过程可区分为共有成土过程和专有成土过程。

原始成土过程PrimarySoilFormingProcess

母质具有疏松多孔的特点和具有初步的透水透气性、持水性，以及释放供应部分养分的能力，使生物生长发育具有了可能。

首先是对养分要求不高的低等生物（如化能自养性微生物）。

低等生物（化能自养型微生物）的出现，抑制营养元素的淋溶（从氧化母质的无机物种取得合成有机物的能量），开始了最初的土壤形成过程（母质上开始产生有机物，营养元素得以初步在母质表层集中和积累）。

有机质积累过程OrganicMatterAccumulation

有机营养性微生物大量生长使有机质和营养元素得到进一步的积累和集中，特别是固氮细菌的发育使土壤氮素进一步积累，肥力（水、肥、气、热）水平进一步提高，生物群落也相应交替和发展。

接着出现地衣、苔藓，直到高等绿色植物生长。

一方面有大量以有机质为能量和养分来源的微生物不断分解有机质。

有机质在微生物作用下一部分分解供植物再利用，另一部分有机质转化为特殊的腐殖质（humus），积累在土壤的表层，保存了植物需要的营养元素。

粘化过程ClayMineralsForming

固相部分是构成土壤的基本骨架，包括土壤矿物质和土壤有机质。

土壤矿物质与成土母质有关，区分为原生矿物和次生矿物（粘土矿物）。

这部分是作为重要的基质，它影响着土壤的物理机械性和养分供应类型、水平以及土壤的保水保肥性能等，也影响土壤的液相及气相的状况。

在土壤的发生发育过程中经历着不断粘化的过程，表现为土壤中次生粘土矿物逐步占主导位置。

主要是由风化作用所致。

所以有“南酸北碱”的土壤分布规律。

第二节土壤的基本功能

1.土壤功能的概念ConceptofSoilFunction

土壤能为植物提供支撑的场所，调节土壤水、肥、气、热等植物所需的生活环境，即土壤肥力（soilfertility）功能。

土壤还具有吸附、固定和转化有毒有害物质的效用，即土壤净化（soilsanitation）功能。

作为农业生产基本的物质资料主要在于土壤具有肥力功能。

  污水土地处理系统、有毒有害物质（农药）在土壤中的降解即体现土壤的净化功能。

   土壤养分只代表狭义的肥力概念，仅仅是肥力的一部分。

土壤肥力包括土壤水分、土壤养分、土壤通气和土壤热状况四个肥力因素。

2.土壤的基本功能组成ComponentofSoilFunction

土壤的基本功能体系是由土体、土层、土壤结构与土粒成分的功能组成的。

  一般来说，各土壤在土体、土层、土壤结构与土粒成分上的不同就导致它们功能的差异。

土体的功能FunctionofSoilBody

土体是立体的土壤基质总体。

  由于界面接触环境的程度不同，以及土体内重力和张力以及溶解、沉淀等作用的影响，使其在垂直方向上发生了自然的质、能分配及其传递的差异，从而形成土层。

土层的功能FunctionofSoilLayer

土体的一级结构（土体是由土层构成的）。

  在土壤剖面上我们能清楚的看到土壤的层次性。

这是土壤形成过程的产物。

  层次性说明土层与土层的不同，与肥力有密切关系。

层次本身就意味着三相共存的状态。

土层具有上层和下层的传递作用，对于因种种原因导致传输不畅或速度过快的情况即会产生物质（营养成分或污染物）和能量的“滞留层”或“漏层”，即生产上所说的障碍层。

土壤层次及其组合方式将影响整个土体的抗逆性和缓冲力。

  这儿所讲的传导主要是指对水、气等物质的传导当然也包括对能量的传导。

土壤结构的功能FunctionofSoilStructure

土壤共有六种不同的土壤结构：

  块状、单粒状、柱状、片状、团粒和团聚体结构以及微团聚结构。

  结构是土壤肥力的核心，没有结构的土壤或结构不良的土壤是肥力低下的土壤。

结构通过孔隙影响水气的运动和分布，调节水汽矛盾，控制土壤微生物的活动。

影响到土壤中养分的释放、保存以及土壤形成则主要受土粒成分及其功能的影响。

土壤颗粒的功能FunctionofSoilParticle

基本成分包括土壤矿物质（90～95％）、土壤有机质（1～5％）、土壤微生物（真菌、细菌和放线菌，影响生物化学过程：

降解合成、硝化反硝化）和酶（是生物化学过程的活化剂，很多生物化学过程都是在特定的酶作用下进行的，以及是有机残体的分解及其合成，同时它还是土壤有机胶体的主要成员）。

土壤胶体颗粒（soilcolloid）是土粒成分中最细小部分，它们具有凝聚能力使水分、养分得以保存；与微生物和酶相结合，成为载体，使它们得以栖身并发挥各种生物物理与生物化学的作用，推动土壤中的物质与能量流动。

第三节土粒的基本功能与原理

1.土粒的基本功能BasicFunctionofParticles

土粒的基本功能体现为：

吸（吸收absorb）、保（保持hold）、供（供应supply）、调（调节regulate）。

这些功能是由土粒的组成、结构和行为规律所决定的。

   土粒的成分首先继承了岩石和母质的特点，其次包含了生物活动的产物，同时也反映地区水、热条件所带来的物质迁移、转化与富集的特点。

  土粒的基本组成：

土壤矿粒包括一系列大小形状不同的物质，有的成片状，有的成粒成尘，在土壤学上称为土壤的机械组成。

具体是通过质地类型来反映。

国际上把土壤颗粒分成四级：

  砾石 粒径大于2mm，比表面最小，其功能主要构成土壤的粗骨架和大孔隙。

调节土壤通气性。

  砂粒 粒径0.02-2mm，功能基本同上。

  粉粒 粒径0.02-0.002mm，比表面较砂粒大，有一定的表面吸附作用，其集合体具有微弱的毛管力，能保持一定的水分。

  粘粒 粒径小于0.002mm，比表面最大，具有强烈的吸水膨胀和可塑性。

（1）土壤的颗粒大小不一样，其矿物成分也有差异。

（2）不同的矿物抗风化的能力不一样，原生矿物大于次生矿物。

原生矿物中的石英是最难风化的矿物。

2.土粒的矿物组成ComponentofSoilParticles

根据矿物的成因划分为原生矿物和次生矿物。

  原生矿物：

形成于高温高压下的矿物，例如：

石英、长石、云母等等。

 次生矿物：

是原生矿物在风化和成土过程中经化学蚀变或由分解产物重新组合而成的矿物。

土壤中的主要次生矿物有高岭石、蒙脱石、水云母、次生云母等等。

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

也就是说土壤矿物质中同时包括原生矿物和次生矿物。

原生矿物PrimaryMinerals

长石类：

是地壳岩石中分布最广的矿物，占地壳重量的50～60％。

其中钾长石是土壤钾素的重要来源。

花岗岩中就含有较多的长石类矿物。

  角闪石和辉石类：

钙、镁、铁的铝硅酸盐。

  云母类：

含钾和铁、镁的铝硅酸盐。

有黑云母和白云母。

  石英（SO2）：

最难风化，在各种岩石和土壤中分布很广。

  橄榄石：

土壤中极少见，因为是易风化矿物。

  磷灰石：

为含磷矿物，是制造磷肥的基本原料，这种矿物在土壤中风化以后也是磷素营养的来源。

次生矿物SecondaryMinerals

土壤中细小的粘粒和胶粒的主要组成部分，故又称粘土矿物。

具有吸收性和可塑性，从而使土壤具有保水保肥能力，并增加土壤的粘着力、团聚力，对土壤的理化性质影响很大。

   主要的土壤次生矿物类型：

高岭石、蒙脱石、水云母、水铝英石、含水氧化硅等等，为原生矿物风化后产生的次生硅酸盐矿物。

  不同的土壤由于成土条件（主要是母质和气候条件的差异）的不同，矿物的组成和矿物的数量差异很大。

    原生矿物的颗粒较大，土壤中大于0.001毫米的粗粒部分主要是有原生矿物组成的。

因此，土壤质地越粗，原生矿物也就越多。

   土壤中最普遍的次生矿物是粘土矿物和次生石英以及铁铝氧化物。

他们的颗粒细小，土壤中小于0.001毫米的颗粒主要是次生矿物。

因此，土壤越粘，次生矿物就越多。

3.土壤有机质与生物OrganicMatterandOrganisms

土壤有机质是土壤的重要组成成分之一（土壤固相包括土壤矿物质和土壤有机质）,前者95～99％，后者1～5％。

  土壤有机质的状况（数量和质量）是反映土壤肥力的重要指标之一。

土壤有机质的含量，耕作土壤一般每1000克中含10－50克有机质（1－5％）。

有机体进入土壤后经过一系列的变化最后变成土壤有机质，可区分为两大类：

  1、非特殊的土壤有机质（占10－15％，以动植物体的组成分和有机质分解的中间产物），如糖类、氨基酸、蛋白质、有机酸、有机碱、树脂等；

  2、特殊的有机化合物（土壤腐殖质soilhumus），为土壤所特有，占85－90％，主要成分是胡敏酸、富里酸和胡敏素。

动物的作用

  动物的类型很多，我们重点介绍土壤中的蚯蚓。

它是最具代表的土壤小动物，作用是把有机残体捣碎或嚼细，对有机物质进行又一次加工处理。

研究资料表明：

农业耕地上每年中每亩地通过蚯蚓身体的土壤（干重）约2500公斤，其中富含有机质、细菌、N、P、K、代换性Ca、Mg。

  现在环境科学研究领域利用蚯蚓进行生物修复（Bioremediation）。

微生物作用

微生物在对土壤有机质分解中的作用是十分巨大的。

因为：

  （1、种类多：

有细菌、真菌、放线菌，细菌中又分好气性、厌气性和好气兼厌气性的不同种类。

他们各自可以在不同的条件下起作用（总有其适合的条件）。

  （2、数量大：

每克土壤中大约1亿个以上，最多可达几十亿个；以重量计每公顷可达5－8吨（相当于每亩400－500公斤）

  （3、繁殖能力强：

只要条件适宜就能很快地繁殖。

  环境微生物工程是目前环境科学研究热点之一。

4.土壤胶体Soilcolloid

分散系的概念（按颗粒大小划分）：

  大于100纳米为粗分散系--悬浮液

  1～100纳米为胶体分散系--胶体溶液

  小于1纳米为分子分散系--分子溶液（真溶液）

注意：

胶体是大小在1～100纳米范围的物质存在的一种状态，与溶液的概念不同（溶质与溶剂）。

土壤胶体可以大于500纳米或小于1纳米。

土壤的主要胶体类型：

  1、矿质胶体 实际上就是粘土矿物。

分两类：

层状硅酸盐类和氧化物类。

  2、有机胶体 包括各种高分子有机化合物，主要有多糖、糖醛酸、腐殖物质和腐殖酸，分子量有上千到数十万。

  土壤中很少有单纯的矿质胶体或有机胶体存在，绝大部分是相互结合而形成复合胶体的形式存在。

重点掌握以下内容：

  土壤胶体结构  土壤胶体性质  土壤胶体的行为和指标

土壤胶体的结构StructureofSoilColloid

胶核：

其主要成分为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、次生硅酸盐、腐殖质等分子团所组成。

双电层:

胶体结构中，胶核外面由决定电位离子层（负电层）和补偿离子层（正电层）所构成胶体的双电层结构。

土壤胶体的带