Download
1 / 63
630 likes | 799 Views
2.2 水圈. 我们所居住行星的一个显著特征是其表面覆盖了大量的水，它是地球上生命支持系统之一，并在气候调节和生物地球化学循环中起着十分重要的作用。. 2.2.1 水圈的结构. 水圈是覆盖地球的水层，包括海洋、所有的湖泊、河流、地下水以及大气圈的水蒸气。 《 中国大百科全书 —— 地理学 》 认为：水圈是液态和固态水体所覆盖的地球空间，水圈中的水上界可达大气对流层顶部，下界至深层地下水的下限，包括大气中的水汽、地表水、土壤水、地下水和生物体内的水。.
E N D
2.2 水圈 我们所居住行星的一个显著特征是其表面覆盖了大量的水，它是地球上生命支持系统之一，并在气候调节和生物地球化学循环中起着十分重要的作用。
2.2.1 水圈的结构 • 水圈是覆盖地球的水层，包括海洋、所有的湖泊、河流、地下水以及大气圈的水蒸气。 • 《中国大百科全书——地理学》认为：水圈是液态和固态水体所覆盖的地球空间，水圈中的水上界可达大气对流层顶部，下界至深层地下水的下限，包括大气中的水汽、地表水、土壤水、地下水和生物体内的水。
R.A.Horne1978年提出了总水圈(total hydrosphere)的概念，认为水圈是地球表面和接近地球表面各类贮水体中水的总称（见表2.1）。 由此可见，水圈的概念有狭义水圈和总水圈之分。
2.2.2 天然水的分布 全球天然水分布的特点： • 海洋水占97.41%，淡水只占2.59% • 淡水中的76.6%储存在冰帽和冰川中 • 可供人类使用的淡水只占0.64% • 降水是维持人类和其它陆栖生物所需淡水的主要来源 图2.1 地球上水的分布
表2.2 年可利用水总量 km3/a 全球的年降水量为110305km3，其中65%通过地面蒸发回到大气层，其余部分补给地下含水层、河流和湖泊，最后流入海洋。
我国水资源的特点： • 我国属贫水国，按人均占有径流量计算，每人每年平均大约2600吨，只相当世界人均占有量的1/4。 • 淡水资源分布不均：绝大多数河流分布在东部湿润多雨的季风区；西北、内蒙古和青藏高原中西部干燥少雨，河流较少，并有面积广大的无流区。
续表 1987年某些被选国由本国降水所形成的年径流
2.2.3 天然水的化学组成 天然水是海洋、江河、湖泊、沼泽、冰雪等地表水地下水的总称。 1、淡水的化学成分 淡水的化学成分受诸多因素的影响，一般有以下特点： • 离子强度较低(一般10-2~10-3mol / L)； • pH值的变化范围比较大，一般为7 3； • 淡水中主要的离子有Na+、Mg2+、Ca2+、K+、NO3－、SO42－、Cl－、HCO3－，它们的含量易变； • 河流和湖泊中的悬浮物含量变化大。
表2.4 不同淡水的主要化学成分 注：pX＝－log[X]
2、海水的化学成分 海水的化学成分有以下特点： • 具有较高的离子强度(约0.7 mol / L)； • 公海中盐浓度的范围变动不大，一般保持在32~37.5‰之间； • 海水的pH值变化不大，整个pH值的范围在7.5~8.3，大多数处于7.8~8.2； • 海水中的主要离子有Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+、 Cl－、SO42－、Br－、F－，含量比较恒定，其中Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Cl－、SO42－占海盐的99%； • 颗粒物的浓度比较恒定，有机碳颗粒物通常占全部颗粒物的30~50％。
表2.5海水的主要离子 图2.2海水中溶解盐的相对比例
2.2.4 水循环 地球表面的水是十分活跃的，江、河、湖、海蒸发的水汽进入大气圈，通过降水过程返回陆地和海洋；在陆地，部分被生物吸收，部分下渗为地下水，部分成为地表径流。地表径流和地下径流大部分回归海洋。 水循环是指水在生物圈、大气圈、岩石圈和水圈之间的贮存和运动，可用概念模型说明（见后图）。此外，地球上的水在不同贮存库中的停留时间各不相同（见后表）。
水循环的意义 水在循环过程中不断释放和吸收热能，调节着地球大气圈、生物圈和岩石圈的能量，构成了地球上各种形式的物质与能量交换系统。 • 水循环对气候有很大的影响，水交换过程导致热量与能量频繁交换，使地球上发生复杂的天气变化。 • 生物圈中生物的种群分布和聚落形成与水的时空分布有密切关系，植物的蒸腾作用也促进了水循环。 • 人类的生活、生产发展与经济繁荣都依赖于水。人类大的活动影响地球上水分循环的过程和水量平衡。
2.3 岩石—土壤圈 岩石圈是构成地球系统的基本圈层之一，岩石圈可明显地分为下伏坚硬的岩石和上覆表生自然体。岩石圈的表生自然体包括风化壳和土壤，土壤是地球表面生长植物的疏松层，它以不完全连续状态存在于陆地表面，有时亦称土壤圈，它与水圈、大气圈和生物圈的关系密切，并与人类的生活休戚相关。
2.3.1 土壤 1、土壤的形成 土壤的形成过程可分两个阶段：母质的形成和在母质的基础上形成土壤。 1）土壤母质的形成 岩石的风化产物称为母质。岩石是一种或数种矿物的集合体，土壤母质主要来源于岩石矿物。岩石根据成因可分为火成岩(岩浆岩)、沉积岩(水成岩)和变质岩。 裸露在地表的岩石，在各种物理、化学和生物因素的长期作用下，逐渐被破坏成疏松、大小不一的矿物颗粒，此过程称为岩石的风化，可分为物理风化、化学风化和生物风化。三种风化作用是相互联系、相互促进的，在不同条件下各种风化作用的强度不同。
2）成土作用 • 土壤的形成、发展与各种因素有关，这些因素是母质、生物、气候、地形和时间。现在一般认为，生物是土壤形成的主导因素，包括植物、土壤微生物、土壤动物。 • 在以生物为主的综合因素作用下，使母质发展肥力，从而形成土壤的过程称为成土作用。
2、土粒粒级与土壤质地 1）土粒粒级 土壤中各种大小形状不同的矿物颗粒统称为土粒。一般按土粒粒径的大小把土粒分为若干组，称为粒级。国际土壤科学学会把土粒分为五个粒级(见下表)。 表3.1 土粒的分级标准 (国际土壤科学学会)
2) 土壤的质地 土壤中各粒级土粒含量的相对比例或重量百分数称为土壤质地。国际土壤质地分类见下表3.3。
3、土壤的组成 土壤是由固、液、气物质组成的疏松多孔体，土固相约占50%，土气、液相约占25%。 大多数情况下，土壤含有空气、水、矿物质和有机质4个基本成分。 1）土壤固相 土壤固相主要由矿物质和有机质组成，矿物质约占土壤固体物质总量的90%，有机质只占5%；有机质可进一步划分为腐殖质（80%）、植物根（10%）与活的有机体（10%）。
2）土壤液相 土壤中的水溶液构成了土壤液相，它是土壤水分和所含溶质的总称。土壤的水分根据其存在状态可分为固态水、气态水、束缚水、自由水。土壤溶液的组成非常复杂，并参与环境中的水循环，其组成是经常变化的。 3）土壤气相 土壤是一多孔体系，未被水分占据的土壤空隙中的气体形成土壤气相。土壤中的气体主要有两个来源：一是大气，来自空气的主要成分有氮、氧、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等；二是土壤中生物化学过程产生的气体，来源于该过程产生的气体物质主要有H2S、NH3、CH4、NO2、N2O、H2等。
4、土壤的层次结构 一般而言，土壤结构是由淋溶作用过程和有机体的活动造成的。通常用O、A、B、C和R来描述典型土壤的5个层次： （1） O层：土壤的最上层，主要由腐烂程度和腐殖化程度不同的植物凋落物组成。 （2）A层：主要由矿物颗粒组成，有2个特征：腐殖质、其他的有机物与矿物颗粒混杂在一起；通过淋溶作用，细颗粒物和可溶性物质能够通过该层沉积到更低层。 （3）B层：为矿物土质层，由淀积作用控制。 （4）C层：由风化的基岩材料组成。 （5）R层：由未风化的基岩组成。 图 3.1土壤纵剖面示意图
2.3.2 土壤的矿物质及其结构 1、土壤的矿物质 土壤矿物质按其成因可分为原生矿物和次生矿物。原生矿物是指地壳中各种岩石经物理风化作用后形成的碎屑矿物，其原来的化学组成和结晶构造未改变。次生矿物是指在土壤形成过程中，由原生矿物经化学风化转化形成的新矿物，其化学成分和结构与原生矿物都有所不同。
1）原生矿物 土壤中各种化学元素的最初来源是原生矿物，土壤中主要的原生矿物有四类。 (1)硅酸盐类。 (2)氧化物类：最主要的是石英。 (3)硫化物。 (4)磷酸盐。
2）次生矿物 土壤中的次生矿物对土壤大物理化学性质有很大影响，根据其结构和性质，土壤次生矿物可以分为以下三类： (1)简单盐类； (2)水合氧化物。 (3)黏土矿。
2、土粒的矿物组成和化学成分 不同粒级土粒的矿物组成和化学成分各有差异(表3.4和3.5)，因而其理化性质也不相同。 表3.4不同粒级土粒的矿物组成%
3、土壤矿物的结构 土壤的无机组分为矿物质，矿物质占土壤固相部分重量的95%，它们是土壤中最不活跃的部分，但是对土壤的物理、化学性质起决定性的作用，其中尤以黏粒这个级分最重要。 黏粒的主要成分是次生矿物——层状硅酸盐和Al、Mn、Fe形成的水合氧化物等。它们具有原生矿物所没有的许多特性，如具有巨大的表面积，具膨胀性等，而对土壤中发生的物理及化学过程有极大的影响，因而对化合物在土壤中的迁移与转化也有巨大的影响。
1）层状硅酸盐矿物的结构 • 土壤粘粒中的大部分矿物为层状硅酸盐，它们大部分是无机聚合物，这些聚合物最重要的结构单元是石英的四面体[SiO44-]和八面体[MX6(m-6b)，Mm+为金属元素阳离子，Xb-为阴离子]，这两种结构单元能够聚合成片状结构。 aSi-O四面体及其片层结构 图 3.2Si-O四面体及其片层结构
bMX6(m-6b)八面体片层结构 图 3.3MX6(m-6b)八面体片层结构
2）层状硅酸盐矿物的结构类型 • 在土壤中，层状硅酸盐的晶体不存在单独石英四面体片层和水铝片的结构，它们是由Si-O四面体片层与Al-O八面体片层互相结合而成的。 • 层状硅酸盐的结构类型一般可分为三类： 1∶1板层结构—即由一个四面体片层与一个八面体片层结合成一板层。 2∶1板层结构—即由两个四面体片层中间夹一个八面体片层结合成一板层。 2∶1 ∶1板层结构—这种类型的板层结构与2∶1板层结构不同的是在两个2:1板层之间还夹有一个由M(OH)2O4m-10[M=Al3+、Fe3+或Mg2+]组成的八面体片层。 根据发生同晶阳离子取代的种类把层状硅酸盐矿物分为五组：高岭土组，云母组，蛭石组，蒙脱石组和绿泥石组（表3.6）。
3）几种主要黏土矿的化学结构 a高岭土矿物晶体的板层结构 —为1∶1型结构，也称双层板结构，它由一层Si-O四面体片层与水铝八面体片层结合而成。 —由于这种双层板上部为一层O-H，易与另一双板层的Si-O四面体片层中的O形成氢键，使多个双板层互相结合而形成层状结构，由于氢键作用力，层间距很小，使水和水合阳离子难以进入板层之间的缝隙中去。
b蒙脱石矿物的晶体的板层结构 • 为2∶1型，也称三层板结构，在两个四面体片层中间夹一个八面体片层，组成如夹心饼干似的板层。 • 片层间无OH，片层间靠分子间的范德华力相结合。由于片层间作用力弱，水能进入片层间，使片层间的距离因吸水多少而变化。 • 这类矿物的颗粒小，比表面积大(800~900m2/g)。 • 属于这种类型的矿物有蒙脱石、拜来石等。
c 绿泥石的晶体结构 2:1:1型结构，在两个2:1板层之间还夹有一个M(OH)2O4m-10[M=Al3+、Fe3+或Mg2+]八面体片层。 d其它 在土壤黏粒中，除了上述层状硅酸盐矿物外，常见的矿物还有 Al、Mn、Fe形成的氧化物、氢氧化物、水合氧化物等（见表3.7）。
2.3.3 土壤有机质 广义上说，土壤有机质包括土壤生物和非生命有机物，本课程只讨论非生命有机物这一部分。 1、土壤有机质的含量 土壤有机质通常只占固相总重量的10%以下，一般约为5%。但它却是土壤的重要成分之一，是土壤形成的主要标志，对土壤的性质以及化合物在土壤中的迁移、转化有很大影响。我国部分省、市、自治区土壤的有机质含量可见表3.8。
2、土壤有机质的分类 • 土壤有机质主要来源于动植物和微生物的残体。 • 一般把土壤有机质分为两大类：非腐殖质和腐殖质。 • 非腐殖质占土壤有机质总量的10~15%，腐殖质则占85~90%。
3、非腐殖质 土壤的非腐殖质是生物残体分解的简单产物，主要以下几类有机物： (1)糖类。 (2)不含氮的有机物。 (3)含氮有机物。 (4)有机磷和有机硫化合物。 (5)木质素。
4、腐殖质 • 腐殖质是地球表面分布最广的天然有机物，是动植物残体在土壤微生物的作用下，通过复杂的反应转化而成的暗色、无定型、难以分解、组成复杂的高分子有机物。 • 1）腐殖质的形成 • 腐殖质广泛存在于土壤、湖泊、河流以及海洋中。1982年，Stevenson提出了土壤中腐殖质形成的机制（见后图3.4）。
2）腐殖质的分级与提取 根据腐殖质在酸、碱、醇溶液中的溶解行为，可把腐殖质分为不同的级分(见下图)。 目前研究较多的是腐殖酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素。 图3.5土壤腐殖质的分级
3）腐殖质的化学组成 a 腐殖质的元素组成 腐殖质主要含C、O、H、N、S等元素，它们的元素组成随其来源不同而有差异。 b 腐殖质的含氧官能团 腐殖质分子中含有若干含氧官能团，主要有羧基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基等(表3.9)。
