純凈的土壤有什么物質(zhì)構(gòu)成的

【專家解說】：土壤是地球表面生長植物的術(shù)疏松層。以不完全的連續(xù)狀態(tài)存在于陸地表面，可以稱為土壤圈。在地球表面約1.5億km2的陸地中，農(nóng)耕地、草地和林田分別占9%、21%和27%。這些陸地是土壤圈的主要組成部分。 土壤有自身的發(fā)展過程。地層內(nèi)部的巖石經(jīng)受高溫、高壓作用，但化學上相對穩(wěn)定。一旦暴露在地表面，壓力降低，溫度有很大變動，且與豐富的水與氧氣接觸，發(fā)生風化，從而達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。相似地，生物體排泄物和死后殘骸的各種組分也受到類似作用。這兩種過程的組合以及各種無機、有機產(chǎn)物長期的相互作用結(jié)果造成了土壤系統(tǒng)，如下圖： 土壤的基本環(huán)境機能有以下幾個方面： 培育植物 一方面是能使植物挺立生長的支持體，另一方面土壤具有一定的肥力，能為植物生長提供水、空氣和養(yǎng)分。 推動物質(zhì)循環(huán) 土壤是地球表層中介入元素循環(huán)的一個重要圈層。碳、氮元素在大氣、海洋、土壤間以相當快的速度循環(huán)（硫的循環(huán)速度略慢些）。 保存水資源 土壤是大氣和地下水之間的緩沖地區(qū)。土壤空隙儲存的大量降水不會過快蒸發(fā)。 防止災害 由于土壤蓄水量大，可防止風雨侵蝕、水土流失或土壤荒漠化趨向，并兼有防風、消音等作用。 自凈能力 因為土壤具有極大比表面和催化活性兼以土壤所含水、空氣、微生物等都能使污染物降解脫活。 土壤是環(huán)境的一個重要組成因素。它介于生物界與非生物界之間，是一切生物賴以生存的基礎。人類的衣食住行以及一切活動，無不直接或間接地與土壤有關(guān)。人類通過生產(chǎn)活動從自然界取得生活必需的資源和能源，而在生產(chǎn)和消費過程中了生的廢物，則最終以“三廢”的形式，直接或間接通過大氣、水體和生物排人土壤，使土壤遭受污染。因此防治土壤污染是環(huán)境科學的一項重要研究課題。而了解污染物在土壤中的存在以及遷移轉(zhuǎn)化，則是采取防治措施的重要依據(jù)。本章在了解土壤本身的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎上，討論主要的污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化及其歸宿。 第一節(jié) 土壤的組成 土壤是指陸地地表具有肥力并能生長植物的一薄層特殊物質(zhì)。它是地球表面巖石的風化過程和母質(zhì)的成上過程兩者綜合作用下形成的。土壤由固、液、氣三相物質(zhì)組成。 固相包括土壤礦物質(zhì)和土壤有機質(zhì)，土壤生物占土壤總重量的90～95％。 土壤中還有數(shù)量眾多的細菌和微生物，一般作為土壤有機物的一部分而視為土壤固相物質(zhì)。 液相指土壤水分及其中所含的可溶物，稱為土壤溶液。 氣相指土壤空氣。因此土壤是一個以固相為主的三相共存的多相體系，三相物質(zhì)互相聯(lián)系、制約、構(gòu)成一個有機整體，如圖4-1所示。 土壤的化學組成 無機體－礦物體 固體部分 有機體－有機質(zhì)、土壤生物 土壤的組成 液體－水分（溶液） 孔隙部分 氣體－空氣 土壤的組成（示意圖） 一、土壤礦物質(zhì) 土壤礦物質(zhì)是由巖石風化形成的。巖石的風化，既有堅硬的巖石由大塊變成細小顆粒的過程——物理風化；也有巖石的成分和性質(zhì)發(fā)生變化的過程——化學風化。 因此土壤中無機礦物質(zhì)分為原生礦物與次生礦物兩大類。 （一）原生礦物 原生礦物是巖石中的原始部分。即巖石只經(jīng)歷了物理風化。風化過程中沒有改變成分與結(jié)構(gòu)，而只遭到破碎。因此，原生礦物的粒徑較大。土壤中的砂粒（粒徑2～0.02mm）、粉砂粒（0.02～0.002mm），它具有堅實而穩(wěn)定的晶格，不透水性，而不具有物理化學吸收性能，不膨脹。 原生礦物主要是硅酸鹽類，如石英、長石、云母、副礦物質(zhì)：橄欖石（Mg,Fe)2SiO4、閃石、輝石等。數(shù)量最多的石英和長石構(gòu)成土壤的沙礫骨架，而云母、副礦物質(zhì)則為植物提供許多無機營養(yǎng)物質(zhì)。 （二）次生礦物 次生礦物是巖石經(jīng)歷化學風化形成的新礦物。其粒徑較小，大部分以粘粒與膠體（粒徑（0.002mm）分散狀態(tài)存在。許多次生礦物具有活動的晶格，強的吸收能力）吸水后膨脹，有明顯的膠體特征。 次生礦物包括各種簡單鹽類（碳酸鹽、重鉻酸鹽、硫酸鹽、鹵化物），游離硅酸、水合氧化物（R2O3..xH2O,如三水鋁石、水鋁石、針鐵礦、褐鐵礦）次生硅酸鹽（如伊利石、蒙脫石、高嶺土等）。 次生礦物可分為無定形的次生礦物和晶質(zhì)的次生礦物。 （1）無定形的次生礦物：主要包括無定形的含水氧化錳、氧化鐵、氧化鋁、氧他硅、石英以及水鋁英石導。 （2）晶質(zhì)的次生礦物：主要包括鋁硅酸鹽類粘土礦物。 附注：次生礦物中簡單鹽類屬水溶性鹽，易被淋失，一般土壤中含量較少。而水合氧化物和次硅鋁酸鹽，是土壤礦物中最細小的部分，一般將他們稱為次生黏土礦物。土壤很多重要的物理、化學過程和性質(zhì)，都和土壤所含的黏土礦物，特別是次生硅鋁酸鹽的種類和數(shù)量有關(guān)。 鋁硅酸鹽粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)是由1000多個晶層所構(gòu)成，每個晶層由硅氧片和水鋁片迭合而成。硅氧片結(jié)構(gòu)：（為什么可以稱為硅四面體？）。 水鋁片結(jié)構(gòu)：（為什么可以稱為鋁八面體？）。 硅氧片和水鋁片相互重迭時，共用氧原子而形成穩(wěn)定的晶層。根據(jù)構(gòu)成晶層時硅氧片與水鋁片的數(shù)目和排列方式，粘土礦物可分為三大類。 高嶺土Al2(OH)4、蒙脫土Al2(OH)2Si4O10、伊利石Al0.66(OH)2Si3.34O10 ①高嶺石類： 由一層硅氧片與一層水鋁片組成一個晶層，屬1：1型的二層粘上礦物。晶層的一面是氧原子，另一面是氫氧原子組，晶層與晶層之間通過氫鍵相連結(jié)。晶層之間的距離很小，僅72A。故內(nèi)部空隙不大：水分子和其他離子都難以進入層間（圖4-2）。 ②蒙脫石類： 由兩層硅氧片中間夾一層水鋁片組成。一個晶層，屬2：1型的三層粘上礦物。晶層表面都是氧原于，沒有氫氧原子組，晶層與晶層之間沒有氫鍵結(jié)合力，只有松弛的聯(lián)系，晶層間距離為9.6-21.4A。水分子或其他交換性陽離子可進入層間。因此蒙脫石粘土礦物具有較高的陽離子交換容量。 伊利石類： 其晶體結(jié)構(gòu)與蒙脫石類似，也是兩層硅氧片中間夾一層水鋁片組成一個晶層，屬2：1型晶格。不同之點是伊利石粘土礦物中總有一部分硅被鋁代替，由取代而產(chǎn)生的不足的正電荷，由處于兩個晶層間的鉀離子所補償。這些鉀離子就似乎起橋梁作用，把上下相鄰的兩個晶層連結(jié)起來(圖4-4)。 在粘土礦物的形成過程中，常常發(fā)生半徑相近的離子取代一部分鋁()或硅()的現(xiàn)象。這種取代作用稱為同晶替代作用。一般是半徑相近的較低價正離子的取代，如M、F等離子取代鋁()，A離子取代硅()。同晶替代的結(jié)果使粘土礦物微粒具有過剩的負電荷。此負電荷由處于層狀結(jié)構(gòu)外部的正離子鉀、鈉等平衡。 二、土壤有機質(zhì) 土壤有機質(zhì)可分力非特異性的和特異性的兩大類。前者即通常熟知的各類有機化合物；包括蛋白質(zhì)、脂類、碳水化合物、蠟、樹脂、有機酸等，占土壤有機質(zhì)總量的10～15％； 后者稱為腐殖質(zhì)，包括富里酸、腐植酸和胡敏素等，占土壤有機質(zhì)總量的85～90％。腐殖質(zhì)化學組成歸納： 腐殖質(zhì)主要是由C、H、O、N和少量S等元素組成的。腐殖質(zhì)的相對分子量分布從幾百至106。如富里酸的分子量約在300～400之間。腐殖酸的分子量在2×103～104之間，色越深分子量越大。腐殖質(zhì)具有多種官能團，對金屬元素離子有強的絡和、螯合能力通過氫鍵等作用可形成疏松的聚集體，具有很大的表面積。 能抵抗微生物作用，難以溶解。腐殖質(zhì)中富里酸的酸基、醇羥基和總酸度量要比腐殖酸都要大得多。變動的環(huán)境因素對腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)有很大影響，由此就不難理解，不同地區(qū)和土層所含腐殖質(zhì)的化學組成何以會有較大差異。 三、 土壤溶液 土壤中水分的主要來源是降雨、降雪和灌溉。在地下水位接近于地面（2～3m）的情況下，地下水也是上層土壤水分的重要來源。水分進人土壤以后，由于土粒表面的吸附力和微細孔隙的毛細管力，而把水保持住。 土壤固體保持水分的牢固程度，在相當程度上決定了土壤中的水分運動和植物對水分的利用。土壤中的水分并不純凈。當水分進入土壤后，即和土壤其他組成物質(zhì)發(fā)生作用，土壤中的一些可溶性物質(zhì)，如鹽類和空氣都將溶解在水里。這種溶有鹽類和空氣的土壤水，稱為土壤溶液。 四、土壤空氣 土壤是一個多孔體系。土壤空氣存在于未被水分占據(jù)的土壤空隙中。這些氣體主要來源于大氣，其次是產(chǎn)生于土壤內(nèi)發(fā)生的化學和生物化學過程。在水分不飽和的情況下，孔隙中總是有空氣的。這些氣體主要是從大氣透進來的，其次是土壤中進行的生物化學過程所產(chǎn)生的氣體。土壤空氣的數(shù)量，通常以單位土體容積中所占容積百分數(shù)來表示，稱為土壤含氣量。凡影響土壤孔隙和含水量的因素，也都影響土壤的空氣含量。 土壤空氣在幾個方面不同于大氣。首先，土壤空氣是不連續(xù)的，而是存在于被上鞏同體隔開的土壤孔隙中。這一情況使它們的組成在土壤的此一處和彼一處都不相同。其次，土壤空氣一般比大氣有較高的含水量，在土壤含水量適宜時，土壤相對濕度接近100％。再次，土壤空氣的CO2 ，含量一般遠比大氣的含量高、氧的含量則小于大氣。 CO2 往是大氣中濃度的幾百倍，氧的濃度則相應地下降，在極端情況下也不會超過10～12％。但二者之和約為21%，與大氣相近。造成這種差別的原因，是土壤中各種生物，如植物根系和動物、微生物的呼吸作用；以及有機質(zhì)的分解，都消耗了大量的氧而產(chǎn)生大量的CO2所致。 土壤空氣含量和組成在很大程度上取決于土一水關(guān)系。作為氣體混合物的土壤空氣，只進入未被水分占據(jù)的那些土壤孔隙。雨后，大孔隙中的水分首先騰空，接著由于揮發(fā)和植物吸收，中孔隙也騰空。因此，土壤空氣通常先占據(jù)大孔隙，隨著土壤變干，再占據(jù)那些中等孔隙。這說明了細孔隙比例大的土壤，通氣條件是差的。在這些土壤中，水分占優(yōu)勢，土壤空氣的含量和組成不適于植物的最佳生長。