土壤的化学组成

土壤是由固、液、气三相物质组成的疏松多孔体。固相物质包括矿物质、有机质和土壤生物。在固相物质之间，为形状和大小不同的孔隙，孔隙中存在水分和空气。

自然界里的土壤不论其为农地、草土甚至荒地，其基本物质组成如下：

  无机体 − 矿物质

固体部分



土壤的组成

 有机体 − 有机质、土壤生物

 液体 − 水分(溶液)

孔隙部分

  气体 − 空气

土壤三相物质的比率因土壤种类而异，并且经常变化着。图 9-3 所示为粉砂壤土的土壤组分的大致比例。

土壤中所含多量化学元素的丰度顺序如下：O＞Si＞Al＞Fe＝C＝Ca＞K

＞Na＞Mg＞Ti＞N＞S 这个次序与地壳组成大体一致（参见表 1-4），所不同的是由于土壤中集结了大量生物体，因此 C、N、S 的含量相对较高。

从环境污染角度来看，土壤还是藏垢纳污之处，内中含有各种生物的残体、排泄物、腐烂物；还含有来自大气、水体及固体废物中的各种污染物以及农药、肥料残留物等。

1. 无机矿物质

土壤中无机矿物质，按其成因可分为原生矿物和次生矿物。凡在地壳中最先存在的、经风化作用后仍无变化地遗留在土壤中的一类矿物，称为原生矿物；而在土壤形成过程中，由原生矿物转化形成的新矿物，统称次生矿物。

原生矿物的主要种类有：

石英 SiO2（是砂和细砂的主要成分）

长石 KAlSi3O 8



(存在于轻度风化的土壤中)

云母 K(Si3 Al)Al 2 O10 (OH) 2 

副矿物质 辉石( Mg, Fe)SiO3 



闪石( Mg, Fe) ₇ (Si₄O₁₁) ₂ (OH) ₂ (在日后风化过程中转为粘土)

橄榄石( Mg, Fe)



₂ SiO 4 等 

数量最多的石英和长石构成土壤的砂粒骨架，而云母、副矿物质则为植物提供许多无机营养物质。

次生矿物包括各种简单盐类（碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、卤化物）， 游离硅酸、水合氧化物（R2O3 · xH2O，如三水铝石 Al2O3 ·3H2O、水铝石Al2O3·H2O、针铁矿 Fe2O3·H2O、褐铁矿 2Fe2O3·3H2O 等），次生铝硅酸盐

（如伊利石、蒙脱土、高岭土等）。

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。而水合氧化物和次生铝硅酸盐，是土壤矿物质中最细小的部分，一般将它们（或单将后者）称之为次生粘土矿物。土壤很多重要的物理、化学过程和性质， 都和土壤所含的粘土矿物，特别是次生铝硅酸盐的种类和数量有关。

粘土矿物有多种类型，每一种又有几种变体，其中主要的有： 高岭土 Al2（OH）4·Si2O5

蒙脱土 Al2（OH）2Si4O10 囊脱石 Fe（OH）2Si4O10 等

以高岭土和蒙脱土为例的这类矿物的化学结构见图 9－4。在这类矿物中含有两种基本结构单元，即四面体形的硅石单元和八面体形的水合氧化铝单元。高岭土类由一层硅石片和一层水铝片组成一单位晶层，称为 1∶1 型晶格。这类粘土矿物的晶层间距离小，内部空隙不大。蒙脱土类是由两层硅氧片夹一层水铝片结合而成一单位晶层，称为 2∶1 型晶格。这类粘土矿物的晶层间结合不紧，内部空隙较大，可能有外来离子或水分子渗入其间。

一般土壤中铝硅酸盐矿物的粒径小于 5μm，由 1000 多个层组所构成。当粘土矿物形成时，晶格内的组成离子常被另一种大小相近而且电性符

号相同的离子所替代，即发生同晶置换。例如硅石单元中的 Si⁴⁺被 Al³⁺置换， 水铝石单元中的 Al³⁺被 Mg²⁺、Fe³⁺置换。

发生同晶置换后，如果互换离子是同价的，晶体内部仍保持电中性；否则，在晶体内部会发生电荷不平衡现象，从而使晶体带电。常见的同晶置换是低价金属离子代替高价离子，所以产生的电荷以负为主，这样的土壤粘粒也就带有负电，因而具有吸附阳离子的性能。如果两对同晶置换分别产生一正一负的电荷，而产生的位置恰巧在同一晶格的贴邻位置，则它们所产生的正负电荷可以互相抵消，整个晶格的电荷维持中性；如果两对同晶置换分别产生一正一负的电荷而又位置相隔较远，则在同一个晶体上就会兼具两种电性。上述由同晶置换产生的电荷被称为永久性电荷。

1. 有机质

根据土壤中有机质的来源和存在状态，广义的土壤有机质可分为两大类：一类是活的有机体，包括植物根系和土壤生物；另一类是各种有机化合

物，这就是狭义的土壤有机质，它又分为两类，一类是组成生物残体的各种有机化合物，称为非腐植物质，约占土壤有机质总量的 30％～40％，另一类是称为腐植质的特殊有机化合物，包括腐植酸、富里酸和胡敏质等，它们普遍存在于土壤、腐熟的有机肥料、各种地面水体的底泥和煤炭之中。土壤腐植质占土壤有机质总量的 60％～70％。综合上述，土壤有机质的构成如下：

土壤中各种有机物质按其碳、氢、氧原子数之比进行分类如图 9－5 所示。其中腐植质的元素组成和官能团组成如表 9－1 所示。

由表列数据可知，在腐植酸和富里酸的元素组成中，除碳元素占据极大比例外，内中还含有氧、氢、氮、硫等元素。这些元素的组成比也是不固定的。二者比较起来，富里酸的羧基、醇羟基和总酸度量都要大得多。变动的环境因素对腐植物质的结构有很大影响，由此就不难理解，不同地区和土层中所含腐植质的化学组成何以会有较大差异。

表 9 — 1 土壤中腐植质的组成

土壤中腐植质胶体是凝胶质的，呈球形并且具有三维空间的网状结构， 胶粒直径约 2×10^-8～4×10^-8m 之间，比表面积高达 800～1000m²/g。腐植质属两性胶体，但通常以带负电为主。电荷来源主要是分子表面的羧基和酚基的离解以及胺基的质子化。例如：

由于上述离解或质子化程度是随介质 pH 值而变化的，故腐植质所带电荷属于受 pH 值制约的可变电荷。

土壤中腐植质组分有很重要环境意义。这些大分子化合物能通过毛细管作用和渗透作用保持土壤水分，且对土壤有断热保温作用。此外，它能螯合金属或吸附其他有机分子，如果这些物质是植物的营养物，则是有利的；如果是污染物，那便是有害的。

1. 土壤水分和土壤溶液

地球表面全部土壤中含水量约 2.4×10¹³m³，不及水圈含水总量的 0.01

％，这些水充当了土壤中所发生各种化学反应的介质，对于岩石风化、土壤形成、植物生长有着决定性意义。

由土壤水分和其中所含溶质组成了土壤溶液。土壤溶液的形成是土壤三相成分间进行物质和能量交换的结果。因此其组成非常复杂，常见的溶质有：

无机胶体：铁和铝的氧化物等；

无机盐类：碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、磷酸盐等； 有机化合物类：腐植酸、有机酸、可溶性糖类、蛋白质及其衍生物等； 络合物类：如铁和铝的有机络合物等；

溶解性气体类：如 O2、CO2、N2 等，它们的溶解度是：

土壤溶液浓度和成分随土壤种类、使用情况和环境条件的不同而有很大变异。除盐碱土和刚施过化肥的土壤外，土壤溶液浓度一般约在 0.1％～0.4

％之间。

1. 土壤空气

土壤空气也是土壤的重要组分之一。它对土壤微生物活动，营养物质的转化以及植物的生长发育都有重大的作用。因此，土壤空气的状况是决定土壤肥力的重要因素之一。

土壤是多孔体系，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。

土壤空气的数量，通常以单位土体容积中空气所占容积百分数来表示， 称为土壤含气量。凡影响土壤孔性和含水量的因素，也都影响土壤的空气含量。

总体来看，土壤空气组成和大气的组成大同小异。土壤空气有异于大气之处是；①土壤空气是不连续的。存在于土粒空隙之间；②有更高的湿度；

③由于有机物腐烂，使土壤空气中 O2 含量较少，而 CO2 浓度显著增加（比大气中 CO2 浓度大 8～300 倍），但二者之和约为总量的 21％（体积），与大气情况相近；④土壤空气中还含有少量还原性气体，如 CH4、H2S、H2 等，在某些情况下还可能产生 PH3、CS2 等气体，这些都是厌氧性微生物活动的产物， 对植物生长有害。