土壤是地球表面生长植物的术疏松层。以不完全的连续状态存在于陆地表面，可以称为土壤圈。在地球表面约1.5亿km2的陆地中，农耕地、草地和林田分别占9%、21%和27%。这些陆地是土壤圈的主要组成部分。土壤有自身的发展过程。地层内部的岩石经受高温、高压作用，但化学上相对毁孙稳定。一旦暴露在地表面，压力降低，温度有很大变动，且与丰富的水与氧气接触，发生风化，从而达到新的稳定状态。相似地，生物体排泄物和死后残骸的各种组分也受到类似作用。这两种过程的组合以及各种无机、有机产物长期的相互作用结果造成了土壤系统，如下图：土壤的基本环境机能有以下几个方面：培育植物一方面是能使植物挺立生长的支持体，另一方面土壤具有一定的肥力，能为植物生长提供水、空气和养分。推动物质循环土壤是地球表纤祥链层中介入元素循环的一个重要圈层。碳、氮元素在大气、海洋、土壤间以相当快的速度循环（硫的循环速度略慢些）。保存水资源土壤是大气和地下水之间的缓冲地区。土壤空隙储存的大量降水不会过快蒸发。防止灾害由于土壤蓄水量大，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。自净能力因为土壤具有极大比表面和催化活性兼以土壤所含水、空气、微生物等都能使污染物降解脱活。土壤是环境的一个重要组成因素。它介于生物界与非生物界之间，是一切生物赖以生存的基础。人类的衣食住行以及一切活动，无不直接或间接地与土壤有关。人类通过生产活动从自然界取得生活必需的资源和能源，而在生产和消费过程中了生的废物，则最终以“三废”的形式，直接或间接通过大气、水体和生物排人土壤，使土壤遭受污染。因此防治土壤污染是环境科学的一项重要研究课题。而了解污染物在土壤中的存在以及迁移转化，则是采取防治措施的重要依据。本章在了解土壤本身的组成、结构、性质的基础上，讨论主要的污染物在土壤中的迁移转化及其归宿。第一节土壤的组成土壤是指陆地地表具有肥力并能生长植物的一薄层特殊物质。它是地球表面岩石的风化过程和母质的成上过程两者综合作用下形成的。土壤由固、液、气三相物质组成。固相包括土壤矿物质和土壤有机质，土壤生物占土壤总重量的90～95％。土壤中还有数量众多的细菌和微生物，一般作为土壤有机物的一部分而视为土壤固相物质。液相指土壤水分及其中所含的可溶物，称为土壤溶液。气相指土壤空气。因此土壤是一个以固相为主的三相共存的多相体系，三相物质互相联系、制约、构成一个有机整体，如图4-1所示。土壤的化学组成无机体－矿物体固体部分有机体－有机质、土壤生物土壤的组成液体－水分（溶液）孔隙部分气体－空气土壤的组成（示意图）一、土壤矿物质土壤矿物质是由岩石风化形成的。岩石的风化，既有坚硬的岩石由大块变成细小颗粒的过程——物理风化；也有岩石的成分和性质发生变化的过程——化学风化。因此土壤中无机矿物质分为原生矿物与次生矿物两大类。（一）原生矿物原生矿物是岩石中的原始部分。即岩石只经历了物理风化。风化过程中没有改变成分与结构，宴颂而只遭到破碎。因此，原生矿物的粒径较大。土壤中的砂粒（粒径2～0.02mm）、粉砂粒（0.02～0.002mm），它具有坚实而稳定的晶格，不透水性，而不具有物理化学吸收性能，不膨胀。原生矿物主要是硅酸盐类，如石英、长石、云母、副矿物质：橄榄石（mg,fe)2sio4、闪石、辉石等。数量最多的石英和长石构成土壤的沙砾骨架，而云母、副矿物质则为植物提供许多无机营养物质。（二）次生矿物次生矿物是岩石经历化学风化形成的新矿物。其粒径较小，大部分以粘粒与胶体（粒径（0.002mm）分散状态存在。许多次生矿物具有活动的晶格，强的吸收能力）吸水后膨胀，有明显的胶体特征。次生矿物包括各种简单盐类（碳酸盐、重铬酸盐、硫酸盐、卤化物），游离硅酸、水合氧化物（r2o3..xh2o,如三水铝石、水铝石、针铁矿、褐铁矿）次生硅酸盐（如伊利石、蒙脱石、高岭土等）。次生矿物可分为无定形的次生矿物和晶质的次生矿物。（1）无定形的次生矿物：主要包括无定形的含水氧化锰、氧化铁、氧化铝、氧他硅、石英以及水铝英石导。（2）晶质的次生矿物：主要包括铝硅酸盐类粘土矿物。附注：次生矿物中简单盐类属水溶性盐，易被淋失，一般土壤中含量较少。而水合氧化物和次硅铝酸盐，是土壤矿物中最细小的部分，一般将他们称为次生黏土矿物。土壤很多重要的物理、化学过程和性质，都和土壤所含的黏土矿物，特别是次生硅铝酸盐的种类和数量有关。铝硅酸盐粘土矿物的晶体结构是由1000多个晶层所构成，每个晶层由硅氧片和水铝片迭合而成。硅氧片结构：（为什么可以称为硅四面体？）。水铝片结构：（为什么可以称为铝八面体？）。硅氧片和水铝片相互重迭时，共用氧原子而形成稳定的晶层。根据构成晶层时硅氧片与水铝片的数目和排列方式，粘土矿物可分为三大类。高岭土al2(oh)4、蒙脱土al2(oh)2si4o10、伊利石al0.66(oh)2si3.34o10①高岭石类：由一层硅氧片与一层水铝片组成一个晶层，属1：1型的二层粘上矿物。晶层的一面是氧原子，另一面是氢氧原子组，晶层与晶层之间通过氢键相连结。晶层之间的距离很小，仅72a。故内部空隙不大：水分子和其他离子都难以进入层间（图4-2）。②蒙脱石类：由两层硅氧片中间夹一层水铝片组成。一个晶层，属2：1型的三层粘上矿物。晶层表面都是氧原于，没有氢氧原子组，晶层与晶层之间没有氢键结合力，只有松弛的联系，晶层间距离为9.6-21.4a。水分子或其他交换性阳离子可进入层间。因此蒙脱石粘土矿物具有较高的阳离子交换容量。伊利石类：其晶体结构与蒙脱石类似，也是两层硅氧片中间夹一层水铝片组成一个晶层，属2：1型晶格。不同之点是伊利石粘土矿物中总有一部分硅被铝代替，由取代而产生的不足的正电荷，由处于两个晶层间的钾离子所补偿。这些钾离子就似乎起桥梁作用，把上下相邻的两个晶层连结起来(图4-4)。在粘土矿物的形成过程中，常常发生半径相近的离子取代一部分铝()或硅()的现象。这种取代作用称为同晶替代作用。一般是半径相近的较低价正离子的取代，如m、f等离子取代铝()，a离子取代硅()。同晶替代的结果使粘土矿物微粒具有过剩的负电荷。此负电荷由处于层状结构外部的正离子钾、钠等平衡。二、土壤有机质土壤有机质可分力非特异性的和特异性的两大类。前者即通常熟知的各类有机化合物；包括蛋白质、脂类、碳水化合物、蜡、树脂、有机酸等，占土壤有机质总量的10～15％；后者称为腐殖质，包括富里酸、腐植酸和胡敏素等，占土壤有机质总量的85～90％。腐殖质化学组成归纳：腐殖质主要是由c、h、o、n和少量s等元素组成的。腐殖质的相对分子量分布从几百至106。如富里酸的分子量约在300～400之间。腐殖酸的分子量在2×103～104之间，色越深分子量越大。腐殖质具有多种官能团，对金属元素离子有强的络和、螯合能力通过氢键等作用可形成疏松的聚集体，具有很大的表面积。能抵抗微生物作用，难以溶解。腐殖质中富里酸的酸基、醇羟基和总酸度量要比腐殖酸都要大得多。变动的环境因素对腐殖质的结构有很大影响，由此就不难理解，不同地区和土层所含腐殖质的化学组成何以会有较大差异。三、土壤溶液土壤中水分的主要来源是降雨、降雪和灌溉。在地下水位接近于地面（2～3m）的情况下，地下水也是上层土壤水分的重要来源。水分进人土壤以后，由于土粒表面的吸附力和微细孔隙的毛细管力，而把水保持住。土壤固体保持水分的牢固程度，在相当程度上决定了土壤中的水分运动和植物对水分的利用。土壤中的水分并不纯净。当水分进入土壤后，即和土壤其他组成物质发生作用，土壤中的一些可溶性物质，如盐类和空气都将溶解在水里。这种溶有盐类和空气的土壤水，称为土壤溶液。四、土壤空气土壤是一个多孔体系。土壤空气存在于未被水分占据的土壤空隙中。这些气体主要来源于大气，其次是产生于土壤内发生的化学和生物化学过程。在水分不饱和的情况下，孔隙中总是有空气的。这些气体主要是从大气透进来的，其次是土壤中进行的生物化学过程所产生的气体。土壤空气的数量，通常以单位土体容积中所占容积百分数来表示，称为土壤含气量。凡影响土壤孔隙和含水量的因素，也都影响土壤的空气含量。土壤空气在几个方面不同于大气。首先，土壤空气是不连续的，而是存在于被上巩同体隔开的土壤孔隙中。这一情况使它们的组成在土壤的此一处和彼一处都不相同。其次，土壤空气一般比大气有较高的含水量，在土壤含水量适宜时，土壤相对湿度接近100％。再次，土壤空气的co2，含量一般远比大气的含量高、氧的含量则小于大气。co2往是大气中浓度的几百倍，氧的浓度则相应地下降，在极端情况下也不会超过10～12％。但二者之和约为21%，与大气相近。造成这种差别的原因，是土壤中各种生物，如植物根系和动物、微生物的呼吸作用；以及有机质的分解，都消耗了大量的氧而产生大量的co2所致。土壤空气含量和组成在很大程度上取决于土一水关系。作为气体混合物的土壤空气，只进入未被水分占据的那些土壤孔隙。雨后，大孔隙中的水分首先腾空，接着由于挥发和植物吸收，中孔隙也腾空。因此，土壤空气通常先占据大孔隙，随着土壤变干，再占据那些中等孔隙。这说明了细孔隙比例大的土壤，通气条件是差的。在这些土壤中，水分占优势，土壤空气的含量和组成不适于植物的最佳生长。
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